陸域堆載對框架碼頭樁基彎矩影響的試驗研究

趙 迪，王俊杰，黃詩淵

(重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心， 重慶 400074)

碼頭陸域堆載對樁基的作用是典型的被動樁[1-2]問題，堆載作用引起土體的豎向沉降、豎向附加應(yīng)力，土體內(nèi)應(yīng)力重分布，產(chǎn)生水平側(cè)向附加應(yīng)力及水平的位移場。由于樁基的存在，兩者相互影響，土體內(nèi)出現(xiàn)遮簾效應(yīng)[3]與土拱效應(yīng)[4]，樁身受到土體的“擠壓”而產(chǎn)生一定的側(cè)向荷載及變形。該問題較為復(fù)雜，若處理不當，將會造成碼頭產(chǎn)生較大的受力變形而影響正常使用，甚至結(jié)構(gòu)破壞，如超載引起長江下游某件雜貨碼頭相鄰引橋較大水平位移[5]，連云港基樁工程的傾斜及斷裂[6]。

針對堆載問題引起的樁基受力變形問題，抗滑樁[7]、橋梁樁基[8]、建筑樁基[9]及碼頭樁基均有學(xué)者研究，但是針對碼頭樁基的研究較少。近五年來主要有劉泓江[10]運用C語言程序，組合運算了包含堆貨荷載在內(nèi)的荷載進行架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算，得到了最不利的荷載工況組合。葉晨茂[11]分析了“四跨五樁柱”架空直立式碼頭可能出現(xiàn)的包含貨場堆載在內(nèi)的荷載工況，并針對平面鋼架計算了不同的組合，提出了最不利荷載工況組合。王曉龍[12]通過物理模型試驗與數(shù)值模擬分析了岸坡土體為砂土及砂泥巖混合料時，堆載條件下單排架樁基的彎矩及軸力分布規(guī)律。周末等[13]通過FLAC3D探討了堆載過程中，分離卸荷式板樁碼頭樁基的受力變形特性，以及碼頭樁基結(jié)構(gòu)上土壓力的分布規(guī)律，并與原型觀測及離心模型試驗結(jié)果對比驗證了模擬方法的合理性。

綜上所述，陸域堆載對碼頭岸坡土體的穩(wěn)定性及應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生一定的影響，現(xiàn)有研究針對考慮堆載影響如何改變或影響框架碼頭樁基彎矩特性研究較少。因此，本文進行不同陸域堆載荷載對樁體彎矩影響試驗?zāi)M，設(shè)計13級不同堆載荷載，探究碼頭結(jié)構(gòu)段樁身彎矩的影響。

1 試驗?zāi)Ｐ偷慕?/h2>

1.1 試驗設(shè)備

本實驗采用模型槽尺寸為4.0 m(長)×2.0 m(寬)×2.0 m(高)的自制港工結(jié)構(gòu)地基多功能實驗?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)完成，在試驗中框架碼頭樁基上貼128片BX120-5AA 型應(yīng)變片，為了測量計算樁基內(nèi)力，應(yīng)變片沿截面對稱布置。

1.2 試驗材料

根據(jù)三峽庫區(qū)典型的地質(zhì)條件，填方材料通常采用砂泥巖混合料，根據(jù)對其抗剪強度[14]、變形[15]、水力梯度[16]等物理力學(xué)特性[17]的研究，本試驗選取砂巖與泥巖質(zhì)量比8∶2拌和后填筑岸坡，測試其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示?？蚣艽a頭選用Q235普通碳素鋼無縫鋼管進行焊接模擬，鋼管壁厚δ=3 mm，外徑φ=89 mm，彈性模量約為E=2.04×1011Pa。

表1 砂泥巖混合料物理力學(xué)參數(shù)

1.3 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗岸坡土體分層填筑并壓實，形成1 ∶2.6的穩(wěn)定邊坡，碼頭框架采用3榀排架，共計12根樁基焊接于模型槽底部，樁基編號如圖1所示。

1.4 陸域堆載方案

堆載采用自行研發(fā)的巖土地基相互作用模型試驗系統(tǒng)中豎向加載系統(tǒng)分級加載完成，在豎向千斤頂下通過木板及鋼板形成墊層，將千斤頂所施加的荷載均勻分布到整個坡頂堆載區(qū)域，最大堆載荷載為325 kN，共分13級加載，每級荷載25 kN，加載之前先對應(yīng)變采集系統(tǒng)進行檢測平衡，讀取初始土壓力盒讀數(shù)，然后進行分級加載，每級荷載加載完成后，待土壓力盒讀數(shù)及電阻應(yīng)變片數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進行采樣。

2 模型試驗結(jié)果

樁體的彎矩，以y軸負方向為+，正方向為-。試驗?zāi)Ｐ陀扇齻€排架結(jié)構(gòu)組成，其中兩側(cè)邊排架B與C結(jié)構(gòu)對稱，因此在中排架A及側(cè)排架B上布置應(yīng)變片測量其彎矩分布。

圖1試驗結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

2.1 中間排架A樁基彎矩

中間排架A在陸域堆載時的彎矩如圖2所示。

圖2陸域堆載時中排架A各樁彎矩圖

由圖2可知，陸域堆載對樁體彎矩有一定的影響，當陸域堆載值較小時，樁上彎矩較小，沿著樁長變化較小，而隨著陸域堆載值的增加，樁體的彎矩也逐漸增大，沿著樁長方向分布差異性越大，以正彎矩為主，有少量的負彎矩；1#、2#、3#、4#樁最大彎矩發(fā)生位置分別為0.66 m、0.88 m、1.56 m及1.56 m高程，大小依次為0.944 kN·m、0.428 kN·m、0.310 kN·m、0.363 kN·m，分別為1#樁的100%、45.3%、32.8%、38.4%；說明在排架結(jié)構(gòu)中最大彎矩發(fā)生在最后側(cè)樁位，其余樁位不超過其1/2。在設(shè)計配筋計算中需注意發(fā)生彎矩最大值的位置也從橫梁以下2/3橫梁到基巖面樁長逐漸過渡到橫梁位置，主要為樁后受壓，樁前受拉。

2.2 中排架A彎矩與側(cè)排架B彎矩對比

繪制在堆載13級荷載時樁基承受最大彎矩時的分布曲線如圖3所示，進行對比分析。

由圖3可知：5#、6#、7#、8#樁基上的彎矩分別分布規(guī)律與1#、2#、3#、4#樁基一致且略大，說明側(cè)排架上樁基的彎矩更大。將各樁基在第13級荷載時樁上的彎矩最大值進行比較，采用(側(cè)排架彎矩最大值-側(cè)排架彎矩最大值)/側(cè)排架彎矩最大值×100%作為對應(yīng)位置樁基彎矩最大值的偏差率，計算結(jié)果如表2所示。

圖3陸域堆載13級時各樁彎矩對比圖

由表2可知：側(cè)排架彎矩與中排架彎矩偏差在10.448%～13.679%之間，分析其主要原因在于：(1) 排架結(jié)構(gòu)的排距為0.4 m，而側(cè)排架距模型箱側(cè)壁的距離為0.6 m，在承受荷載時，中間排架由于樁距較近，產(chǎn)生土拱作用與側(cè)排架一起承受來自土體的水平側(cè)向壓力，而在側(cè)排架上，來自模型箱邊壁一側(cè)的土壓力均由側(cè)排架承擔; (2) 在填筑過程中，由于樁基的存在，使得填筑質(zhì)量控制不均勻。

表2 各樁彎矩最大值對比

2.3 樁身彎矩產(chǎn)生的機理分析

在陸域堆載時如何引起樁身上的彎矩呢？原因分析如下：岸坡土體在陸域堆載作用時，會產(chǎn)生豎向變形，土顆粒之間相互擠壓，產(chǎn)生水平側(cè)向變形及側(cè)向應(yīng)力，隨著陸域堆載值的不斷增大，這種水平附加應(yīng)力值也越大，引起的地基土體的變形就越大。但是碼頭框架結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，其變形較小，一方面在土體水平側(cè)向壓力傳遞過來時，會擠壓碼頭樁基，作用于水平荷載在樁基上，而樁基阻礙土體變形，對其變形起到約束作用，水平荷載作用下，樁基產(chǎn)生彎矩的作用；另一方面，土體沉降較大，但是樁前后土體沉降量存在差別，即存在側(cè)摩阻力的差別，使得樁基產(chǎn)生一定的彎矩作用。

綜上所述，陸域堆載引起碼頭樁基彎矩是岸坡土體內(nèi)水平側(cè)向土壓力及豎向的側(cè)摩阻力共同作用的結(jié)果。

3 側(cè)向土壓力作用下樁身彎矩分析

在試驗中測試了樁前后的側(cè)向土壓力，并用兩者之差作為作用于樁基上的水平荷載，當陸域堆載13級荷載時，作用于中排架A上的荷載大小如表3所示。

表3 陸域堆載13級時作用于中排架上的水平土壓力

將兩測點間的水平荷載作為直線荷載進行簡化，泥面處豎向附加應(yīng)力較小，而樁基底部受到模型槽底部約束無側(cè)向變形，因此將兩處水平荷載作為0 kPa，帶入排架中進行超靜定結(jié)構(gòu)計算求解，得到1#樁基半理論求解值與試驗值進行對比如圖4所示。

圖4陸域堆載13級時1#樁試驗值與求解值對比

由圖4可知，在樁基0.85 m高程以上，試驗值與求解值規(guī)律類似，大小相當，但是在0.85 m高程以下，求解值較試驗值而言，出現(xiàn)了較大的逆時針彎矩，偏差較大，分析其主要原因在于使用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進行求解時，忽略了土體對樁基的豎向荷載及造成的彎矩，主要有兩點：

(1) 一是側(cè)向變形后會產(chǎn)生較大的彎矩。在框架碼頭樁基承受土體傳遞來的水平推力后，有向前的位移，取單樁的變形放大進行分析，如圖5所示，變形后的樁基不僅受到水平土壓力的作用，而且變形后的樁基上還有豎向土壓力的作用，堆載等引起的豎向壓力引起樁基彎矩為順時針方向，與水平荷載引起的逆時針方向彎矩是相反的，起到了相互抵消的作用，樁基的水平變形越大，越靠近樁基底部，豎向荷載越大，這部分作用產(chǎn)生的影響就越大。

(2) 二是側(cè)摩阻力的影響巨大。在承受陸域堆載后，豎向應(yīng)力增加，致使土體向下發(fā)生沉降而在樁上變形較小，產(chǎn)生側(cè)摩阻力的作用，并且在樁后側(cè)產(chǎn)生較大的變形，摩阻力較大，如圖6所示，在樁前受到樁的阻攔作用，土體的沉降變形是極小的，產(chǎn)生了較小的摩阻力，因此也會產(chǎn)生一順時針彎矩，抵抗水平荷載引起的樁底彎矩，從而減小樁底產(chǎn)生的彎矩值。

因此僅用水平向的土壓力荷載計算樁基的彎矩是不全面的，造成了截面較大的逆時針彎矩，該彎矩是順時針彎矩值的3倍多，并且拉壓方向產(chǎn)生變化，用此彎矩進行結(jié)構(gòu)計算及配筋會造成設(shè)計的極大浪費，試驗值更接近于實際情況。

圖5樁變形后豎向應(yīng)力產(chǎn)生彎矩機理圖

圖6側(cè)摩阻力造成樁基彎矩變化機理圖

4 結(jié) 論

文章對陸域堆載時框架碼頭樁基的彎矩進行了大型物理模型試驗，結(jié)果表明：

(1) 碼頭樁基的彎矩值隨著陸域堆載值的增加而增加，最大彎矩發(fā)生在最后側(cè)樁位，其余樁位不超過其1/2。在設(shè)計配筋計算中需注意發(fā)生彎矩最大值的位置也從橫梁以下2/3橫梁到基巖面樁長逐漸過渡到橫梁位置，主要為樁后受壓，樁前受拉。

(2) 在陸域堆載過程中，引起樁基產(chǎn)生彎矩的主要原因有：土體水平側(cè)向應(yīng)力、土體樁側(cè)摩阻力。

(3) 僅考慮水平荷載作用引起樁基彎矩時，在較高樁位得到半理論解與試驗值吻合較好，在靠近嵌固端則因為未考慮樁側(cè)摩阻力引起的彎矩出現(xiàn)較大的偏差。