高樁碼頭樁后回淤對樁的影響數(shù)值分析

張振超，李慧娣

（1.中航天建設(shè)工程集團有限公司，北京 100071；2.中國建筑技術(shù)集團有限公司，北京 100013）

引 言

高樁碼頭主要由上部結(jié)構(gòu)的面板和面板下的樁基礎(chǔ)兩部分組成。面板構(gòu)成碼頭的地面，并把樁基礎(chǔ)連成整體，直接承受作用在碼頭上的水平力和垂直力，并把他們傳給樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)再將這些力傳給地基。高樁碼頭適用于軟土地基，具有透空性好、結(jié)構(gòu)輕、減弱波浪效果強、砂石料用量省，且適用于多種工程地質(zhì)條件等優(yōu)點，因而被廣泛地應(yīng)用于實際工程中[1]。

高樁碼頭在使用過程中水下泥沙會發(fā)生淤 積[2]，很多高樁碼頭在建成后10 年之內(nèi)即會出現(xiàn)破損現(xiàn)象，甚至無法正常使用，據(jù)我國對使用7～25年的高樁碼頭進行的抽查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有損壞或嚴重損壞的比例高達89 %[3]。高樁碼頭破壞的原因是多方面的，是各種因素綜合作用的結(jié)果，其中碼頭水下泥沙淤積的影響是一個重要的但卻被忽視的因素[4]。

實際工程中，高樁碼頭樁后沿淤泥回淤一直是影響結(jié)構(gòu)安全的突出問題[5-6]，對碼頭回淤狀況進行現(xiàn)場勘測也往往受海況、成本等因素制約，面臨著許多現(xiàn)實的困難和挑戰(zhàn)。而對淤泥質(zhì)高樁碼頭淤泥回淤進行數(shù)值模擬研究[7]，不僅會節(jié)省大量的成本，還可以針對極端海況下水下岸淤泥回淤強度進行模擬預(yù)報，這對于樁基的設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

已有的國內(nèi)外文獻往往單獨考慮碼頭水下岸坡泥沙的主要來源及沖淤總趨勢、淤泥回淤率以及回淤強度、港口淤泥回淤的計算方法等問題[8-11]，對于高樁碼頭后沿回淤分析尚未見報導(dǎo)。本文的出發(fā)點相對而言比較新穎。鑒于此，本文以某國際集裝箱碼頭為例，建立了高樁碼頭與土相互作用的非線性三維有限元數(shù)值模型，分析了高樁碼頭樁后回淤前后對碼頭結(jié)構(gòu)的影響。

1 ABAQUS 有限元分析軟件

ABAQUS 以其豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫以及強大的計算功能，在結(jié)構(gòu)與土相互作用的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

在有限元分析過程中，土是巖石風(fēng)化而成的碎散顆粒的集合體，其本構(gòu)模型即應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系十分復(fù)雜。彈性本構(gòu)模型主要有：線彈性模型、非線性彈性模型（如鄧肯一張雙曲線模型）、高階的非線性彈性理論模型。彈塑性本構(gòu)模型主要有：Mohr-Coulomb 模型、劍橋模型、萊特—鄧肯模型、清華彈塑性模型等。每種本構(gòu)模型均定義或隱含了各自的屈服準則或破壞準則、硬化準則及流動法則。

在以上幾種彈塑性模型中，Mohr-Coulomb模型可以考慮材料等向應(yīng)變硬化和軟化特性，能較好地描述巖土類材料的材料特性，且參數(shù)少，使用方便，在巖土工程界得到了廣泛的應(yīng)用，因此本文土體選用Mohr-Coulomb模型進行分析。

在簡單應(yīng)力狀態(tài)下，Mohr-Coulomb屈服準則表示為：

式中：1σ 、2σ 和3σ 分別表示第一、第二和第三主應(yīng)力；c 和φ 分別表示粘聚力和內(nèi)摩擦角。

2 工程概況及有限元模型

2.1 工程概況

碼頭結(jié)構(gòu)采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，排架間距 10.5 m。上部結(jié)構(gòu)均為現(xiàn)澆樁帽節(jié)點，預(yù)制橫梁和縱向梁系，預(yù)制現(xiàn)澆疊合面板結(jié)構(gòu)。由于本工程區(qū)域地質(zhì)條件十分復(fù)雜，其中第15 分段為全直樁，碼頭樁基采用嵌巖樁，每榀排架布置7 根φ2 300 mm 嵌巖樁。圖1 為碼頭斷面（第15 分段）。

圖1 碼頭斷面（第15 分段，1#泊位）

根據(jù)相關(guān)研究成果，水下岸坡淤積對碼頭結(jié)構(gòu)有重要影響。為了解碼頭水下岸坡淤積情況及為后續(xù)分析淤積體對本工程碼頭結(jié)構(gòu)影響進行計算提供依據(jù)，對碼頭水下地形資料進行了分析整理。碼頭從開建之初至今，對碼頭后方的水下地形進行了多次測量。各次測量的觀測時間及對應(yīng)碼頭后沿水深詳見表1。

表1 碼頭后沿水深歷次觀測結(jié)果

根據(jù)碼頭后沿水深歷年觀測結(jié)果，從2003 年6月至2015 年1 月，對樁后淤泥回淤厚度分為5 種情況，分別為：

1）2003 年6 月，泥面高程為-12 m，淤泥不存在；

2）2006 年8 月，泥面高程為-9 m，淤泥回淤厚度為3 m；

3）2008 年10 月，泥面高程為-6.6 m，淤泥回淤厚度為5.4 m；

4）2012 年5 月，泥面高程為-4.6 m，淤泥回淤厚度為7.4 m；

5）2015 年1 月，泥面高程為-3 m，淤泥回淤厚度為9 m。

2.2 有限元模型

建立一榀排架有限元模型，如圖2 所示。模型中樁徑2.3 m，樁長50 m。土為均質(zhì)土層，將其簡化為6 層。由于樁的剛度遠大于樁周土體的強度，當(dāng)樁周土體強度超過屈服極限進入彈塑性階段時，樁基通常仍處于彈性變形階段。因此樁體和承臺所用混凝土材料采用理想彈性模型，土體采用Mohr-coulomb 準則的彈塑性模型。土層基本參數(shù)基于實際工程測得的土體力學(xué)性能指標，樁和土的參數(shù)如表2 所示。

圖2 有限元模型

表2 樁土參數(shù)

計算模型靠岸側(cè)以及靠海側(cè)邊界對x、z 方向均約束，模型底部對x、y、z 方向均約束。在樁與樁周土之間設(shè)置滑動接觸面，模擬樁與土的相互作用。模型共67 402 個節(jié)點，共60 707 個單元。碼頭結(jié)構(gòu)和土體單元全部采用八節(jié)點減縮積分單元C3D8R。

水平荷載為36 kN，豎向荷載為135 kN。水平荷載以均布力的形式施加在承臺邊上，方向為垂直于排列方向。豎向荷載以均布力的形式施加在承臺上，方向與樁身方向一致。如圖3 所示。

圖3 單排超長樁模型受力

3 計算結(jié)果分析

3.1 泥面高程為-12 m 時樁基最大主應(yīng)力的分布

圖4 表示泥面高程為-12 m 時樁基最大主應(yīng)力分布，該情況下樁基最大主應(yīng)力的模擬結(jié)果和實際檢測結(jié)果相符合。

根據(jù)原設(shè)計單位提供高樁碼頭資料，其混凝土水下開裂拉應(yīng)力為11.288 MPa。由圖4 可以看出，在泥面高程為-12 m 時，樁基最大主應(yīng)力均滿足抗裂要求。

圖4 泥面高程-12 m 時樁基最大主應(yīng)力分布

3.2 泥面高程為-9 m 時樁基最大主應(yīng)力的分布

圖5 表示泥面高程為-9 m 時樁基最大主應(yīng)力分布。當(dāng)回淤深度為3 m 時，pile1～pile7 的樁基最大主應(yīng)力值較原設(shè)計狀態(tài)增大。此時，pile6 和pile7的最大拉應(yīng)力已經(jīng)非常接近結(jié)構(gòu)的開裂應(yīng)力。

另外，由圖5 可以看出，樁基拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在距離樁頂2 m 位置處。且在距離樁頂0～2 m 時，樁基最大拉應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)大于2 m 時，距離樁頂越遠，樁基最大拉應(yīng)力逐漸減小。

在距離樁頂41 m 位置，樁基最大拉應(yīng)力較初始狀態(tài)增大。此位置與樁基接觸的土層為中風(fēng)化巖。

圖5 泥面高程-9 m 時樁基最大主應(yīng)力分布

3.3 泥面高程為-6.6 m 時樁基最大主應(yīng)力的分布

圖6 表示泥面高程為-6.6 m 時樁基最大主應(yīng)力分布。當(dāng)回淤深度為5.4 m 時，對比圖5、圖6 可以看出，pile1～pile7 的樁基拉應(yīng)力最大值增大，且在距離樁頂2 m 位置處，pile4～pile7 的拉應(yīng)力最大值大于抗裂應(yīng)力，樁基拉應(yīng)力已不能滿足抗裂要求，結(jié)構(gòu)開裂。

圖6 泥面高程-6.6 m 時樁基最大主應(yīng)力分布

3.4 泥面高程為-4.6 m 時樁基最大主應(yīng)力的分布

圖7 表示泥面高程為-4.6 m 時樁基最大主應(yīng)力分布。當(dāng)回淤深度為7.4 m 時，對比圖6、圖7 可以看出，pile1～pile7 的樁基拉應(yīng)力最大值增大。在距離樁頂2 m 位置處，pile3～pile7 的最大拉應(yīng)力值大于抗裂應(yīng)力，樁基拉應(yīng)力已不能滿足抗裂要求，結(jié)構(gòu)開裂。另外，在距離樁頂41 m 位置處，樁基最大拉應(yīng)力也明顯增大。所以，隨著回淤深度的增加，樁基最大拉應(yīng)力值呈現(xiàn)增大的趨勢，使得樁基拉應(yīng)力不能滿足抗裂要求，結(jié)構(gòu)開裂。

圖7 泥面高程-4.6 m 時樁基最大主應(yīng)力分布

3.5 泥面高程為-3 m 時樁基最大主應(yīng)力的分布

圖8 表示泥面高程為-3 m 時樁基最大主應(yīng)力分布。當(dāng)回淤深度為9 m 時，對比圖7、圖8 可以看出，樁基拉應(yīng)力最大值明顯增大，在距離樁頂2 m位置處，pile1～pile7 的最大拉應(yīng)力值大于抗裂應(yīng)力，樁基拉應(yīng)力已不能滿足抗裂要求，結(jié)構(gòu)開裂。

圖8 泥面高程-3 m 時樁基最大主應(yīng)力分布

3.6 樁基內(nèi)力在不同回淤深度下的分布

碼頭總長1 500 m，共分4 個泊位，17 個結(jié)構(gòu)分段。2015 年7 月對1#～4#泊位樁基檢測發(fā)現(xiàn)，有114 根樁存在局部開裂。

通過分析，碼頭外部邊界條件同原設(shè)計的最大區(qū)別在于碼頭水下岸坡淤積，而淤積體將對碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加土壓力荷載。因此有必要研究樁基內(nèi)力的分布規(guī)律。樁基內(nèi)力在不同回淤厚度下的分布如 表3 所示。

表3 不同回淤深度下內(nèi)力計算

淤泥回淤對碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加土壓力荷載，且隨著回淤深度的增大，樁基內(nèi)力也逐漸增大。由表3 可見，直接影響的主要是pile1～pile5，并通過樁與樁之間的作用，進而傳遞到pile6、pile7，pile7的彎矩增加最明顯，增大了4 倍，可見樁后淤泥回淤對于pile7 的受力最不利。

4 結(jié) 語

1）高樁碼頭樁后回淤對樁基內(nèi)力影響顯著，隨著回淤深度的增大，高樁碼頭樁基最大拉應(yīng)力和彎矩、軸力也逐漸增大?；赜偕疃葹榇笥? m 時，樁基拉應(yīng)力已不能滿足抗裂要求，導(dǎo)致部分結(jié)構(gòu)開裂，且開裂部位在距離樁頂2 m 位置處。

2）高樁碼頭樁后回淤導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全儲備水平降低，耐久性下降，這類碼頭在運行過程中應(yīng)定期對碼頭下部及后沿進行清淤，對樁基出現(xiàn)裂縫的應(yīng)及時進行修復(fù)加固。