徐大彬，藍(lán)妹元，王 煌，李子晗，馮 章

（1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司水環(huán)境與城建工程分公司 河湖治理一室，成都610000；2.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司南寧分公司 水環(huán)境工程所，南寧530000；3.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司 水務(wù)工程院，廣東 深圳518000）

1 概述

上海洋山深水港是我國首個遠(yuǎn)離大陸， 在微小島嶼鏈上建設(shè)的港口，其碼頭型式為高樁梁板碼頭，后方的擋土結(jié)構(gòu)采用斜頂樁板樁承臺接岸結(jié)構(gòu) （以下簡稱“斜頂樁接岸結(jié)構(gòu)”），如圖1。該結(jié)構(gòu)通過混凝土承臺將斜頂樁、板樁、支撐樁剛性嵌固形成整體［1-3］，在碼頭施工期陸域拋填結(jié)束后， 接岸結(jié)構(gòu)后方23～26 m的高回填土?xí)浲恋鼗a(chǎn)生大面積堆載作用， 導(dǎo)致樁周土體因固結(jié)產(chǎn)生的沉降量大于樁基本身下沉量， 從而在樁身一定范圍內(nèi)產(chǎn)生向下的摩阻力，即負(fù)摩阻力。 負(fù)摩阻力會對樁基產(chǎn)生下拉荷載，影響樁基的承載性能［4］。

圖1 上海洋山港典型斜頂樁接岸結(jié)構(gòu)

斜頂樁接岸結(jié)構(gòu)自誕生以來， 已有負(fù)摩阻力研究主要針對支撐樁和單樁進(jìn)行實測分析， 并采用經(jīng)驗公式估算下拉荷載。 肖俊華等［5］通過對比觀測兩根支撐樁及自由單樁上的軸力分布， 進(jìn)而推算中性點(diǎn)位置及負(fù)摩阻力分布；劉茲勝［6］對一根自由單樁進(jìn)行應(yīng)變觀測， 計算得到軸力后估算中性點(diǎn)深度為0.62～0.68L（L為樁長），并指出負(fù)摩阻力的產(chǎn)生和發(fā)展需經(jīng)歷一個時間過程，即時間效應(yīng)；程澤坤［7］在分析現(xiàn)場試樁實測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上， 結(jié)合有限元模擬和有效應(yīng)力法［8］來計算負(fù)摩阻力及下拉荷載。

已有研究對實際工程具有很好的指導(dǎo)價值。 然而， 目前軟土固結(jié)對接岸結(jié)構(gòu)的負(fù)摩阻力影響研究仍較缺乏。為對我國今后深水建港積累經(jīng)驗，本文擬采用有限元仿真技術(shù)， 以洋山港一期工程斜頂樁接岸結(jié)構(gòu)作為原型，通過簡化邊界條件建立數(shù)學(xué)模型，分析施工期拋填成陸后各樁負(fù)摩阻力隨軟土固結(jié)發(fā)展的規(guī)律，進(jìn)而以原型觀測驗證數(shù)模結(jié)果。由于有限元Abaqus軟件具有豐富的單元庫和材料模型庫，同時對土體的非線性求解問題能得到較為精確的解答，因此選擇該軟件作為本文的數(shù)值分析工具。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 模型描述

計算模型以洋山港一期工程的斜頂樁接岸結(jié)構(gòu)作為原型，并對地基的邊界條件進(jìn)行適當(dāng)簡化。由相關(guān)資料［1，9］可知：接岸結(jié)構(gòu)樁基皆為鋼管樁，靠海側(cè)的4根斜頂樁樁長60m， 直徑1.7m， 斜度3.5∶1， 樁距5m；中間密排板樁樁長54m，直徑1.7m，樁距1.8m，共11根樁； 后方4根支撐樁樁長54m， 直徑1.2m， 間距5m。 由于軟弱地基在高回填的堆載作用下主要發(fā)生豎向沉降（一維變形），故建立結(jié)構(gòu)和土體的平面應(yīng)變數(shù)學(xué)模型，如圖2。

圖2 斜頂樁接岸結(jié)構(gòu)計算模型

該模型的計算邊界為108，63m，模型兩側(cè)固定水平位移，底邊固定水平、豎向位移，并將軟土底部設(shè)置為排水邊界。網(wǎng)格劃分時飽和軟土采用4結(jié)點(diǎn)的滲流/變形耦合單元（CPE4P），其余構(gòu)筑物均采用4結(jié)點(diǎn)的平面應(yīng)變單元（CPE4R），劃分結(jié)果如圖3。 在計算中，承臺和樁的模型選擇線彈性模型，土體模型選擇摩爾-庫倫彈塑性模型， 并在樁-土接觸位置設(shè)置滑動接觸面，模擬樁-土的相互作用，摩擦系數(shù)取為tanφ［10］（φ為土體內(nèi)摩擦角）。 參考工程相關(guān)設(shè)計報告中地質(zhì)章節(jié)和文獻(xiàn)資料［11-13］，接岸結(jié)構(gòu)各構(gòu)筑物計算參數(shù)取值如表1。

圖3 計算模型網(wǎng)格劃分

表1 數(shù)學(xué)模型中主要構(gòu)筑物計算參數(shù)

2.2 分析過程

分析過程分3步進(jìn)行：第1步為*Geostatic分析步，進(jìn)行初始應(yīng)力場的平衡；第2步為*soils，Load分析步，將回填土體重力瞬時施加于軟土表面； 第3步為*soils，Consolidation分析步，模擬飽和軟土固結(jié)。擬定計算時長為3年（共1095d）。

3 計算結(jié)果分析

3.1 模型位移場

計算結(jié)束后，模型位移場如圖4～圖6（水平位移以向岸側(cè)為正，豎向位移以向上為正）。 計算結(jié)果表明：隨下臥軟土層固結(jié)，上部回填土體產(chǎn)生位移，進(jìn)而引起接岸結(jié)構(gòu)向海傾斜。

圖4 軟土固結(jié)完成后模型整體位移場

圖5 軟土固結(jié)完成后模型水平位移場

圖6 軟土固結(jié)完成后模型豎向位移場

由圖6看出，接岸結(jié)構(gòu)樁周土體沉降量大于樁體下沉量，即土體發(fā)生了相對樁基的豎向位移，會在各樁表面產(chǎn)生負(fù)摩阻力。

3.2 固結(jié)過程

飽和軟土固結(jié)過程實質(zhì)是超孔壓消散的過程［14］。模型中軟土厚度為26.67m， 固結(jié)結(jié)束后軟土不同深度處超孔壓變化如圖7。 計算結(jié)果表明，飽和軟土中超孔壓消散隨時間發(fā)展近似呈指數(shù)型衰減， 其消散過程可大致分為3個階段：瞬時固結(jié)階段（瞬時施加堆載，孔隙水來不及排出）、主固結(jié)階段（約前460d內(nèi)，在堆載作用下孔隙水逐漸排出）、次固結(jié)階段（超孔壓消散至零，土骨架產(chǎn)生徐變）。從圖7可知，飽和軟土固結(jié)主要在主固結(jié)階段完成，故應(yīng)重點(diǎn)分析該階段內(nèi)的各樁受力變化。

圖7 軟土不同深度處土體超孔壓變化

3.3 樁基軸力及側(cè)摩阻力

由于土體主要發(fā)生豎向沉降， 應(yīng)對樁基軸力及側(cè)摩阻力進(jìn)行分析。計算結(jié)束后，沿樁深方向提取各樁軸力和側(cè)摩阻力，其歷時變化如圖8～圖13（軸力以受拉為正，受壓為負(fù)；側(cè)摩阻力以向上為正，向下為負(fù)）。

圖8 斜頂樁軸力歷時分布

圖9 板樁軸力歷時分布

圖10 支撐樁軸力歷時分布

圖11 斜頂樁側(cè)摩阻力歷時分布

圖12 板樁側(cè)摩阻力歷時分布

圖13 支撐樁側(cè)摩阻力歷時分布

軸力分布表明：①固結(jié)初期各樁軸力較小，約在前460d內(nèi)軸力隨固結(jié)發(fā)展?jié)u增至趨于穩(wěn)定， 其增長速率表現(xiàn)為先大后小， 最終軸力沿樁深呈非線性分布；②各樁在樁頂附近受承臺的邊界效應(yīng)影響，軸力迅速增大。 在泥面線以上，各樁軸力波動范圍較小，而在泥面線以下軸力變化顯著， 其原因是樁周土體因固結(jié)沉降產(chǎn)生了相對樁基的豎向位移， 對各樁產(chǎn)生了下拉荷載進(jìn)而致使軸力改變。可以看出，由于回填土體為非黏性土，因沉降產(chǎn)生的下拉荷載較小，而軟土固結(jié)產(chǎn)生的下拉荷載占主導(dǎo)作用； ③在固結(jié)過程中，斜頂樁、板樁受壓，支撐樁受拉，說明斜頂樁、板樁共同抵抗接岸結(jié)構(gòu)下沉， 支撐樁通過產(chǎn)生拉力來限制承臺的向海傾斜。當(dāng)固結(jié)趨于穩(wěn)定后，斜頂樁在樁頂以下約30m處有軸力峰值（約-3030kN），板樁在樁頂以下約42m處有軸力峰值（約-7770kN），支撐樁在樁頂以下約50m處有軸力峰值（約9230kN）。

側(cè)摩阻力分布表明：①隨軟土固結(jié)進(jìn)行，各樁側(cè)摩阻力約在前460d內(nèi)漸增至趨于穩(wěn)定； ②各樁均在樁身一定范圍內(nèi)產(chǎn)生負(fù)摩阻力（斜頂樁約在樁頂以下20～32m段，板樁約在樁頂以下42m段內(nèi)，支撐樁約在樁頂以下50m段內(nèi)），相較于回填土體，軟土固結(jié)對樁基產(chǎn)生的負(fù)摩阻力更大。在軟土層內(nèi)，負(fù)摩阻力沿樁深先增大后減小， 當(dāng)減至零后受到持力層產(chǎn)生的端阻力的抵消作用而變?yōu)橄蛏系恼ψ枇Γ虎蹣?土位移為零處的位移平衡點(diǎn)為中性點(diǎn)［15-16］，該點(diǎn)也是負(fù)、正摩阻力的交界點(diǎn)。從圖11～圖13可看出，隨著固結(jié)發(fā)展，各樁中性點(diǎn)有下移趨勢，其中斜頂樁、板樁和支撐樁的中性點(diǎn)位置與樁長比例范圍分別約為0.50～0.53，0.68～0.78，0.85～0.92?？梢姡娇堪兜臉痘行渣c(diǎn)更深， 其原因是軟土固結(jié)致使樁周土體產(chǎn)生了不均勻沉降，在離岸越近處其沉降量越大。

3.4 負(fù)摩阻力時間效應(yīng)及下拉荷載分析

由前述分析可知， 各樁負(fù)摩阻力的發(fā)展是隨著軟土地基固結(jié)沉降而與時間相關(guān)的過程， 即具有“時間效應(yīng)”。 將各樁分段負(fù)摩阻力累加后得到樁基表面總的負(fù)摩阻力值， 其歷時曲線如圖14， 結(jié)果表明：①各樁負(fù)摩阻力發(fā)展呈現(xiàn)出明顯的時間效應(yīng)，其在主固結(jié)階段逐漸增長并最終趨于穩(wěn)定；②固結(jié)趨于穩(wěn)定后，斜頂樁、板樁和支撐樁表面產(chǎn)生的負(fù)摩阻力大小分別約為338，1490，1960kPa。

計算得到各樁下拉荷載歷時曲線如圖15， 結(jié)果表明： ①軟土固結(jié)引起的負(fù)摩阻力會在樁基表面形成下拉荷載， 各樁下拉荷載的增長主要發(fā)生在主固結(jié)階段；②由于板樁樁徑大于支撐樁，其樁周表面積更大，因此作用于樁身的下拉荷載更大。固結(jié)趨于穩(wěn)定后斜頂樁、 板樁和支撐樁所受下拉荷載分別約為1800，7970，7380kN；③可以看出，接岸結(jié)構(gòu)中板樁、支撐樁所受下拉荷載更大， 其原因是板樁和支撐樁周圍土體沉降量更大； 而斜頂樁樁周軟土無附加荷載，僅在自重下固結(jié)，且樁身傾斜，軟土作用于樁身的負(fù)摩阻力存在斜向分力， 故所受下拉荷載最??； ④負(fù)摩阻力形成的下拉荷載， 會增大樁基受力，進(jìn)而對樁基承載力產(chǎn)生不利影響。建議采取多種措施削弱負(fù)摩阻力的影響， 包括樁基表面涂抹瀝青涂層，通過涂層產(chǎn)生的剪應(yīng)變來削弱負(fù)摩阻力；通過排水固結(jié)、 清淤置換或深層水泥攪拌法來進(jìn)行地基加固，同時接岸結(jié)構(gòu)的頂面高程應(yīng)適當(dāng)預(yù)留沉降量；通過增大樁基的抗拉剛度來提高樁基承載力等。

圖14 各樁負(fù)摩阻力歷時曲線

圖15 各樁下拉荷載歷時曲線

4 原型觀測與數(shù)模結(jié)果對比

為了解斜頂樁接岸結(jié)構(gòu)中樁基負(fù)摩阻力的分布規(guī)律， 一期工程中相關(guān)單位對支撐樁的軸力做了大量現(xiàn)場監(jiān)測。 拋填成陸結(jié)束后的第514d （次固結(jié)階段），支撐樁軸力監(jiān)測結(jié)果表明［5，17，18］：樁頂以下20m范圍內(nèi)，軸力變化不大；在樁頂以下20～34m范圍內(nèi)，由于負(fù)摩阻力作用， 軸力逐漸增大， 峰值約為11600kN；在34m以下樁段內(nèi)軸力逐漸減小。

支撐樁軸力在原型與數(shù)模中的對比如圖16。 可以看出， 數(shù)模計算的支撐樁軸力分布在趨勢與數(shù)值上均與原型基本一致。

圖16 原型與數(shù)模的支撐樁軸力對比

5 結(jié)語

（1）軟土固結(jié)會致使回填土體發(fā)生位移，引起接岸結(jié)構(gòu)向海傾斜。 樁周土體發(fā)生相對樁基的豎向位移，會在各樁表面產(chǎn)生負(fù)摩阻力。

（2）飽和軟土中超孔壓消散隨時間發(fā)展近似呈指數(shù)型衰減，其固結(jié)主要發(fā)生在主固結(jié)階段（約前460d內(nèi)）。

（3）隨軟土固結(jié)發(fā)展，斜頂樁、板樁受壓，支撐樁受拉，且各樁在泥面線以下樁段的軸力變化顯著，說明相較于回填土體， 軟土固結(jié)產(chǎn)生的下拉力占主導(dǎo)作用。各樁均在樁身一定范圍內(nèi)產(chǎn)生負(fù)摩阻力，斜頂樁、 板樁和支撐樁的中性點(diǎn)位置與樁長比例范圍分別為0.50～0.53，0.68～0.78和0.85～0.92。

（4）樁基的負(fù)摩阻力發(fā)展具有時間效應(yīng)，會在各樁表面形成下拉荷載，固結(jié)趨于穩(wěn)定后斜頂樁、板樁和支撐樁受到的下拉荷載分別約為1800，7970，7380kN。 下拉荷載對板樁、 支撐樁承載力的影響更大，建議采取多種措施削弱負(fù)摩阻力的不利影響。