后方土體淤積下高樁碼頭樁基變形規(guī)律分析

張 棟， 張 龍， 劉欣昕， 程星燎

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室， 江蘇 南京 210029； 2.中國人民解放軍 91112部隊，浙江 寧波 315046； 3.南京瑞迪建設(shè)科技有限公司， 江蘇 南京 210029)

1 研究背景

高樁碼頭樁基不僅直接承擔(dān)上部作業(yè)荷載，同時需抵抗后方土體岸坡的側(cè)向變形及負(fù)摩阻力作用[1-2]。隨著后方岸坡土體不斷淤積，碼頭樁基與岸坡土體相互影響，土體內(nèi)出現(xiàn)遮簾效應(yīng)與土拱效應(yīng)[3]，岸坡淤積過程中的欠固結(jié)土體所產(chǎn)生的水平推力和負(fù)摩阻力[4]使樁身產(chǎn)生彎矩和變形，嚴(yán)重時會導(dǎo)致高樁碼頭結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂破壞。

針對有樁的岸坡穩(wěn)定性驗算，《水運工程地基設(shè)計規(guī)范》[5]規(guī)定不宜計入樁的抗滑作用，而后方岸坡土體對樁基的受力變形狀態(tài)有較大影響。王鵬等[6]通過模型試驗研究發(fā)現(xiàn)，岸坡變形作用下，框架碼頭后樁會產(chǎn)生較大彎矩，影響碼頭結(jié)構(gòu)安全性與整體穩(wěn)定性。李榮慶等[7]研究了淤積作用下高樁碼頭基樁的受力變形特征，認(rèn)為淤積作用下樁頂彎矩最大，向岸側(cè)傾斜樁最容易受到破壞。Yan等[8]將離心機(jī)試驗與數(shù)值模型相結(jié)合，分析了斜坡上方高樁碼頭的側(cè)向承載性能，發(fā)現(xiàn)在荷載與岸坡土體的作用下，豎直樁和向岸側(cè)斜樁的頂部均出現(xiàn)較大彎矩。Xie等[9]分析了高樁碼頭在不同斜率岸坡下的結(jié)構(gòu)變形特性，并建立公式表述了側(cè)向荷載與結(jié)構(gòu)變形的關(guān)系。張鈞堂等[10]通過單排架模型試驗研究了排架樁身的變形及受力特性，認(rèn)為樁身彎矩值隨荷載的增加而逐漸增大，土體滑動位置的樁身彎矩較大。

碼頭樁基對后方土體岸坡起著較明顯的加固作用[11]，不同的樁間距、樁邊長、樁長等參數(shù)對岸坡的穩(wěn)定加固效果也不同[12]。位于斜面土體的高樁碼頭樁基同時承受上部構(gòu)件傳遞的豎向荷載和岸坡土體的水平荷載[13]，不能簡單參照單樁結(jié)構(gòu)的承載特性[14]，且因為上部結(jié)構(gòu)對樁頂?shù)募s束，單樁結(jié)構(gòu)的理論求解[15]也難以直接應(yīng)用。高樁碼頭的結(jié)構(gòu)計算多將碼頭結(jié)構(gòu)簡化為平面上的桿系單元進(jìn)行求解[16-17]，同樣采用單排架結(jié)構(gòu)模型實驗和數(shù)值模擬[17-19]的方法進(jìn)行研究，不能反映結(jié)構(gòu)的三維特性。另外大部分研究沒有考慮岸坡淤積導(dǎo)致的泥面高程變化過程對高樁碼頭樁基及上部結(jié)構(gòu)變形規(guī)律的影響[20]。

本文采用實例工程為研究對象，建立了高樁碼頭-岸坡的整體結(jié)構(gòu)段及單排架兩種數(shù)值模型，對碼頭結(jié)構(gòu)和岸坡土體的受力機(jī)理和相互作用方式進(jìn)行了模擬分析，揭示了碼頭樁基在后方土體淤積進(jìn)程中的變形規(guī)律。

2 工程概況

某高樁碼頭共有2個結(jié)構(gòu)段，各結(jié)構(gòu)段均為8個排架，排架間距為7.0 m，平臺每榀排架布置7根600 mm×600 mm的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土方形樁基。碼頭建造于1986年，2004年調(diào)查發(fā)現(xiàn)岸側(cè)叉樁上方橫梁和樁帽出現(xiàn)明顯的開裂或斷裂現(xiàn)象，于2008年對破損構(gòu)件進(jìn)行維修加固，但在2012年調(diào)查中發(fā)現(xiàn)位于岸側(cè)的樁帽、橫梁又出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞現(xiàn)象。另外2016年調(diào)查發(fā)現(xiàn)，碼頭后方輸煤棧橋各排架均出現(xiàn)不同程度的向岸側(cè)傾斜，最大傾角已達(dá)3°。通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，碼頭后方淤積泥面高度已經(jīng)超出竣工圖紙中設(shè)計泥面約4.5 m，碼頭排架結(jié)構(gòu)斷面形式如圖1所示。

圖1 某高樁碼頭排架結(jié)構(gòu)斷面示意圖 圖2 碼頭-岸坡計算模型

3 計算模型

3.1 模型建立

本文分別基于FLAC3D建立高樁碼頭-岸坡整體結(jié)構(gòu)段及單排架結(jié)構(gòu)兩種分析模型，如圖2所示。碼頭結(jié)構(gòu)及岸坡土體均采用三維實體單元模擬，并在碼頭樁基及周圍土體間建立接觸單元。模型頂部不添加約束，側(cè)面采用法向約束，底面采用固定約束。為模擬巖土體的彈塑性特征，采用摩爾庫倫模型計算碼頭岸坡土體，碼頭結(jié)構(gòu)采用彈性模型計算。計算中通過改變相應(yīng)單元計算參數(shù)模擬碼頭建筑過程[21]，岸坡淤積過程通過激活上部土體單元模擬，并將土體長期淤積過程簡化為三層土體淤積(每層淤積厚度為1.5 m)，每層淤積完成后，分析整體位移變化特征。

整體結(jié)構(gòu)段模型將碼頭結(jié)構(gòu)段整體包含在計算范圍內(nèi)，為減小計算邊界的影響，模型取碼頭結(jié)構(gòu)段邊緣左、右兩側(cè)各30 m作為計算邊界，模型總寬度為111 m，碼頭結(jié)構(gòu)段長度為51 m，處于模型中間位置。單排架模型選取碼頭單個排架作為研究對象，模型以排架中心向兩側(cè)各取3.5 m作為左右側(cè)邊界，模型總寬度為7 m。整體結(jié)構(gòu)段模型中間排架樁基與邊緣排架樁基由于處在樁群的不同位置，變形規(guī)律必定有所區(qū)別，單排架由于受模型范圍所限，計算結(jié)果也會有所不同。為分析不同模型計算結(jié)果的差異，兩種分析模型前、后邊界均距碼頭平臺前、后邊沿60 m，模型底邊界為樁底下方30 m處，并采用相同的計算參數(shù)及模擬步驟分析岸坡淤積過程中高樁碼頭樁基變形規(guī)律。

3.2 計算參數(shù)

由于碼頭修建時期較早，混凝土等級采用舊規(guī)范中的規(guī)定，碼頭上部結(jié)構(gòu)除軌道梁為300#混凝土外，其余均為250#混凝土，碼頭樁基為400#混凝土，對應(yīng)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)混凝土等級分別為C28、C23和C38，各標(biāo)號混凝土參數(shù)依據(jù)《水運工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JTS 151—2011)[22]取值。碼頭工程位置地層屬于海濱相沉積層，碼頭持力層為砂礫層，其余均為淤泥質(zhì)黏土層，將黏土層粗略地劃分為4層，各土層計算參數(shù)取值見表1。

表1 碼頭地層各土層物理性能參數(shù)

4 結(jié)果與分析

圖3、4 分別為岸坡淤積作用下碼頭-岸坡整體豎向位移及水平位移分布云圖。由圖3、4可以看出，岸坡淤積后碼頭-土體整體表現(xiàn)為豎向(Z方向)沉降和底層向前沿(X方向)滑動兩種位移特征，第3層淤積完成后，岸坡最大地表沉降量為89.7 mm；后方土體堆積導(dǎo)致深層土體向前沿滑動，深層土體的最大水平位移為20.8 mm，碼頭后方土體的水平位移明顯小于兩側(cè)土體，體現(xiàn)了高樁碼頭樁基對岸坡土體變形的遮幕作用。

圖3 碼頭-岸坡整體豎向位移分布云圖 圖4 碼頭-岸坡整體水平位移分布云圖

將碼頭樁基由前沿向后沿方向(X軸負(fù)向)依次編號為1#～7#。隨著后方土體淤積厚度D的不斷增大，樁基水平位移也不斷增大。圖5給出了不同土體淤積厚度下整體結(jié)構(gòu)段模型中間排架(類型A)、整體結(jié)構(gòu)段模型邊緣排架(類型B)和單排架模型(類型C)的7#、6#及5#樁基水平位移隨高程變化情況。由圖5可知，7#、6#及5#樁基的水平位移最大值在15～20 mm范圍內(nèi)，最大水平位移位置約在樁頂以下8～20 m范圍內(nèi)(樁頂高程為2 m)，與岸坡土體變形規(guī)律相符合；淤積過程中，樁頂位移明顯小于樁身下部位移，由于樁身彎曲，此時樁頂必定出現(xiàn)較大彎矩及應(yīng)力集中現(xiàn)象，表明在岸坡淤積過程中，碼頭結(jié)構(gòu)受力最不利位置處于樁頂附近，該結(jié)果與碼頭實際結(jié)構(gòu)破壞位置較為吻合；不同岸坡淤積程度下，3種類型樁基的水平位移變化規(guī)律基本一致。

圖5 淤積進(jìn)程中不同類型排架中7#、6#及5#樁基的水平位移隨高程變化情況

圖6為岸坡淤積后不同類型的各樁基樁身水平最大位移及對應(yīng)高程。由圖6可見，最大淤積厚度下(D=4.5 m)，類型A和類型C各樁基最大水平位移及相應(yīng)位置高程計算結(jié)果較為接近，類型B與類型C相應(yīng)樁基計算結(jié)果差值相對較大，說明單排架模型計算結(jié)果與整體結(jié)構(gòu)段模型中間排架計算結(jié)果更為接近。對比同一排架下各樁基水平位移計算結(jié)果可知，向前沿傾斜樁基的最大水平位移大于相應(yīng)的向岸側(cè)傾斜樁基的最大水平位移。由于碼頭下方土體最大水平位移位于碼頭后沿線附近，因此同為直樁的3#、4#、5#樁基中，5#樁基的最大水平位移最大。

圖6 岸坡淤積后不同類型的各樁基樁身水平最大位移及對應(yīng)高程

碼頭后方岸坡淤積后，土體變形對碼頭結(jié)構(gòu)影響可分為兩個方面，一方面土體的沉降對碼頭樁基產(chǎn)生的負(fù)摩阻力使碼頭結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降；另一方面深層土體對碼頭樁基施加橫向推力，導(dǎo)致碼頭結(jié)構(gòu)水平方向產(chǎn)生位移。圖7、8分別為岸坡淤積進(jìn)程中，碼頭類型A排架各樁基樁頂?shù)奈灰萍拔恢酶叱套兓?。由圖7可看出，各樁頂在淤積進(jìn)程中均以豎向位移為主，水平位移相對較小，從圖7中斜率判斷，各樁頂在各淤積階段的水平位移增量不斷增大；由圖8可看出，各樁頂高程在淤積進(jìn)程中保持同一直線位置，說明碼頭上部結(jié)構(gòu)在岸坡淤積進(jìn)程中發(fā)生整體豎向位移，相對變形不明顯。綜合分析圖7、8可知，碼頭后沿豎向位移大于前沿豎向位移，在岸坡淤積進(jìn)程中，碼頭整體向后方略微傾斜，同時在土體滑動作用下，整體存在向前沿方向的水平位移。

圖7 岸坡淤積進(jìn)程中各樁基樁頂位移變化(類型A)

圖8 岸坡淤積進(jìn)程中各樁基樁頂位置高程變化(類型A)

在相同的計算參數(shù)及模擬步驟條件下，采用整體結(jié)構(gòu)段及單排架兩種模型對各樁基位移計算的結(jié)果具有相同的變化規(guī)律。單排架模型(類型C)與整體結(jié)構(gòu)段模型中間排架(類型A)各樁基位移計算結(jié)果的偏差相對較小，最大偏差為5.46%，與整體結(jié)構(gòu)段模型邊緣排架(類型B)各樁基位移計算結(jié)果的最大偏差為12.18%，單排架模型與整體結(jié)構(gòu)段模型中間、邊緣排架各樁基位移的計算偏差如表2所示。綜合對比表2中各計算結(jié)果偏差數(shù)值可知，選取單個結(jié)構(gòu)段作為計算范圍的單排架模型計算岸坡淤積進(jìn)程中高樁碼頭樁基的變形規(guī)律是可行的，特別值得一提的是單排架模型與整體結(jié)構(gòu)段模型中間排架的計算結(jié)果非常接近。本次計算中，單排架模型實體單元數(shù)量為整體結(jié)構(gòu)段模型的11.8%，接觸單元數(shù)量為整體結(jié)構(gòu)段模型的12.5%，所需計算量較整體結(jié)構(gòu)段模型大為減少，但如需反映不同位置排架的變形差異，則仍需采用整體結(jié)構(gòu)段模型進(jìn)行計算。

表2 單排架模型與整體結(jié)構(gòu)段模型中間、邊緣排架各樁基位移的計算偏差 %

5 結(jié) 論

針對后方土體淤積進(jìn)程中高樁碼頭樁基的變形問題，分別建立了碼頭結(jié)構(gòu)和岸坡的整體結(jié)構(gòu)段及單排架兩種數(shù)值模型，分析樁基在后方土體淤積進(jìn)程中的變形規(guī)律及不同模型下的計算偏差，得出以下結(jié)論：

(1)土體的水平滑動導(dǎo)致樁基頂部水平位移明顯小于樁身下部位移，由于樁身彎曲，樁頂必定出現(xiàn)較大的彎矩及應(yīng)力集中現(xiàn)象，表明碼頭結(jié)構(gòu)受力最不利位置處于樁頂區(qū)域；碼頭后方淤積對向前沿傾斜的樁基影響更為明顯，對于距淤積位置較遠(yuǎn)的樁基影響相對較小。

(2)碼頭上部結(jié)構(gòu)無明顯相對變形，結(jié)構(gòu)整體以豎向位移為主，由于碼頭后沿豎向位移大于前沿豎向位移，碼頭整體向后方岸側(cè)傾斜，同時在土體滑動作用下，整體存在向前沿方向的水平位移。

(3)采用單排架模型能夠較為準(zhǔn)確地分析岸坡淤積進(jìn)程中高樁碼頭樁基的變形規(guī)律，并顯著提高計算效率，但如需反映不同位置排架的變形差異，則仍需采用整體結(jié)構(gòu)段模型進(jìn)行計算。

另外，研究岸坡淤積對碼頭結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響時，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)、樁基彎矩等因素進(jìn)行綜合分析，同時需結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及進(jìn)一步的理論研究逐步完善分析方法。