何英發(fā)，周 超，顧 茜

（1. 華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 港航設(shè)計(jì)二所， 江蘇 南京 210014；2. 華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 國(guó)土空間及城鄉(xiāng)規(guī)劃研究中心， 江蘇 南京 210014）

0 引言

高樁碼頭是我國(guó)應(yīng)用最為廣泛的碼頭結(jié)構(gòu)形式，其具有結(jié)構(gòu)輕，減弱波浪效果好，用料省，對(duì)挖泥超深適應(yīng)強(qiáng)，適用于軟土地基等優(yōu)點(diǎn)，然而對(duì)地面超載的適用性卻較差。碼頭岸坡在浚深及后方堆載的作用下不僅會(huì)產(chǎn)生豎向位移，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生水平向位移，使碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的內(nèi)力，甚至造成結(jié)構(gòu)的破壞，例如基樁與簡(jiǎn)支橫梁出現(xiàn)較大的偏位，局部壓應(yīng)力過(guò)大使得很多樁帽發(fā)生了劈裂，基樁頂部開裂等破壞形式[1-3]。傳統(tǒng)高樁碼頭計(jì)算模型及公式均是假設(shè)樁基為主動(dòng)樁即上部荷載傳遞至樁基后傳遞至土體，均無(wú)法考慮樁基為被動(dòng)樁的情況即土體在荷載作用下產(chǎn)生變形，并傳遞至樁基。[4]隨著有限元的發(fā)展及普及，建立結(jié)構(gòu)-地基復(fù)合模型并研究其相互作用成為可能[5-6]。祝振宇、廖雄華均建立了有限元模型，分析了高樁碼頭-岸坡體系的變形規(guī)律及結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化規(guī)律。[7-8]在碼頭浚深改造之后，隨著后方堆載的增加及碼頭前沿泥面的降低，岸坡土體的平衡狀態(tài)將再次改變，從而對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生影響。姚文娟分析了置換加固軟弱土層改造方法對(duì)改善樁基結(jié)構(gòu)受力的效果。[9]廖雄華建立二維有限元模型，分析了浚深對(duì)碼頭-岸坡體系的影響，[10]李越松用梁?jiǎn)卧M樁基及縱、橫梁分析了堆場(chǎng)區(qū)施工鉆孔灌注樁加固方案的效果[11]。由于碼頭-岸坡體系之間的相互作用復(fù)雜，二維有限元模型及梁?jiǎn)卧荒軠?zhǔn)確地模擬其相互作用，因此，本文利用有限元軟件強(qiáng)大的數(shù)值分析能力及方便的后處理能力，建立三維有限元模型，對(duì)土體采用應(yīng)用廣泛的彈塑性本構(gòu)模型Mohr-Coulomb 模型，對(duì)堆載區(qū)設(shè)低樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)及碼頭前沿設(shè)板樁墻兩種改造方案的碼頭-岸坡體系變形及內(nèi)力變化進(jìn)行分析，以期對(duì)工程實(shí)踐提供借鑒。

1 加固目的及主要加固方案

高樁碼頭浚深改造之后，由于泥面的浚深及后方堆載的增加，碼頭體系整體穩(wěn)定性降低。碼頭整體圓弧滑動(dòng)依照土體強(qiáng)度及岸坡形狀不同可分為淺層滑動(dòng)及深層滑動(dòng)。[12]同時(shí)由于碼頭-岸坡體系原應(yīng)力狀態(tài)被改變，土體位移變形發(fā)生改變，將增大對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力。

為解決上述兩種問題，高樁碼頭浚深改造方案主要有三個(gè)：（1）碼頭前沿設(shè)前板樁結(jié)構(gòu)法，[13]即在已有碼頭前沿建造板樁墻，采用無(wú)錨板樁，施工時(shí)把板樁墻樁頂打至泥面處，以保證岸坡穩(wěn)定及港池疏浚作業(yè)的安全；（2）在堆載區(qū)設(shè)傳力結(jié)構(gòu)（如鉆孔灌注樁或低樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)），以此將堆貨荷載傳至地基深處，減小對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的影響；（3）設(shè)深基礎(chǔ)接岸結(jié)構(gòu)擋土墻，阻斷土體變形向碼頭結(jié)構(gòu)的傳遞。本文將對(duì)碼頭前沿設(shè)前板樁結(jié)構(gòu)方案及堆載區(qū)設(shè)低樁承臺(tái)兩種方案進(jìn)行分析。

2 工程案例

2.1 基本參數(shù)

根據(jù)國(guó)內(nèi)某鋼廠專用高樁碼頭建立有限元模型，碼頭示意圖如圖1 所示。前樁臺(tái)寬18 m，由4 根直樁及2 根叉樁支撐，直樁為截面為0.6 m × 0.6 m 的混凝土方樁，樁長(zhǎng)26 m，叉樁為0.6 m × 0.6 m 的混凝土方樁，斜度為1:3。后樁臺(tái)寬19 m，由4 根截面為0.6 m × 0.6 m 的混凝土方樁組成，樁長(zhǎng)24 m。后方堆載為35 kPa。原港池高程為▽-7 m，現(xiàn)將其浚深至▽-10 m。后方堆載增至60 kPa。選取碼頭一榀橫向排架，土體縱向選取6 m 寬度建立有限元模型。碼頭結(jié)構(gòu)、板樁墻及后方低樁承臺(tái)均采用線彈性本構(gòu)模型，土體采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型，各材料參數(shù)如表1 所示。

圖1 改造方案示意圖

表1 各材料參數(shù)

2.2 改造方案

本文模擬4 種改造方案。方案1：不經(jīng)改造直接將圖1 所示的 “開挖1” 及 “開挖2” 兩部分挖除，后方堆載由35 kPa 變?yōu)?0 kPa。方案2：在堆載區(qū)域設(shè)低樁承臺(tái)，將圖1 所示的 “開挖1” 及 “開挖2” 去除，后方堆載由35 kPa 變?yōu)?0 kPa。方案3：在前方承臺(tái)前沿打入板樁墻，墻頂打至泥面處，將圖1 所示 “開挖1” 部分去除，后方堆載由35 kPa 變?yōu)?0 kPa。方案4：在前方承臺(tái)前沿打入板樁墻，墻頂打至泥面處，在堆載區(qū)域設(shè)低樁承臺(tái)，將圖1 所示的 “開挖1” 部分去除，后方堆載由35 kPa 變?yōu)?0 kPa。

2.3 模型建立

由于本文主要研究浚深改造后岸坡變形引起的結(jié)構(gòu)體系的變化，因此，只考慮體系在自重及后方堆載作用下的狀態(tài)，土體在水位以上采用濕重度，水位以下采用浮重度。為模擬真實(shí)的碼頭-岸坡體系，各改造方案均首先計(jì)算原岸坡在自重作用下的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)行地應(yīng)力平衡[14]174-176，再計(jì)算排架在自重、后方堆載35 kPa 作用下及浚深改造后的應(yīng)力變形。土體及結(jié)構(gòu)均采用實(shí)體單元，二者之間設(shè)接觸模擬其受力狀態(tài)。

3 結(jié)果分析

3.1 位移結(jié)構(gòu)分析

圖2、3、4 分別為按照方案1、方案2、方案3 改造后相較改造前岸坡土體位移增量矢量圖。由圖2 可以得出浚深后及堆載增加后，后方堆載區(qū)域產(chǎn)生較大的向下豎向位移增量，由于碼頭前沿港池疏浚相當(dāng)于卸荷作用，港池處主要為向上的位移增量，同時(shí)由于泥面開挖，臨空面增加及堆載區(qū)土體的推擠作用，前、后樁臺(tái)下方土體有較大的水平向位移增量。由圖3 可以得出，設(shè)置地樁承臺(tái)后，后方堆載區(qū)域豎向位移增量大幅降低，港池側(cè)向上位移增量與圖2 基本一致。由于后方堆載區(qū)域的推擠作用變小，前后樁臺(tái)下方土體水平向位移增量較圖2 由4.8 cm 減少至3.0 cm。由圖4 可以得出，設(shè)置前板樁墻后，后方堆載區(qū)域豎向位移增量與圖2 基本一致，由于前板樁的阻隔作用，前后樁臺(tái)下方土體受疏浚卸荷的影響較少，位移方向由朝港池側(cè)傾斜向上變?yōu)槌鄢貍?cè)水平位移，同時(shí)位移數(shù)值與圖2 相差較小。對(duì)比圖2、圖3 中前后樁臺(tái)的位移，方案1 前后樁臺(tái)的位移為朝港池側(cè)傾斜向上，方案2 為豎直向上的位移，方案3 為水平位移增量，與土體的位移變化趨勢(shì)一致。由此可得，港池疏浚主要引起前后樁臺(tái)下方土體向上的位移增量，而后方堆載增加主要引起前后樁臺(tái)下方土體水平向位移增量。

圖2 方案1 位移增量矢量圖

圖3 方案2 位移增量矢量圖

圖4 方案3 位移增量矢量圖

3.2 樁基豎向軸力分析

提取圖1 所示的樁A、B、C、D、E 的軸力值，如表2 所示。對(duì)表2 進(jìn)行對(duì)比得出，由于土體的位移變化對(duì)樁產(chǎn)生摩擦，從而對(duì)碼頭樁基軸力產(chǎn)生影響，方案1 和方案2 中，相較改造前，樁A、C、D 軸力減小，而樁B、E軸力增大。方案3 和方案4 中，樁D 軸力相較未改造前相差不大，樁A、B、E 軸力增大，而樁C 軸力減小，與承臺(tái)傾斜變化一致。

表2 樁基最大軸力值 單位：kN

3.3 樁基彎矩分析

圖5 為各樁彎矩值。由圖可得，樁A 改造前最大彎矩為樁頂彎矩，方案1 較改造前樁頂彎矩增大，方案2由于低樁承臺(tái)的作用，土體水平向位移增量減小，彎矩值相較方案1 減小。方案3 樁A 頂點(diǎn)彎矩減小，在樁中部彎矩最大，但依然比方案1 的最大彎矩小20%。由于前樁臺(tái)傾斜度增大，方案1 及方案2 較改造前，樁B 的樁頂負(fù)彎矩及樁基最大正彎矩同時(shí)增大。方案3 改造后，樁B、C 的樁頂彎矩及樁最大正彎矩均較方案1和方案2 減小，比改造前有所增大，但增大幅度較小。方案1 與改造前相比，樁基內(nèi)力變化較大的為后樁臺(tái)的樁基，樁D、E 均有明顯的增加，由于堆載區(qū)土體變形對(duì)后樁臺(tái)樁基的推擠作用，相較改造前樁基彎矩變幅最大的為樁E，最大正彎矩增大近一倍，樁頂負(fù)彎矩增大近60%。由于方案2 低樁承臺(tái)減小了堆載區(qū)土體對(duì)樁基的推擠，樁E 的樁頂最大負(fù)彎矩相較方案1 有明顯減少，與改造前相當(dāng)，最大正彎矩比方案1 減少近40%，比改造前僅增大150 kN·m。方案3 對(duì)于后樁臺(tái)樁基內(nèi)力的改善效果并不明顯，與方案1 彎矩值相差不多，而方案4 則對(duì)于各樁的彎矩均有明顯的改善。

圖5 樁彎矩

通過(guò)對(duì)比各方案各樁彎矩變化，對(duì)設(shè)置前板樁方案可以減少由于港池疏浚引起的前排樁基彎矩增大，但對(duì)減少由于堆載增大引起的后排樁彎矩增大的作用較小。對(duì)堆場(chǎng)設(shè)置低樁承臺(tái)等處理措施的方案可有效減少由于堆載增大引起的后排樁基彎矩增大，但對(duì)減少由于疏浚引起的前排樁彎矩增大的作用較小。

4 結(jié)束語(yǔ)

碼頭浚深及后方堆載增加后，由于岸坡原平衡狀態(tài)被破壞，對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)安全將產(chǎn)生不利影響，帶來(lái)樁基彎矩增大、樁臺(tái)傾斜度增大等問題。港池疏浚主要引起樁臺(tái)下方土體豎直向上的位移增量，而后方堆載則增加主要引起樁臺(tái)下方土體水平向位移增量。對(duì)設(shè)置前板樁方案可以減少由于港池疏浚引起的前排樁基彎矩增大，但對(duì)減少由于堆載增大引起的后排樁彎矩增大的作用較小。對(duì)堆場(chǎng)設(shè)置低樁承臺(tái)等處理措施的方案可有效減少由于堆載增大引起的后排樁基彎矩增大，但對(duì)減少由于疏浚引起的前排樁彎矩增大的作用較小。碼頭升級(jí)改造過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同的因素選擇相應(yīng)的改造措施。