后方超載作用下鋼板樁碼頭變形處理措施

肖玉芳

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

鋼板樁碼頭結(jié)構(gòu)具有節(jié)能、環(huán)保、擋土性好、有效減少土方開挖、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)。隨著港口的發(fā)展，碼頭結(jié)構(gòu)形式呈多樣化，鋼板樁結(jié)構(gòu)在港口工程中也被廣泛運(yùn)用，但鋼板樁碼頭在使用不當(dāng)情況下，后方土體因超載發(fā)生變形對碼頭結(jié)構(gòu)的影響不容忽視，特別是在軟土區(qū)更加明顯。碼頭后方在超載作用下，土體會產(chǎn)生顯著水平變形，進(jìn)而使樁基礎(chǔ)和鋼板樁發(fā)生明顯的側(cè)向變形，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞[1-2]。

1 工程實(shí)例

1.1 碼頭結(jié)構(gòu)方案

碼頭采用鋼板樁結(jié)構(gòu)，頂面高程+5.4 m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高-5.7 m，單錨板樁結(jié)構(gòu)形式，采用AZ36-700N鋼板樁，板樁材質(zhì)為S430GP，頂高程+2.0 m，墻底高程-25.0～-31.0 m。鋼板樁上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆C40鋼筋混凝土胸墻，胸墻寬2.48 m。拉桿鋼材屈服強(qiáng)度不小于550 MPa，抗拉強(qiáng)度不小于750 MPa，間距2.1 m。碼頭拉桿高程為+1.5 m，直徑為φ70 mm。錨碇結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆C40鋼筋混凝土錨碇墻，墻厚600 mm，高4.0 m，頂高程4.0 m，底高程+0.0 m，下設(shè)0.4 m厚碎石基礎(chǔ)和0.1 m水泥砂漿墊層，墻前回填10～100 kg塊石，墻后回填中粗砂，碼頭墻前25 m范圍內(nèi)打排水板，進(jìn)行真空預(yù)壓軟基處理。碼頭結(jié)構(gòu)斷面見圖1。

1.2 碼頭施工現(xiàn)狀及存在問題

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.1 Cross-section of wharf structure

碼頭已完成胸墻、前后軌道梁澆筑，后方區(qū)域已回填至交工標(biāo)高+4.7 m，剩余鋪面未進(jìn)行鋪設(shè)。根據(jù)現(xiàn)場沉降位移觀測數(shù)據(jù)，碼頭整體往海側(cè)存在不同程度的位移，其中胸墻往海側(cè)最大位移為9.3 cm，后軌道梁往海側(cè)最大位移為22 cm，錨碇墻往海側(cè)最大位移34 cm，錨碇墻最大沉降49 cm。

1.3 原因分析

根據(jù)施工現(xiàn)場反饋的情況，引起碼頭主要構(gòu)件發(fā)生沉降位移的主要因素有：

1）碼頭墻前水域局部出現(xiàn)超挖

港池設(shè)計(jì)底標(biāo)高-5.7 m，局部區(qū)域疏浚實(shí)際已開挖至-6.7 m左右，水深超挖約1 m。

2）連續(xù)暴雨排水不暢

發(fā)生土體變形期間，連續(xù)一個(gè)多月大暴雨。3）碼頭后方上砂石料

在暴雨期間，碼頭后方存在持續(xù)上砂石料現(xiàn)象，堆料位于后軌往后附近區(qū)域，呈長條形堆放，堆高約8 m。

2 施工過程模擬分析

由于現(xiàn)場碼頭后方堆載過高，超出原設(shè)計(jì)規(guī)定范圍，普通的二維模型及規(guī)范計(jì)算方法已經(jīng)不能適用。

2.1 有限元模型

基于大型巖土三維有限元模型軟件PLAXIS，建立三維有限元模型進(jìn)行分析[3]。

2.2 模型范圍

考慮結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和對稱性，選擇碼頭橫向31.5 m的范圍，考慮前板樁和錨定系統(tǒng)的影響范圍，選擇碼頭前沿線海側(cè)40 m，后方80 m范圍，模型計(jì)算底標(biāo)高選擇-80 m。

2.3 單元選擇

為了能夠真實(shí)反映樁和土之間接觸界面的性質(zhì)，土體采用實(shí)體單元來模擬，對于鋼板樁結(jié)構(gòu)通過等效剛度的方法采用殼單元模擬，賦予其線彈性屬性，并在板樁前后加入界面單元模擬接觸的實(shí)際性質(zhì)。接觸面單元通過特定的數(shù)值模型，模擬不同材料之間的相互滑移、脫離等力學(xué)現(xiàn)象。對于結(jié)構(gòu)與土之間的界面，按照一般的工程經(jīng)驗(yàn)，取同深度土層材料強(qiáng)度的2/3作為接觸面單元的強(qiáng)度。對于錨定墻也采用殼單元模擬，并設(shè)置接觸界面。對于軌道梁下的樁采用Embedded樁進(jìn)行模擬。

2.4 邊界條件

模型的位移邊界條件：四個(gè)側(cè)面約束其法向位移，底面約束其三個(gè)方向的位移。排水邊界條件：底面及四個(gè)側(cè)面均為不排水邊界，頂面為排水邊界。

2.5 土體參數(shù)

根據(jù)勘察報(bào)告，模型中所采用的土層及相應(yīng)參數(shù)見表1。

2.6 施工過程的模擬

為了真實(shí)、準(zhǔn)確地分析板樁碼頭的穩(wěn)定性以及各構(gòu)件的變位和內(nèi)力情況，采用有限元軟件PLAXIS對施工過程進(jìn)行模擬，碼頭有限元三維模型見圖2。

表1 土體參數(shù)表Table 1 Soil parameters

圖2 碼頭有限元三維模型Fig.2 Finiteelement 3D model of thewharf

1）原泥面+4.7 m處開始初始地應(yīng)力平衡。

2）打設(shè)鋼板樁及PHC樁。

3）錨碇墻、胸墻、張拉錨桿等施工。

4） 碼頭前開挖至-5.7 m。

5） 碼頭前開挖至-6.7 m（超挖1 m）。

6）碼頭后軌道梁及錨碇墻之間堆砂，三角形砂堆最高處8 m。

7）碼頭后方卸載。2.7 計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)位移計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場變形對比見表2，結(jié)構(gòu)內(nèi)力匯總見表3。

表2 結(jié)構(gòu)位移計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場變形對比表Table 2 Comparison of structural displacement resultsand site deformation

表3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力統(tǒng)計(jì)表（標(biāo)準(zhǔn)值）Table 3 Statistical table of structural internal force(standard value)

2.8 計(jì)算結(jié)果分析

1）結(jié)構(gòu)段位移沉降變化趨勢與測量結(jié)果基本吻合，但錨定板沉降和位移有差異，可能存在局部地基破壞。

2）鋼板樁受力在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。3）拉桿受力在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

4）錨碇墻受力在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

5）前軌PHC樁基本已超出極限承載力，后軌基本未超出極限承載力。

2.9 鋼板樁強(qiáng)度復(fù)核

根據(jù)JTS 167-3—2009《板樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[4]，對鋼板樁的單寬強(qiáng)度進(jìn)行復(fù)核，鋼板樁滿足強(qiáng)度要求。

2.10 規(guī)范計(jì)算結(jié)果對比分析

通過規(guī)范計(jì)算對比，對鋼板樁彎矩等結(jié)構(gòu)內(nèi)力，PLAXIS模擬計(jì)算結(jié)果略小于規(guī)范計(jì)算值，但很接近，PLAXIS三維模擬的結(jié)果可為變形后處理措施的確定提供指導(dǎo)。

3 處理措施

根據(jù)分析結(jié)果，提出以下處理措施，實(shí)施過程中可根據(jù)開挖及檢測具體情況進(jìn)行方案的合理調(diào)整。

3.1 處理措施原則

滿足結(jié)構(gòu)安全和使用要求，盡量降低碼頭結(jié)構(gòu)的處理費(fèi)用，同時(shí)兼顧施工可行性。

3.2 處理措施

基于鋼板樁可用的前提下，對鋼板樁及胸墻偏位的調(diào)整是關(guān)鍵，也是重點(diǎn)，處理需要采取以下主要措施：

1）鋼板樁偏位的調(diào)整。彎矩沒有超過極限承受彎矩的范圍，需進(jìn)行偏位調(diào)整，鋼板樁偏位通過墻前回填和墻后開挖進(jìn)行調(diào)整。開挖后進(jìn)行鎖口檢查，如鎖口完好，調(diào)整偏位后可繼續(xù)使用。

2）胸墻。盡量少鑿除，根據(jù)鋼板樁偏位調(diào)整情況，鑿除面層以調(diào)整前沿線。

3）軌道梁及PHC樁：前軌軌道梁需要全部鑿除，經(jīng)檢測，如果PHC樁完整性檢測為I類樁，考慮利用；如果PHC樁完整性檢測為II類樁，考慮進(jìn)行補(bǔ)樁處理。

4）鋼拉桿：拉桿內(nèi)力未達(dá)到極限值，經(jīng)檢測合格，重新調(diào)直后使用。防腐材料如果損壞，需重做。

5）錨碇墻：雖然發(fā)生了較大的位移，但分析結(jié)果顯示，此變位屬于墻體整體平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，彎矩并不是很大，因此開挖檢測后如沒有傾斜，沒有開裂，可以使用；如開裂、傾斜需要調(diào)整修復(fù)。沉降比較大的，可以通過加高處理。如挖開后發(fā)現(xiàn)錨碇墻基礎(chǔ)破壞，需局部進(jìn)行換填處理。

3.3 施工工序

處理措施的主要施工工序見圖3。

處理過程中，加強(qiáng)沉降位移觀測，同時(shí)加強(qiáng)對現(xiàn)有碼頭結(jié)構(gòu)的保護(hù)[5]。

4 處理過程中檢測數(shù)據(jù)分析

在變形處理施工過程中，根據(jù)鋼板樁及鎖扣、鋼拉桿，PHC樁和錨定墻的檢測結(jié)果，鋼板樁及鎖扣外觀均完好，未出現(xiàn)鎖扣損壞現(xiàn)象；鋼拉桿的單節(jié)桿體長度、桿體直徑、桿體彎曲（每米）、接頭處拉桿軸線偏移檢測結(jié)果與PLAXIS三維模擬結(jié)論基本吻合。

5 結(jié)語

鋼板樁碼頭受力比較復(fù)雜，很難通過簡單計(jì)算對鋼板樁、錨碇墻及軌道梁樁基礎(chǔ)等構(gòu)件之間共同耦合作用進(jìn)行系統(tǒng)分析。本文對碼頭后方在超載作用下，考慮了港池超挖、連續(xù)大暴雨排水不暢、碼頭后方超載堆載砂石料等重要影響因素對鋼板樁及樁基礎(chǔ)的影響，對土體的側(cè)向運(yùn)動(dòng)擠壓樁基和鋼板樁變形，建立PLAXIS三維有限元模型，實(shí)現(xiàn)不同構(gòu)件在模型下的整體分析，分析結(jié)果更具對比性，可為類似工程處理提供參考。

圖3 主要施工順序Fig.3 Key construction sequence