基于現(xiàn)場監(jiān)測碼頭水下沉樁受荷響應(yīng)時空特性探究

0 引言

在現(xiàn)代港口和碼頭的建設(shè)中，水下沉樁結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于支撐大型貨物裝卸、船舶停泊等功能，如碼頭水下沉樁。水下沉樁結(jié)構(gòu)是在建設(shè)碼頭時，為了提高其承載能力和穩(wěn)定性，通過將樁基打入水下土層中，形成一個穩(wěn)定的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

水下沉樁的形式多種多樣，常見的有混凝土沉樁、鋼樁和預(yù)制樁等[2]。這些樁基根據(jù)具體的設(shè)計要求和水文地質(zhì)條件進行選擇，通常采用打樁機、振動錘等沉樁設(shè)備，在水下完成樁的安裝。在進行水下沉樁的施工時，施工單位需要充分考慮環(huán)境因素的影響。例如水流、波浪和郵輪荷載以及沉積物會對樁基的安裝產(chǎn)生影響[3-4]。

在國內(nèi)外相關(guān)研究中，針對沉樁結(jié)構(gòu)的受荷特性已有不少學者進行探討。林嘉盛[5采用有限元法對水下沉樁在靜載和動載下的受荷特性進行分析，結(jié)果表明沉樁的沉降和側(cè)向位移與周圍土體的物理力學性質(zhì)有關(guān)。吳浩[]針對在海上的碎石持力層建設(shè)沉樁的承載力進行研究，并提出了相應(yīng)的設(shè)計建議。雖然現(xiàn)有研究為我們理解沉樁的受荷特性提供了基礎(chǔ)，但對時空特性的系統(tǒng)分析仍較為不足。

綜上所述，由于海岸邊的碼頭特殊的地理位置和環(huán)境條件，沉樁的受荷響應(yīng)特性仍然是一個亟待深入研究的課題。受荷響應(yīng)不僅涉及到樁體本身的材料和結(jié)構(gòu)特性，還與土體的性質(zhì)、沉樁的位置以及外部荷載的變化密切相關(guān)。本文旨在通過系統(tǒng)的研究分析碼頭水下沉樁的受荷響應(yīng)時空特性，為工程實踐提供指導(dǎo)。

1工程概況

該項目工程屬于碼頭工程，位于河北省滄州市黃驊市黃驊港綜合港區(qū)二港池西側(cè)岸線北端，擬建設(shè)1個5萬t液化烴泊位和1個2萬t級液體化工泊位。碼頭水工結(jié)構(gòu)按靠泊5萬t級船舶設(shè)計建設(shè)，碼頭平臺總長 480m ，使用岸線長度 503m ，碼頭設(shè)計吞吐量427萬t/年，泊位設(shè)計通過能力為470萬t/年，庫區(qū)總庫容46萬 m³ 。

2沉樁作用分析

水下沉樁是一種關(guān)鍵的基礎(chǔ)工程技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種水下建筑項目中，用于確保其安全和耐久性。在水域或濕潤環(huán)境中，其具以下7個作用：

一是基礎(chǔ)支撐作用。沉樁為上部結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定的基礎(chǔ)，承受建筑物的重量，確保其安全性和穩(wěn)定性。二是抗浮力作用。在水下施工時，沉樁可以抵抗浮力的影響，防止結(jié)構(gòu)因水的浮力而出現(xiàn)傾斜或上浮現(xiàn)象。三是增加土壤承載能力。通過沉樁可以增加土壤承載能力，使得在軟土或松散土層中的建筑物能夠安全使用。四是降低沉降。沉樁有助于減輕建筑物的沉降現(xiàn)象，特別是在不均勻沉降的情況下。五是提高抗震性能。在地震等自然災(zāi)害發(fā)生時，樁基結(jié)構(gòu)能夠提供更好的抗震性能，增強建筑物的安全性。六是有效應(yīng)對水流、波浪等外力作用。在橋梁、碼頭、船塢等水上工程中，沉樁是常用的基礎(chǔ)形式，能夠有效應(yīng)對水流、波浪等外力作用。七是保護環(huán)境。合理設(shè)計沉樁結(jié)構(gòu)可以減少對水體的擾動，保護水生態(tài)環(huán)境。

3沉樁監(jiān)測

3.1 檢測方式選取

3.1.1 沉樁監(jiān)測的作用

沉樁監(jiān)測是指在工程建設(shè)過程中，對樁基施工質(zhì)量和沉樁過程進行實時監(jiān)測和評估的一種技術(shù)手段。它主要用于檢測樁基的沉降、位移、承載力以及施工對環(huán)境的影響等，以確保樁基的穩(wěn)定性和安全性。

3.1.2沉樁檢測方法

常見的沉樁監(jiān)測方法包括以下4種：一是動態(tài)監(jiān)測。通過震動傳感器和加速度計等設(shè)備，在沉樁過程中實時記錄樁的動態(tài)反應(yīng)，以判斷樁的承載能力和施工質(zhì)量。二是靜態(tài)監(jiān)測。利用壓力傳感器和位移傳感器等，對樁基施工后的沉降和變形進行長期監(jiān)測，以評估樁基的穩(wěn)定性。三是聲波測試。采用聲波方法檢測樁基內(nèi)部的缺陷和質(zhì)量，通過分析聲波傳播的時間和衰減情況來判斷樁基的完整性。四是傾斜監(jiān)測。通過傾斜儀測量樁基的傾斜度，以評估樁基的受力和變形狀態(tài)。

3.1.3確定沉樁監(jiān)測方式

沉樁監(jiān)測的目的是確保樁基施工的可靠性，預(yù)防和及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。通過科學的監(jiān)測手段，可以為后續(xù)的工程設(shè)計和施工提供重要的依據(jù)。為此，本次采用靜態(tài)監(jiān)測方式，在港口碼頭設(shè)置監(jiān)測點，對實際施工過程中的沉樁進行受荷測試，監(jiān)測沉樁在地基土中的沉降、側(cè)向位移等響應(yīng)數(shù)據(jù)。

3.2 監(jiān)測點布設(shè)

為系統(tǒng)監(jiān)測該碼頭水下沉樁位移變形，需實時監(jiān)測沉樁不同部位的剪力、軸力分布情況和沉樁位移數(shù)據(jù)。具體實施方案如下：首先對該碼頭相對應(yīng)的監(jiān)測點布設(shè)監(jiān)測孔，在其左右群樁中各選取兩個樁體進行檢測。其次沿樁長方向每隔5m布設(shè)1個應(yīng)力傳感器和彎矩傳感器，單樁共計布設(shè)7個，實現(xiàn)樁身受力狀態(tài)的精細化監(jiān)測。最后，在樁體距頂面1m處布設(shè)位移傳感器，監(jiān)測樁體頂部水平位移和豎向沉降。監(jiān)測點、傳感器布設(shè)示意圖如圖1所示。

3.3荷載施加

樁基荷載施加方案是樁基工程中一個重要的環(huán)節(jié)，主要涉及到如何將荷載合理地施加到樁基上，以保證其承載能力和穩(wěn)定性。

3.3.1 荷載類型

對其施加水平荷載，在沉樁施工完成后，對其施加垂直和水平方向的試驗荷載，監(jiān)測其承載力和抗彎、抗剪能力。

3.3.2荷載施加方式及順序

采用均布荷載施加，通過基礎(chǔ)板均勻分布荷載，施加到樁基上。 ① 、 ② 采用完全加載方式，即在初步加載時，施加全部荷載； ③ ， ④ 號采用逐步增加荷載的方法； ③ 號沉樁間隔時間為2h， ④ 號沉樁間隔時間為4h，然后逐步提高施加的荷載，并觀察樁基的變形和承載能力。

3.4 監(jiān)測內(nèi)容

實時監(jiān)測樁頂位移，確保其在可接受范圍內(nèi)。通過應(yīng)力計監(jiān)測樁內(nèi)的應(yīng)力分布情況，確保樁基的安全。

4結(jié)果分析

為對水下沉樁的質(zhì)量在時間上和空間上進行把控，施工完畢后通過靜載試驗，對樁基的承載能力和穩(wěn)定性進行檢測，確保其符合設(shè)計要求。這一系列的工序和技術(shù)保障了碼頭的安全性和耐久性，為碼頭的正常運營提供了可靠的基礎(chǔ)支持[7-8]。

4.1沉樁空間特性分析

通過靜載試驗監(jiān)測，得到沉樁剪力變化曲線圖和彎矩變化曲線，樁體內(nèi)力變化曲線如圖2所示。從圖2可以看出，在水平試驗荷載作用下，樁體內(nèi)部產(chǎn)生明顯的剪力和彎矩，且剪力、彎矩大小會隨著樁體縱向空間位置不同而不同。其中， ① 、 ② 號沉樁在距離沉樁底部20m處剪力和彎矩達到峰值，而 ③ 、 ④ 號沉樁在距離沉樁底部25m處剪力、彎矩達到峰值。

經(jīng)分析，主要因為 ① 、 ② 號沉樁在距離沉樁底部 20m 處處于水-巖土體交界面，而 ③ 、 ④ 號沉樁在距離沉樁底部25m處處于水-巖土體交界面，因此剪切力和彎矩會達到最大值。這主要體現(xiàn)了巖土層厚度對樁體內(nèi)力的影響。 ①～④ 號樁體的最大剪切力值的不同，體現(xiàn)了試驗荷載施加方式的不同， ① 、 ② 號較 ③ 、 ④ 號沉樁遠離碼頭岸邊，在一定程度上受到海水潮汐的影響，荷載較大。

4.2沉樁時間特性分析

沉樁水平位移、沉降變化曲線如圖3所示。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，在試驗水平荷載施加后，沉樁頂部會立刻產(chǎn)生水平位移和豎向沉降。其中，由于 ① 、 ② 采用完全加載方式，因此其初次位移較 ③ 、 ④ 號沉樁大。

此外，荷載施加后隨著時間的增加，水平位移、豎向沉降逐漸減小。這是因為隨著時間的變化，沉樁逐漸適應(yīng)該水平試驗荷載。雖然累計位移量、沉降量逐漸增減，但單次位移量會逐漸減小。

4.3 時空響應(yīng)分析

通過對沉樁受荷響應(yīng)的時空特性的分析發(fā)現(xiàn)，沉樁的變形不僅與荷載大小相關(guān)，還與加載方式、空間分布密切相關(guān)，如靠近岸邊的 ③ 、 ④ 號沉樁水平位移小于遠離岸邊的 ① 、 ② 號沉樁。

監(jiān)測結(jié)果表明，相對于初次施加全部荷載，沉樁在逐步加載方式作用下，沉樁受荷響應(yīng)存在明顯的時滯現(xiàn)象。此外，在加載過程中，樁體與周圍土體的相互作用對受荷特性影響顯著，周圍巖土體較高的樁體其剪切力最值位置較高，且其承受水平荷載能力也較大。

4.4綜合分析

綜上所述，沉樁的受荷特性受到諸多因素的影響。首先，土層高度、加載方式和沉樁空間位置是影響沉樁受荷響應(yīng)的關(guān)鍵。同時，在載荷試驗時，沉樁在初次受到水平試驗力時變形較大，隨后隨著時間增加，水平位移逐漸減小，表現(xiàn)出樁體在時間上對荷載的適應(yīng)性。

其次，沉樁的設(shè)計參數(shù)，包括樁徑、樁長等，也對沉樁的受荷特性產(chǎn)生顯著影響。此外，在水下環(huán)境中，流體的存在對沉樁的受力特性產(chǎn)生復(fù)雜的影響，這在后續(xù)的設(shè)計和施工中應(yīng)予以重視。

5結(jié)論

通過對碼頭水下沉樁受荷響應(yīng)的時空特性進行系統(tǒng)研究，得出以下研究成果：一是沉樁在荷載施加方式不同時，受荷響應(yīng)特性明顯不同，且與周圍土體的性質(zhì)緊密相關(guān)。其中，在水-巖土體交界面處，沉樁剪力達到最大值。二是時空特性分析表明，沉樁位移變化不僅與荷載大小有關(guān)，還受到荷載施加方式、間隔時間以及空間布設(shè)位置的影響。三是在沉樁布設(shè)位置上，靠近岸邊的沉樁承受荷載小于遠離岸邊沉樁，主要是受到潮汐、輪船荷載作用。

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