軟土地基上碼頭岸坡穩(wěn)定主要影響因素機(jī)理研究

李建華

（云南水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650051）

軟土地基上碼頭岸坡穩(wěn)定主要影響因素機(jī)理研究

李建華

（云南水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650051）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平迅猛發(fā)展，碼頭數(shù)量日趨增加，由于河道、海灘岸線資源有限，越來(lái)越多的碼頭建立在地基土中有軟土組成的區(qū)域。由于軟土地基物理性能差，承載力與抗剪抗壓強(qiáng)度低，必須要經(jīng)過(guò)特殊處理才能滿足正常碼頭使用要求。本文在以往工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及諸多專家學(xué)者研究探討的基礎(chǔ)上，以江蘇連云港燕尾港碼頭工程為實(shí)際案例，借助PLAXIS有限元計(jì)算軟件以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)軟土地區(qū)碼頭岸坡穩(wěn)定的一些影響因素展開(kāi)了細(xì)致的研究工作，得出了相應(yīng)的結(jié)論，具有十分重要的理論意義與工程價(jià)值。

軟土地基；連云港燕尾港；PLAXIS有限元計(jì)算軟件；影響機(jī)理

0 前言

隨著現(xiàn)代工業(yè)化浪潮以及水運(yùn)成本低廉的明顯優(yōu)勢(shì)，進(jìn)出口貿(mào)易對(duì)港口碼頭的依賴性越來(lái)越強(qiáng)，同時(shí)碼頭的建立建設(shè)是港口發(fā)展的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，隨著相關(guān)部門、企業(yè)對(duì)水運(yùn)行業(yè)的高度重視，大量水運(yùn)碼頭林立而起，碼頭建設(shè)用地極為緊張，越來(lái)越多的新建碼頭建在地基承載力較差的區(qū)域，同時(shí)，內(nèi)河、海洋沿岸又是軟土地基集中的區(qū)域，軟土分布較為密集，要在軟土地基上修建碼頭，岸坡的穩(wěn)定是項(xiàng)目開(kāi)展首先需要落實(shí)解決的問(wèn)題。在以往的工程經(jīng)驗(yàn)中，常常出現(xiàn)因?yàn)檐浲恋鼗休d能力缺陷而導(dǎo)致的土體變形與不均勻沉降，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物、承載樁臺(tái)的變形與裂縫，影響碼頭工程的穩(wěn)定運(yùn)行和正常使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近幾年我國(guó)國(guó)內(nèi)就已經(jīng)發(fā)生過(guò)多次因軟土地基碼頭岸坡失穩(wěn)而引起的工程質(zhì)量事故，造成了重大的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失，可見(jiàn)就軟土地基的特性，對(duì)岸坡受力展開(kāi)分析，提出科學(xué)合理的保證岸坡穩(wěn)定的工程措施是一個(gè)具有十分重要的研究意義。本文以江蘇連云港燕尾港區(qū)某碼頭作為實(shí)例研究對(duì)象，借助PLAXIS有限元計(jì)算軟件以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)影響軟土地區(qū)碼頭穩(wěn)定的一些影響因素展開(kāi)了細(xì)致的研究工作。

1 項(xiàng)目概況

本章將結(jié)合連云港港疏港碼頭工程，對(duì)工程中三個(gè)項(xiàng)目A、B、C進(jìn)行具體分析。其中，項(xiàng)目A為圍堤附近的地基處理工程，該處理工程可分為 195m×150m、195m×150m、160m×150m 以及 160m×150m 共計(jì)四個(gè)區(qū)域，分別標(biāo)識(shí)為 A1、A2、A3、A4，總面積約 10.50萬(wàn) m3。 項(xiàng)目B為A3、A4區(qū)圍堤對(duì)岸的高樁碼頭工程，其岸線長(zhǎng)度約310m。項(xiàng)目C為A1、A2區(qū)圍堤對(duì)岸的高樁梁板式碼頭工程，其岸線長(zhǎng)度約390m，右側(cè)與項(xiàng)目B相鄰。

2 施工方案

工程項(xiàng)目B與工程項(xiàng)目C具有相同的碼頭結(jié)構(gòu)形式，施工工藝大致相同，因此在本文中就一起進(jìn)行描述，這兩個(gè)項(xiàng)目的施工順序主要包括以下步驟：

（1）邊坡開(kāi)挖的施工。

在該階段，主要按照設(shè)計(jì)邊坡要求（坡長(zhǎng)和坡腳），對(duì)碼頭邊坡進(jìn)行開(kāi)挖。在開(kāi)挖工程中，必須保證所有開(kāi)挖點(diǎn)的挖深不超過(guò)設(shè)計(jì)最大允許值（400mm），同時(shí)，為減小在邊坡開(kāi)挖過(guò)程中因應(yīng)力驟變產(chǎn)生的邊坡土體錯(cuò)位、崩塌，因此可采用分層開(kāi)挖、邊中結(jié)合等施工方法，盡量保證碼頭邊坡的結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性。

（2）混凝土方樁的施工。

在該過(guò)程中，首先采用GPS定位儀對(duì)樁基施工坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)設(shè)，然后進(jìn)行方樁施工。本工程項(xiàng)目B的施工方樁型號(hào)為550*550mm方樁，工程項(xiàng)目C的施工方樁型號(hào)為580*580mm方樁，在打樁過(guò)程中，要在樁體的四個(gè)角（四個(gè)角對(duì)角線相互交叉呈90°）設(shè)立4臺(tái)經(jīng)緯儀，同時(shí)在樁頭處（樁頭受外力處，即地面上端處）設(shè)立豎直鉛垂陀螺，以保證方樁的施工始終沿著豎直方向，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，施工向與豎直向的夾角最大不能超過(guò)2.5°。

3 數(shù)模計(jì)算與分析

3.1 土體的水平位移

將B、C兩個(gè)項(xiàng)目碼頭工程在施工期內(nèi)的土體累計(jì)水平位移結(jié)果云圖分別繪于圖1。圖中，正方向?yàn)橛娣较颉?/p>

圖1 B、C項(xiàng)目碼頭工程在施工期內(nèi)累計(jì)水平位移計(jì)算結(jié)果云圖Fig.1 Project wharf B and project wharf C in construction period,the cumulative horizontal displacement cloud computing results

從圖1(a)和圖2(b)對(duì)比分析可知，在整個(gè)施工期內(nèi)，B項(xiàng)目碼頭工程受對(duì)岸陸域大堆積荷載的作用，最大累計(jì)水平位移大概有240mm，產(chǎn)生水平位移最大的區(qū)域主要分布在碼頭岸坡地基中的淤泥層，并隨著深度增加、土質(zhì)變好土質(zhì)理化性能增強(qiáng)而逐漸減小，而C項(xiàng)目碼頭工程則無(wú)后方堆載影響，最大累計(jì)水平位移也僅有200mm左右，遠(yuǎn)小于其他條件相同下的B項(xiàng)目碼頭工程。進(jìn)一步對(duì)比分析可知，B、C兩個(gè)項(xiàng)目碼頭工程在施工期內(nèi)的累計(jì)水平位移分布基本一致，僅僅是因?yàn)槎演d不同而引起。

由于B項(xiàng)目碼頭工程先后有后方堆載以及邊坡開(kāi)挖兩個(gè)工序，為進(jìn)一步分析這兩個(gè)工序的具體影響，將這兩個(gè)工序完成后的碼頭累計(jì)水平位移計(jì)算結(jié)果云圖依次繪于圖2。

圖2 B、C項(xiàng)目碼頭工程在堆載期間累計(jì)水平位移計(jì)算結(jié)果云圖Fig.2 Project wharf B and project wharf C during heap load cumulative horizontal displacement cloud computing results

對(duì)比圖2(a)和圖3(b)可知，在堆載過(guò)程中，B項(xiàng)目碼頭工程的岸坡土體水平位移已經(jīng)達(dá)到了120mm，在邊坡開(kāi)挖破壞了土體結(jié)構(gòu)后，變形就明顯傾向于迎水面?zhèn)劝l(fā)展，并連鎖導(dǎo)致岸坡與樁基的變形甚至移位，降低了岸坡的穩(wěn)定性。

3.2 土體內(nèi)孔隙水壓力的變化

前文已分析過(guò)，土體在打樁過(guò)程中在外力作用下體積發(fā)生突變，土體內(nèi)的孔隙水來(lái)不及排出而產(chǎn)生超孔隙水壓力，在整個(gè)地基土體總應(yīng)力不變的情況下大幅減小土體的有效應(yīng)力，本節(jié)通過(guò)PLAXIS有限元計(jì)算軟件分析計(jì)算打樁過(guò)程中碼頭岸坡孔隙水壓力的變化情況，將樁基在打入土體內(nèi)瞬間的岸坡斷面孔隙水壓力分布云圖點(diǎn)繪于圖3。

圖3 樁基打入土體瞬間碼頭岸坡斷面孔隙水壓力分布云圖Fig.3 Pile foundation soil into the instant wharfs of pore water pressure distribution nephogram

取岸坡表層點(diǎn)（B點(diǎn)）和樁基上中間點(diǎn)（C點(diǎn)）作為特征點(diǎn)，將這兩點(diǎn)在打樁作用時(shí)間內(nèi)的孔隙水壓力變化過(guò)程曲線圖點(diǎn)繪于圖4。

圖4 打樁作用時(shí)間內(nèi)兩特征點(diǎn)的孔隙水壓力變化過(guò)程曲線圖Fig.4 Pile driving effect period,two feature points of the pore water pressure change process graph

在圖4中，縱軸表示總孔隙水壓力，正值代表正常情況下的土體孔隙水壓力，負(fù)值則表示打樁過(guò)程中產(chǎn)生的超孔隙水壓力。分析上圖可得出以下結(jié)論：

（1）在打樁過(guò)程中，外力作用時(shí)間內(nèi)，B、C點(diǎn)都產(chǎn)生了較大的瞬時(shí)超孔隙水壓力，其中B點(diǎn)的超孔壓最大可達(dá)-420kPa，而C點(diǎn)的超孔壓最大則可達(dá)-910kPa，隨著與樁體距離逐漸增大，外力逐漸消散，土體中的超孔隙水壓力逐漸變?yōu)檎Ｖ怠?/p>

（2）進(jìn)一步分析可知，可知每次打樁的單次時(shí)間在1.2s左右，其中，打樁振動(dòng)的時(shí)間持續(xù)約0.15s，在這段時(shí)間內(nèi)土體受外力作用劇烈變形，孔隙水壓力急劇增大，超孔壓值波動(dòng)明顯，而自由振動(dòng)時(shí)間約為1.05s左右，此時(shí)外力作用逐漸消散，超孔壓值趨于穩(wěn)定。

（3）根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)與以往研究分析，打樁時(shí)受影響的距離一般在10m至15m范圍內(nèi)變化，隨著與打樁點(diǎn)絕對(duì)距離的增加，振動(dòng)加速度會(huì)呈衰減趨勢(shì)。由圖5對(duì)比分析可知，岸坡上土體離打樁點(diǎn)距離約10m左右，其感受到的振幅已明顯減弱。

（4）隨著打樁點(diǎn)距離的增加，振動(dòng)變化的時(shí)間逐漸滯后。

4 結(jié)論

本文針對(duì)軟土地基碼頭岸坡穩(wěn)定影響機(jī)理，以江蘇連云港燕尾港實(shí)例碼頭，結(jié)合PLAXIS有限元計(jì)算軟件以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)相關(guān)影響機(jī)理做了大量研究，得出以下結(jié)論：

（1）對(duì)軟土地區(qū)碼頭岸坡來(lái)說(shuō)，打樁對(duì)岸坡穩(wěn)定性十分不利，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果以及有限元數(shù)模模擬計(jì)算，在打樁過(guò)程中，樁體中點(diǎn)處土體的孔隙水壓力可由正常情況下的250 kPa驟升至-910kPa的超孔壓，而岸坡表層的孔隙水壓力變化值則從0 kPa升至-420kPa，可見(jiàn)隨著離打樁點(diǎn)距離增大，外力逐漸消散，孔隙水壓力逐漸恢復(fù)正常。同時(shí)，隨著打樁點(diǎn)距離的增加，振動(dòng)變化的時(shí)間也出現(xiàn)逐漸滯后的情況。

（2）邊坡開(kāi)挖對(duì)軟土地區(qū)碼頭岸坡的穩(wěn)定性十分不利，根據(jù)PLAXIS有限元計(jì)算軟件建模分析結(jié)果，在邊坡開(kāi)挖過(guò)程中，整個(gè)碼頭岸坡斷面平均水平位移為19.2mm，最大累計(jì)位移可達(dá)120.8mm，可見(jiàn)邊坡開(kāi)挖會(huì)破壞土體結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致變形明顯傾向于迎水面?zhèn)劝l(fā)展，并連鎖導(dǎo)致岸坡與樁基的變形甚至移位，降低了岸坡的穩(wěn)定性。

（3）在通常情況下，軟土邊坡滑動(dòng)面在剪切應(yīng)力達(dá)到滑移破壞前都會(huì)產(chǎn)生塑性變形，為防止這一工程事故發(fā)生帶來(lái)的巨大損害，必須及時(shí)進(jìn)行岸坡穩(wěn)定監(jiān)測(cè)，尤其是在邊坡開(kāi)挖、打樁、后方超堆載等不利作業(yè)情況下。

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On the Soft Soil Foundation of the Main Factors that Influence the Stability Mechanism Wharfs

LI Jian-hua
(Yunnan Water Transportation Planning and Design Institute,Kunming Yunnan 650051,China)

Along with our country economy fast development,the port number increased,due to the river,beaches,.,a growing number of wharf built on the foundation soil in soft soil area.Due to poor physical properties of soft soil foundation,bearing capacity and shear compressive strength is low,must pass through special processing to meet the requirements of normal use terminal.Based on the previous engineering experience,and many experts and scholars,on the basis of research in jiangsu lianyungang dovetail port wharf engineering for the actual cases,using PLAXIS finite element calculation software and the measured data,to some influence factors to the stability of wharfs in soft soil area carried out detailed research work,the corresponding conclusion,has important theoretical meaning and engineering value.

Soft soil foundation;Lianyungang Yanwei port;PLAXIS finite element calculation software;Influence mechanism

李建華（1976—），男，云南大理人，本科,工程師，主要從事港口航道、巖土工程的設(shè)計(jì)研究工作。

湯靜］