尹永欣，張京京，李曉慧，王永光

（1.中交天津港灣工程設(shè)計(jì)院有限公司大連分公司，遼寧 大連 116001；2.大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024）

1 研究背景

建設(shè)于軟土地基上的高樁碼頭，岸坡土體變形對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的影響不可忽視。文獻(xiàn)[1]通過(guò)工程實(shí)例介紹總結(jié)了岸坡土體變形對(duì)碼頭位移和樁基內(nèi)力的影響；祝振宇等[2]通過(guò)有限元模型分析了高樁碼頭-岸坡體系的變形規(guī)律及主要影響因素；張強(qiáng)等[3]分析了岸坡土體變形引起碼頭樁基變位的破損機(jī)理并提出了防治對(duì)策；田雙珠等[4]通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)角處岸坡土體以及接岸結(jié)構(gòu)變形的原型觀測(cè)，探求岸坡變形規(guī)律及主導(dǎo)因素；李越松等[5]利用試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)與土相互作用的蠕變變形計(jì)算，分析了岸坡土體蠕變對(duì)高樁碼頭的影響；劉現(xiàn)鵬等[6]提出了一種分析土體變形對(duì)高樁碼頭結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值分析方法；王斐[7]總結(jié)分析了影響高樁碼頭岸坡穩(wěn)定的主要因素，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況用有限元軟件進(jìn)行模擬。

以往的研究大多針對(duì)高樁碼頭陸域回填或使用期堆載對(duì)樁基的影響，對(duì)樁基的作用表現(xiàn)為“加載”。但是碼頭位置的岸坡開(kāi)挖這一“卸載”行為同樣可引起樁基內(nèi)力，此方面的研究成果和工程實(shí)例并不多見(jiàn)。

圖1為某10 000 DWT高樁碼頭結(jié)構(gòu)，碼頭面頂高程4.5 m，底高程-9.8 m。樁基采用準(zhǔn)1.2 m預(yù)應(yīng)力大管樁，排架間距9 m。上部結(jié)構(gòu)由樁帽、橫梁、縱梁、面板組成。碼頭采用離岸式高樁結(jié)構(gòu)，后方陸域采用吹填粉細(xì)砂形成，吹填高度約為5～7 m，碼頭后沿線距離陸域護(hù)岸47 m。碼頭建設(shè)時(shí)陸域已吹填完成10個(gè)月，并完成了地基處理。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.1 Section diagram of wharf structure

由于受外海防波堤、納泥區(qū)等構(gòu)筑物建設(shè)時(shí)序限制，碼頭樁基施工前不具備港池疏浚的條件，因此建設(shè)方案先進(jìn)行陸域吹填及地基處理，然后施工碼頭結(jié)構(gòu)，在碼頭結(jié)構(gòu)施工完成后再進(jìn)行港池疏浚及岸坡開(kāi)挖，岸坡坡度1頤3.5和1頤5，港池疏浚的平均深度約為6 m。

港池疏浚及岸坡開(kāi)挖產(chǎn)生的土體卸載，將導(dǎo)致岸坡土體的變形，影響碼頭結(jié)構(gòu)。研究土體卸載對(duì)高樁碼頭結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)保證結(jié)構(gòu)安全具有重要的工程意義。為研究港池開(kāi)挖對(duì)高樁結(jié)構(gòu)的影響，采用PLAXIS 3D有限元軟件建模計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

2 建模計(jì)算

2.1 模型建立

PLAXIS 3D是一款通用巖土有限元軟件，在解決巖土工程問(wèn)題中有強(qiáng)大的專(zhuān)業(yè)分析工具。軟件提供了豐富的土體本構(gòu)模型，能夠較好地模擬樁、梁、板等結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)和土體的相互作用，并可模擬施工工序?qū)こ痰挠绊憽?/p>

港池開(kāi)挖屬于土體卸載，因此計(jì)算時(shí)采用土體硬化模型（Hardening Soil，簡(jiǎn)稱(chēng)HS模型），它是根據(jù)三軸試驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn)提出的彈塑性本構(gòu)，能夠描述三軸試驗(yàn)和固結(jié)儀試驗(yàn)揭示的包括土體卸載/再加載在內(nèi)的絕大部分土體行為。

模型中，樁基采用Embedded樁單元模擬，橫梁和縱梁均采用梁?jiǎn)卧姘宀捎冒鍐卧?。Embedded樁是由梁?jiǎn)卧獦?gòu)成的，通過(guò)將樁身直徑范圍內(nèi)的土體參數(shù)設(shè)置為樁材料來(lái)模擬樁土相互作用，并可以設(shè)置側(cè)摩擦力和樁底反力。

為考慮斜樁扭角對(duì)樁基內(nèi)力的影響，模型考慮一個(gè)結(jié)構(gòu)分段（7跨）建模，按空間結(jié)構(gòu)計(jì)算，土體范圍為81 m伊200 m，深度為-50 m（圖2）。為簡(jiǎn)化計(jì)算，碼頭面均布荷載以90 kN/m的線荷載直接作用在橫梁上。樁基采用直徑1.2 m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，碼頭梁板均采用混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁寬1.4 m，高1.9 m，縱梁寬0.6 m，高1.4 m，面板厚0.55 m。土體參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 碼頭結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 Finite element model of wharf structure

表1 各土層參數(shù)表Table1 Parametersof every soil layer

2.2 計(jì)算內(nèi)容

根據(jù)上述模型參數(shù)，分別對(duì)兩種施工工序進(jìn)行計(jì)算：

工序一：先進(jìn)行樁基及碼頭上部結(jié)構(gòu)的施工，然后再進(jìn)行港池疏浚。分別計(jì)算港池未開(kāi)挖（泥面高程-2.15 m）、港池開(kāi)挖至-5.0 m、-7.5 m、-9.8 m以及使用期撞擊力作用的工況。

工序二：先將港池疏浚至-9.8 m，形成岸坡，再進(jìn)行樁基及碼頭上部結(jié)構(gòu)施工，計(jì)算施工期結(jié)束后以及使用期撞擊力作用的工況。

根據(jù)規(guī)范[8]，通常當(dāng)水平力作用在結(jié)構(gòu)段端部排架時(shí)，樁基常處于最不利狀態(tài)。計(jì)算時(shí)考慮撞擊力作用在碼頭端部第一個(gè)排架。

由于碼頭設(shè)置斜樁，在橫向水平力作用下，樁基在兩個(gè)方向均產(chǎn)生彎矩（Mx、My），因此樁基

3 計(jì)算結(jié)果分析

開(kāi)挖深度、土體強(qiáng)度、施工工序等都可能對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，通過(guò)調(diào)整相關(guān)參數(shù)分析上述因素對(duì)結(jié)構(gòu)影響的變化規(guī)律。各情況下第一排架橫梁水平位移的計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

表2 橫梁水平位移計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculations of horizontal displacement of beam

3.1 土體開(kāi)挖深度的影響

工序一港池開(kāi)挖底高程分別按-2.15 m（未開(kāi)挖）、-5 m、-7.5 m、-9.8 m考慮，施工期各樁基彎矩對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖3 工序一施工期不同開(kāi)挖深度樁基彎矩對(duì)比Fig.3 Comparison of bending moment of pilesby different excavation in construction period of process1

由圖3可以看出，隨著土體開(kāi)挖深度的增加，各樁基彎矩有增有減，變化趨勢(shì)不統(tǒng)一，僅有靠近陸側(cè)的5號(hào)樁彎矩隨開(kāi)挖深度增加而增加。分析表2中橫梁位移的相關(guān)數(shù)據(jù)，可以看出開(kāi)挖深度對(duì)橫梁位移的影響方向并不一致。

為了分析其原因，假定土層性質(zhì)均勻，將各層土體參數(shù)統(tǒng)一調(diào)整為1粉土，計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖4。當(dāng)土體參數(shù)均勻時(shí)，樁基彎矩隨開(kāi)挖深度的變化趨勢(shì)仍不一致，但橫梁向陸側(cè)的位移隨著開(kāi)挖深度的增加而增大，開(kāi)挖深度對(duì)橫梁位移的影響趨勢(shì)趨于一致。

圖4 工序一均勻土層施工期不同開(kāi)挖深度樁基彎矩對(duì)比Fig.4 Comparison of bending moment of pilesby different excavationwithhomogeneoussoillayer inconstruction period of process1

3.2 施工工序的影響

為了研究施工工序?qū)Y(jié)構(gòu)的影響，對(duì)表2中工序一和工序二的樁基彎矩計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 不同開(kāi)挖工序施工期樁基彎矩對(duì)比Fig.5 Comparison of bending moment of piles by different processin construction period

圖6 不同開(kāi)挖工序撞擊力作用下樁基彎矩對(duì)比Fig.6 Comparison of bending moment of piles by different processin impact force

由圖5可知，工序二先將土體開(kāi)挖至-9.8 m再打樁，樁基僅有結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的彎矩。若按工序一先打樁后開(kāi)挖，則土體卸載導(dǎo)致樁基彎矩顯著增加。相應(yīng)地，由圖6可知，在相同的使用期外荷載作用下，不同的開(kāi)挖工序?qū)е聵痘畲髲澗卦黾?21 kN·m。

因此，碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段應(yīng)關(guān)注施工工序?qū)Y(jié)構(gòu)的影響，尤其是土體加載或卸載時(shí)。高樁碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算中，應(yīng)根據(jù)具體施工工序，考慮土體變形對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，保證結(jié)構(gòu)安全。

3.3 土體強(qiáng)度的影響

保持碼頭結(jié)構(gòu)不變，分別將土體各計(jì)算參數(shù)降低30%和提高30%，分析各工序計(jì)算結(jié)果。

1）工序一，先打樁后開(kāi)挖，不同土體強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖7、圖8。

圖7 工序一不同土體強(qiáng)度施工期樁基彎矩對(duì)比Fig.7 Comparison of bending moment of pilesby different soil strength in construction period of process1

圖8 工序一不同土體強(qiáng)度撞擊力作用樁基彎矩對(duì)比Fig.8 Comparison of bending moment of pilesby different soil strength in impact force of process1

由圖7、圖8可知，當(dāng)先打樁后開(kāi)挖時(shí)，土體強(qiáng)度降低30%，施工期開(kāi)挖至-9.8 m時(shí)樁基最大彎矩增加48%，樁頂橫梁位移相差12.8 mm；使用期樁基彎矩增加26%，樁頂橫梁位移相差10.9 mm。土體強(qiáng)度提高30%。施工期和使用期樁基彎矩減小幅度分別為12%和4%，樁頂橫梁位置差值分別為1.1 mm和3.0 mm，部分樁基彎矩隨著土體強(qiáng)度的提高反而略有增加。

2）工序二，先開(kāi)挖至-9.8 m后再打樁，不同土體強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 工序二不同土體強(qiáng)度施工期樁基彎矩對(duì)比Fig.9 Comparison of bending moment of pilesby different soil strength in construction period of process2

圖10 工序二不同土體強(qiáng)度撞擊力作用樁基彎矩對(duì)比Fig.10 Comparison of bendingmoment of pilesby different soil strength in impact force of process 2

由圖9、圖10可知，當(dāng)先疏浚后打樁時(shí)，由于土體變形發(fā)生在樁基施工之前，因此無(wú)論是施工期還是使用期，土體強(qiáng)度的變化對(duì)樁基彎矩和樁頂橫梁位移的影響都不大。

4 位移觀測(cè)結(jié)果

碼頭共15個(gè)結(jié)構(gòu)分段，在每個(gè)結(jié)構(gòu)分段海側(cè)設(shè)置2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，共30個(gè)。以碼頭梁板結(jié)構(gòu)完工后作為初始值，港池岸坡開(kāi)挖完成后的位移觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖11。

圖11 碼頭前沿水平位移觀測(cè)結(jié)果Fig.11 Observation result of horizontal displacement of wharf apron

由觀測(cè)結(jié)果可知，碼頭前沿位移值在-5～+2 mm之間（其中負(fù)值表示向海側(cè)位移），平均位移為-1.27 mm。有限元計(jì)算顯示港池岸坡開(kāi)挖至-9.8 m時(shí)橫梁水平位移為-0.6 mm。無(wú)論是計(jì)算值還是觀測(cè)值，碼頭位移量均不大。初始值觀測(cè)時(shí)間為7月份，港池開(kāi)挖后的觀測(cè)時(shí)間為翌年12月份，由于水平位移的量值較小，考慮溫度變化、觀測(cè)誤差等因素，難以對(duì)水平位移進(jìn)行定量分析。

5 結(jié)語(yǔ)

分析研究港池開(kāi)挖深度、土體參數(shù)、施工工序等因素對(duì)高樁碼頭結(jié)構(gòu)的影響。

1）與先開(kāi)挖后打樁的施工工序相比，考慮港池疏浚產(chǎn)生的土體變形后，樁基彎矩顯著增大，因此高樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不但要考慮陸域土體加載的影響，對(duì)港池疏浚與岸坡等土體卸載行為對(duì)樁基的影響也不應(yīng)忽視。

2）土體卸載產(chǎn)生的彎矩及碼頭水平位移與土體開(kāi)挖深度之間并非正相關(guān)，而是受各土層強(qiáng)度的影響。

3）土體強(qiáng)度的變化會(huì)導(dǎo)致土體變形幅度改變，影響到結(jié)構(gòu)安全。尤其是樁基施工結(jié)束后土體卸載幅度有較大變化時(shí)，土體強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)的影響顯著增加。

4）土體卸載對(duì)樁基彎矩的影響不可忽視，應(yīng)盡量采取先開(kāi)挖后打樁的工程措施，避免港池開(kāi)挖導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力增加。條件受限不可避免時(shí)，應(yīng)采用合適的計(jì)算手段，通過(guò)對(duì)施工步驟的模擬，分析施工工序?qū)Y(jié)構(gòu)的影響。由于土體參數(shù)是影響樁基內(nèi)力的敏感因素，且參數(shù)不易獲取，建議樁基選型時(shí)單樁受彎承載力留有一定的安全儲(chǔ)備。

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