尹 文，賈 理

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074)

0 引言

隨著西部地區(qū)內(nèi)河航運(yùn)事業(yè)的快速發(fā)展，尤其是三峽工程的建成蓄水，長(zhǎng)江航運(yùn)作用進(jìn)一步發(fā)揮，集裝箱運(yùn)量迅猛增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的斜坡式集裝箱碼頭已經(jīng)不能滿足新時(shí)期水運(yùn)工程的需求;基于大水位差和大水深的庫(kù)區(qū)碼頭建設(shè)的新型架空直立式集裝箱碼頭，具有機(jī)械化程度大、裝卸效率高、吞吐量大、對(duì)大水位變化適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)江水流態(tài)影響小、作業(yè)安全性高等優(yōu)勢(shì)，已在寸灘、果園等庫(kù)區(qū)碼頭選型建設(shè)中逐步取代傳統(tǒng)的斜坡碼頭得到應(yīng)用［1～3］.

三峽大壩蓄水成庫(kù)后，其庫(kù)區(qū)的港口碼頭建設(shè)將面臨一些新難題［4］，即原本可用來連續(xù)施工的枯水期(每年11月中下旬至次年4月中下旬)消失，取而代之的是庫(kù)區(qū)水位大幅抬升，碼頭建設(shè)過程中水下施工工作量增加;加之地質(zhì)條件較為復(fù)雜，庫(kù)岸以裸巖為主，覆蓋層較薄，基巖縱橫起伏大，呈砂泥巖相互交錯(cuò)狀，局部屬于軟巖地基.這些新問題都將成為庫(kù)區(qū)碼頭建設(shè)過程中必須面對(duì)并尋求有效措施解決的關(guān)鍵點(diǎn).

山區(qū)河流碼頭樁基普遍采用大直徑嵌巖灌注樁，為了施工方便的要求通常需要架設(shè)鋼護(hù)筒，鋼護(hù)筒作為架空直立式碼頭的構(gòu)成部分，具有一些新的特點(diǎn).對(duì)三峽庫(kù)區(qū)架空直立式碼頭鋼護(hù)筒嵌巖樁受力性狀開展研究，有助于充分利用樁基的承載力和抵抗變形的能力，優(yōu)化樁基以及碼頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，發(fā)揮科學(xué)理論對(duì)工程實(shí)踐的指導(dǎo)作用.本文針對(duì)三峽庫(kù)區(qū)架空直立式碼頭鋼護(hù)筒嵌巖樁受力性狀研究作一綜述，探討有待研究的方向.

1 研究現(xiàn)狀

架空直立式碼頭基礎(chǔ)是采用大直徑鋼護(hù)筒嵌巖樁組成的群樁基礎(chǔ).這種結(jié)構(gòu)型式在庫(kù)區(qū)碼頭建設(shè)中已得到廣泛應(yīng)用，而對(duì)大直徑鋼護(hù)筒嵌巖樁基礎(chǔ)受力性狀理論研究方面卻相對(duì)滯后于工程實(shí)踐.

1.1 鋼護(hù)筒嵌巖樁

嵌巖樁是一種將樁端嵌入基巖一定深度的樁型，當(dāng)樁體以灌注的型式澆筑時(shí)則稱之為嵌巖灌注樁［5］.鋼護(hù)筒嵌巖樁是一種特殊的嵌巖灌注樁，主要由兩部分構(gòu)成:一是滿足施工需要的鋼護(hù)筒;二是鋼護(hù)筒內(nèi)嵌入地基巖層的鋼筋混凝土樁身.事實(shí)上鋼護(hù)筒嵌巖樁可以理解為由上部的類似于鋼管混凝土樁和下部的鋼筋混凝土樁所組成的“上大下小”的鋼混組合變截面樁.鋼護(hù)筒作為施工構(gòu)件，外徑一般比設(shè)計(jì)樁徑大10%左右，長(zhǎng)度一般為樁長(zhǎng)的45%左右，施工完畢后一般不予拆卸，成樁后被保留下來作為樁體結(jié)構(gòu)的一部分，使用中鋼護(hù)筒和樁芯鋼筋混凝土具有明顯的共同受力性狀，呈現(xiàn)出和普通大直徑嵌巖灌注樁不同的特點(diǎn)［6］.

1.2 鋼護(hù)筒及鋼護(hù)筒嵌巖樁受力性狀

鋼護(hù)筒嵌巖樁的受力性狀與普通的嵌巖樁存在的差異主要體現(xiàn)在鋼護(hù)筒的存在下外力作用使得鋼護(hù)筒對(duì)嵌巖樁力學(xué)性質(zhì)的影響.

日本大芝大橋采用帶凸緣的線形鋼管，使得鋼管與填充的鋼筋混凝土整體受力，并首次明確采用混合樁的概念［7］.當(dāng)鋼護(hù)筒壁厚＞3 mm，并作為永久構(gòu)件時(shí)，就可以認(rèn)為其參與受力.［8］國(guó)外學(xué)者考慮海洋特殊環(huán)境下的基樁施工，對(duì)樁頭進(jìn)行了接頭試驗(yàn)和耐腐蝕環(huán)境下的復(fù)合樁的理論與試驗(yàn)研究［9～10］.國(guó)內(nèi)學(xué)者考慮到鋼護(hù)筒對(duì)樁體強(qiáng)度的影響，認(rèn)為在水平荷載產(chǎn)生的彎矩分配中不能忽略.［11］

事實(shí)上鋼護(hù)筒具有環(huán)箍作用，水平荷載作用下，會(huì)呈現(xiàn)出鋼混組合變截面樁的承載特性;而對(duì)鋼護(hù)筒效應(yīng)考慮與否，樁體位移的影響，與普通鋼管柱相比共同作用程度等均缺乏量化分析［6，11］.

文獻(xiàn)［12］提到的單樁軸向抗壓承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算公式，因?yàn)殇撟o(hù)筒的存在，樁身周長(zhǎng)的增大，使樁側(cè)阻力的作用面積增加，從而提升樁基側(cè)阻力.根據(jù)樁的外部強(qiáng)度準(zhǔn)則［13］，樁基側(cè)阻力取決于樁周介質(zhì)與樁接觸面的剪切強(qiáng)度，鋼護(hù)筒較樁芯鋼筋混凝土摩擦系數(shù)小，將造成單位面積上的摩阻力減小.在研究中需要比較這兩個(gè)因素的影響，系統(tǒng)分析樁基軸向承載力的變化情況.陳玲等［14］針對(duì)蘇通長(zhǎng)江大橋樁基的研究顯示:軸向力作用下考慮鋼護(hù)筒效應(yīng)將使得承載力提高約10%，且破壞時(shí)不會(huì)發(fā)生脆性破壞，而趨于延性，鋼護(hù)筒的存在使得沉降值略有減小.唐勇［15］認(rèn)為:對(duì)于單樁，鋼護(hù)筒可提高其承載性能、減小樁頂沉降，上部荷載由基礎(chǔ)和鋼護(hù)筒共同承擔(dān);對(duì)于群樁，鋼護(hù)筒可以使荷載分布更均勻.

碼頭結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)過程中受到船舶撞擊力、擠靠力、水流力、風(fēng)荷載，碼頭上部傳遞的水平荷載等多種橫向作用，鋼護(hù)筒嵌巖樁主要為水平受荷的直樁，其橫向承載性能是一個(gè)非常關(guān)鍵的問題.鋼護(hù)筒增加了嵌巖樁截面的抗彎剛度，參與水平荷載下壓彎作用的彎矩分配，在抵抗變形方面能發(fā)揮明顯作用.根據(jù)穆保崗［6］等人的研究:采用非線性的NL法分析，考慮鋼護(hù)筒效應(yīng)可以使樁頂水平位移減小約50%;采用位移控制最大水平承載力時(shí)，考慮鋼護(hù)筒作用在計(jì)算水平位移變形時(shí)會(huì)更加準(zhǔn)確，鋼護(hù)筒效應(yīng)不應(yīng)忽略.

1.3 嵌巖樁－土－巖受力性狀

豎向荷載作用下，嵌巖樁的承載力除由樁身材料強(qiáng)度決定外還受地基土(巖)強(qiáng)度決定，而后者為主要因素，即主要由樁土間的摩阻力、嵌巖樁嵌巖段的側(cè)阻力和端阻力三部分組成.嵌巖樁樁頂受豎向荷載作用，樁身上部壓縮向下發(fā)生位移，樁側(cè)受到非嵌巖段土體的摩阻力作用;隨著荷載加大，嵌巖段巖體也會(huì)對(duì)樁身產(chǎn)生側(cè)阻力，其值隨樁頂所施荷載的增大而增加;當(dāng)樁側(cè)的摩阻力和側(cè)阻力達(dá)極限值后，繼續(xù)增加樁頂荷載，其增量將由樁端阻力承擔(dān)，直至巖體的極限值.一般來說上部非嵌巖段土層的樁土摩阻力先于嵌巖段側(cè)阻力，嵌巖段樁側(cè)阻力早于樁端阻力發(fā)揮［16～18］.從荷載傳遞機(jī)理及嵌巖樁的受力特性及大量嵌巖樁試樁資料得出［19］，單樁在豎向荷載作用下其受力性狀一般為5個(gè)階段:(1)樁土摩阻力發(fā)揮.此時(shí)樁端阻力為零，樁端幾乎無沉降，樁頂荷載主要由樁側(cè)土體承擔(dān);(2)樁巖側(cè)阻力發(fā)揮.此時(shí)樁側(cè)巖體開始發(fā)揮作用，樁端阻力仍為零，樁頂荷載主要由樁側(cè)土與巖體來承擔(dān);(3)樁端阻力開始發(fā)揮.樁頂荷載由樁土摩阻力、樁巖側(cè)阻力和樁端阻力共同承擔(dān);樁端開始出現(xiàn)沉降，初期為沉渣的壓實(shí)，后期為樁端持力層的巖土體壓縮變形;(4)樁側(cè)阻力發(fā)揮到極限.繼續(xù)增加樁頂荷載，其值將全部由樁端阻力承擔(dān)，樁端沉降進(jìn)一步發(fā)展，樁端巖土體逐步屈服;(5)嵌巖樁破壞.樁頂荷載進(jìn)一步增加，樁端持力層所承受的荷載繼續(xù)加大，即基巖達(dá)到塑性狀態(tài)而破壞，或由于樁身壓力過大而破壞［20］.

從大量嵌巖樁試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果分析得出，樁從承擔(dān)水平荷載到開始破壞一般可視為三個(gè)階段:即直線變形階段、彈塑性變形階段、破壞性階段［21］.事實(shí)上，由于土(巖)體的非線性，即使水平荷載較小、水平位移不大的情況下，第一階段也不完全是直線型.此外，由樁身強(qiáng)度控制水平承載力的樁達(dá)到極限荷載后，樁頂水平位移增加很快，在荷載－位移曲線上有明顯的拐點(diǎn);而由地基巖體強(qiáng)度控制水平承載力的樁，在施加水平荷載后，由于土(巖)體受樁的擠壓作用逐步進(jìn)入塑性狀態(tài)，在出現(xiàn)被動(dòng)破裂面之前，塑性區(qū)是逐步發(fā)展的，因此其荷載－位移曲線上一般不會(huì)出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)［20］.

2 存在的問題及研究趨勢(shì)

大直徑灌注樁在我國(guó)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用、市政、鐵路、公路、港灣等地基工程中，其承載性狀一直是工程界、學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)問題.國(guó)內(nèi)外許多單位和學(xué)者對(duì)其承載能力、荷載傳遞機(jī)理等進(jìn)行了諸多有益的研究與探索.而鋼護(hù)筒嵌巖樁承載受力性狀卻缺乏系統(tǒng)研究.由于鋼護(hù)筒嵌巖樁與傳統(tǒng)嵌巖樁在構(gòu)造上的差異，這些資料和經(jīng)驗(yàn)并不能很好的解釋現(xiàn)有設(shè)計(jì)計(jì)算中存在的一些問題.目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼護(hù)筒嵌巖樁承載性狀研究成果較少.

內(nèi)河深水碼頭排架中大直徑鋼護(hù)筒嵌巖樁在船舶撞擊力、擠靠力、碼頭上部荷載等荷載作用下，引起鋼護(hù)筒嵌巖樁身變形、鋼護(hù)筒與樁芯混凝土界面分離、鋼護(hù)筒與承臺(tái)接頭處混凝土剝落等問題，都會(huì)引起鋼護(hù)筒嵌巖樁承載能力降低甚至造成樁基破壞，最終導(dǎo)致碼頭結(jié)構(gòu)的破壞.

2.1 鋼管混凝土樁(柱)與鋼護(hù)筒嵌巖樁受力性狀的區(qū)別

鋼管與混凝土樁(柱)及鋼護(hù)筒與嵌巖樁存在相似受力性質(zhì)已得到眾多學(xué)者認(rèn)可.但是鋼護(hù)筒嵌巖樁與鋼管混凝土樁(柱)對(duì)比，其受力性狀主要有以下3點(diǎn)不同［22～24］:

(1)受荷性質(zhì)不同.鋼管混凝土樁(柱)主要承擔(dān)軸壓荷載，已有研究往往集中在軸壓短柱基本性能方面.內(nèi)河架空直立式碼頭中鋼護(hù)筒嵌巖樁除了承受軸向荷載外，還受到船舶撞擊力、系纜力等水平荷載的作用，其橫向承載性能更為重要，甚至還存在軸向與水平荷載共同作用.

(2)聯(lián)合受力機(jī)理不同.鋼管混凝土樁(柱)是利用軸向受壓時(shí)鋼管對(duì)核心混凝土的環(huán)箍作用，使管內(nèi)混凝土處于三向受壓狀態(tài)而提高其抗壓強(qiáng)度.鋼護(hù)筒嵌巖樁由于樁基直徑大，且管內(nèi)為鋼筋混凝土，鋼護(hù)筒對(duì)混凝土的約束效應(yīng)有限，鋼筋混凝土與鋼護(hù)筒進(jìn)入基巖深度不同不能保證兩者能完全協(xié)調(diào)工作，另外碼頭下層縱橫聯(lián)系撐僅僅焊接在鋼護(hù)筒外側(cè)，與內(nèi)側(cè)混凝土沒有連接成整體，這些特點(diǎn)都導(dǎo)致了鋼護(hù)筒與樁芯混凝土聯(lián)合受力性能低于鋼管混凝土樁.結(jié)構(gòu)在船舶撞擊力低周、反復(fù)大荷載作用下容易造成鋼護(hù)筒產(chǎn)生局部破壞.

(3)傳力途徑不同.鋼管混凝土樁(柱)主要以軸向力的方式將上部荷載傳遞到基礎(chǔ)或地基中，傳遞途徑為:上部荷載→鋼管混凝土樁(柱)→地基(或基礎(chǔ))，荷載直接傳遞到鋼管和樁芯混凝土.鋼護(hù)筒嵌巖樁軸向承載與鋼管混凝土樁類似，但承受船舶荷載(水平力)時(shí)的傳力途徑為:船舶荷載→靠船構(gòu)件→鋼護(hù)筒→鋼－砼界面→樁芯鋼筋混凝土→地基.船舶荷載是通過靠船構(gòu)件傳給鋼護(hù)筒，再由鋼－砼界面?zhèn)鬟f給樁芯鋼筋混凝土，而并非直接作用于樁芯上.

目前對(duì)鋼管混凝土樁(柱)進(jìn)行過大量研究，但鋼護(hù)筒嵌巖樁的厚徑比、截面含鋼率與鋼管混凝土樁(柱)大為不同，此外鋼護(hù)筒嵌巖樁為嵌巖樁與鋼管混凝土樁(柱)所處環(huán)境也不同，并且鋼護(hù)筒嵌巖樁與鋼管混凝土樁(柱)受力性狀有所區(qū)別.因此，鋼管混凝土的成熟研究成果對(duì)鋼護(hù)筒嵌巖樁的參考價(jià)值是有限的.

2.2 鋼護(hù)筒與樁芯鋼筋混凝土的聯(lián)合受力

鋼護(hù)筒與樁芯鋼筋混凝土之間通過粘結(jié)作用傳遞荷載.并且鋼護(hù)筒與樁芯混凝土的接觸狀態(tài)將很大程度上影響二者的聯(lián)合受力，這就需要對(duì)鋼護(hù)筒與樁芯鋼筋混凝土界面粘結(jié)－滑移發(fā)展過程以及界面強(qiáng)度影響的因素進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究.文獻(xiàn)［25］～［30］指出當(dāng)界面處于粘結(jié)狀態(tài)，起作用的主要是膠結(jié)力起作用;當(dāng)發(fā)生微小滑動(dòng)時(shí)，接觸面主要由機(jī)械咬合力作用;隨著滑移的進(jìn)一步發(fā)展，機(jī)械摩擦力開始發(fā)揮.影響界面強(qiáng)度的主要因素有混凝土強(qiáng)度、鋼管表面粗糙程度、養(yǎng)護(hù)條件、徑厚比、界面長(zhǎng)度等.此外，在實(shí)際工程中，由于鋼護(hù)筒嵌巖樁內(nèi)外溫差導(dǎo)致界面脫開的情況也應(yīng)引起重視.鋼護(hù)筒與樁芯鋼筋混凝土界面的接觸狀態(tài)和粘結(jié)強(qiáng)度將決定其共同受力狀況.即便在目前理論成果較為豐富的鋼管混凝土領(lǐng)域，對(duì)界面粘結(jié)強(qiáng)度的研究也尚未成熟，所以對(duì)鋼護(hù)筒與樁芯鋼筋混凝土的聯(lián)合受力的研究是完全有必要的.

2.3 考慮重復(fù)荷載作用下鋼護(hù)筒效應(yīng)對(duì)嵌巖樁承載性能的影響

作用在鋼護(hù)筒嵌巖樁上的重復(fù)荷載主要為船舶荷載等，即由鋼靠船構(gòu)件傳遞至碼頭上部結(jié)構(gòu)再傳遞至樁基的船舶撞擊力、擠靠力等，屬于低頻重復(fù)荷載.在其長(zhǎng)期作用下，樁基會(huì)出現(xiàn)類似于低周重復(fù)荷載作用下剛度退化的現(xiàn)象，導(dǎo)致樁基承載力下降.且樁周土體由于重復(fù)荷載的作用也會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度弱化［31］，進(jìn)一步降低樁基的承載性能.現(xiàn)有研究多集中在對(duì)與鋼護(hù)筒嵌巖樁相類似的鋼管混凝土柱滯回性能的研究［32，33］.荷載作用下構(gòu)件外層的鋼管在縱向應(yīng)變峰值荷載點(diǎn)附近或接近峰值荷載點(diǎn)處發(fā)生屈服，由于鋼管環(huán)箍效應(yīng)的作用，試件延性較好，即使在峰值點(diǎn)之后試件的承載力下降緩慢.這說明鋼護(hù)筒很有可能在提升嵌巖樁基在重復(fù)荷載作用下承載性能上發(fā)揮作用.研究重復(fù)荷載下界面粘結(jié)滑移性能及其弱化規(guī)律，可以為橫梁樁基節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，提高節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的可靠度［34］.

目前針對(duì)環(huán)箍作用研究較為深入，有成熟結(jié)論的當(dāng)屬結(jié)構(gòu)工程中廣為應(yīng)用的鋼管混凝土構(gòu)件.但由于鋼管混凝土柱、框架等一般作為軸心受壓構(gòu)件或者小偏心受壓構(gòu)件，研究鋼管混凝土抗彎性能的研究不多，學(xué)界對(duì)其受彎性能研究不夠深入，對(duì)其界面強(qiáng)度的研究也較少［35］.在實(shí)際的使用過程中，鋼護(hù)筒嵌巖樁長(zhǎng)期處于軸向和橫向荷載聯(lián)合作用下，在一般情況下總是處于偏心受壓狀態(tài)，由于偏心荷載使得樁發(fā)生撓曲，這樣鋼護(hù)筒和樁芯鋼筋混凝土界面將產(chǎn)生徑向壓力而其具有剪切摩阻力，粘結(jié)強(qiáng)度可能將得到提高.研究壓彎作用下鋼混界面強(qiáng)度將使得到的結(jié)果較于模擬軸心受壓的推出、推移試驗(yàn)更符合實(shí)際情況.

3 結(jié)語

已有學(xué)者對(duì)大直徑鋼護(hù)筒嵌巖灌注樁的承載性能作了探索性的研究，并取得一定成果.架空直立式碼頭采用全直樁布置，取消了普通高樁碼頭中常見的叉樁、斜樁，這就需要我們充分考慮直樁的水平承載性能.針對(duì)內(nèi)河大水位差架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)及其基礎(chǔ)的研究尚處于探索階段，大直徑鋼護(hù)筒嵌巖樁的鋼護(hù)筒效應(yīng)對(duì)樁基承載性能的影響仍沒有量化，承載機(jī)理與工作特性應(yīng)受到研究人員的重視.

現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)是研究鋼護(hù)筒嵌巖樁承載性狀的權(quán)威方法，但因不同工程面臨不同地質(zhì)條件、上部荷載、樁長(zhǎng)、樁徑、嵌巖深度及施工差異等，從而使得測(cè)試數(shù)據(jù)的適用性存在差異，而且現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)耗資巨大、靜載作用下很難加載至樁身破壞無法得到極限承載力.室內(nèi)模型試驗(yàn)依據(jù)相似理論選擇合適的相似比和模型材料，可研究不同荷載、工況、加載方式等因素下鋼護(hù)筒嵌巖樁的承載性狀.數(shù)值分析也是研究鋼護(hù)筒嵌巖樁承載性狀的有效方法，如何較好的模擬樁巖界面和鋼混界面接觸成為鋼護(hù)筒嵌巖樁數(shù)值模擬成功的關(guān)鍵因素之一.因此，可以更好的利用室內(nèi)模型試驗(yàn)與數(shù)值分析方法相結(jié)合的方式進(jìn)行鋼護(hù)筒嵌巖樁的研究.

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