李越松，焉 振，張 強(qiáng)

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 水工構(gòu)造物檢測、診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300456)

高樁碼頭由樁基、高樁承臺(tái)以及接岸結(jié)構(gòu)等組成，通過樁基的摩阻力以及嵌固作用維持高樁承臺(tái)的穩(wěn)定，利用接岸結(jié)構(gòu)連接高樁承臺(tái)和陸域堆場并兼做擋土結(jié)構(gòu)，在我國渤海灣沿岸、長江口、閩江口、珠江口等軟土地基上應(yīng)用廣泛。后方堆場荷載作用下，軟土岸坡極容易發(fā)生變形及失穩(wěn)，造成碼頭后方承臺(tái)以及后排樁基損壞，對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的正常使用和服役周期造成嚴(yán)重威脅[1]。近年來由于岸坡變形以及失穩(wěn)導(dǎo)致的樁臺(tái)變形、樁基開裂、樁臺(tái)倒塌等時(shí)有發(fā)生[2-3]，如華南某港的高樁框架碼頭在竣工后由于碼頭岸坡變形導(dǎo)致樁基持續(xù)前移達(dá)20 a之久[4]；華東某港的高樁梁板碼頭發(fā)生直樁和斜樁開裂或斷裂，以及前后樁臺(tái)間橫梁開裂；連云港某高樁梁板式引橋碼頭發(fā)生岸坡失穩(wěn)，坡腳棱體向北移動(dòng)3 m，直接導(dǎo)致傾斜樁擠斷；天津港多個(gè)突堤碼頭與順岸碼頭由于接岸結(jié)構(gòu)下的岸坡變形導(dǎo)致轉(zhuǎn)角處后承臺(tái)橫梁與樁基間出現(xiàn)了明顯的錯(cuò)位[5-6]，最大錯(cuò)位達(dá)15 cm，且呈逐年增大的趨勢。以上破壞事例說明，高樁碼頭的岸坡變形防治及加固技術(shù)仍然存在亟需解決的問題。

生產(chǎn)和實(shí)踐表明，通過外加結(jié)構(gòu)物對(duì)軟土層的水平變形進(jìn)行阻擋是減小碼頭結(jié)構(gòu)損害的有效途徑[7]。由于已建碼頭不適合打設(shè)預(yù)制樁墻等，通過現(xiàn)場施工的CDM法[8](深層水泥攪拌法)施打灌注樁、墻等是新的解決思路。針對(duì)軟土地區(qū)高樁碼頭的岸坡變形問題，本文提出MCDM擋土墻、CDM格構(gòu)式擋土墻、鉆孔灌注擋土樁三種加固方案。MCDM擋土墻是將CDM體做成m型斷面的地下連續(xù)墻，采用拱結(jié)構(gòu)受壓性能強(qiáng)的特點(diǎn)，減小甚至避免CDM體的拉應(yīng)力產(chǎn)生。如圖1所示，用“m”上緣的拱形墻擋土，用豎墻做支撐，把來自擋土墻的壓力向外擴(kuò)散。如圖2所示，CDM格構(gòu)式擋土墻是將CDM體做成格構(gòu)式地下連續(xù)墻，減小土體水平位移并增大岸坡承載力。鉆孔灌注擋土樁是在承臺(tái)后方施打鉆孔灌注樁，通過樁身的剛度阻擋后方土體向前的位移，如圖3所示。針對(duì)三種方案的加固效果，本文采用有限元模型分別進(jìn)行模擬計(jì)算，通過對(duì)比分析三種加固方案下碼頭基樁的樁身水平位移、樁身應(yīng)力以及土體水平位移、沉降等，研究確立最優(yōu)化加固方案。

1-a MCDM擋土墻斷面圖 1-b MCDM擋土墻平面圖圖1 MCDM擋土墻結(jié)構(gòu)型式圖Fig.1 MCDM retaining wall

2-a CDM格構(gòu)式擋土墻斷面圖 2-b CDM格構(gòu)式擋土墻平面圖圖2 CDM格構(gòu)式擋土墻結(jié)構(gòu)型式圖Fig.2 CDM lattice type retaining wall

3-a 鉆孔灌注擋土樁 3-b 鉆孔灌注擋土樁圖3 鉆孔灌注擋土樁結(jié)構(gòu)型式圖Fig.3 Cast-in-situ bored retaining piles

1 工程概況及有限元模型

1.1 工程概況

1.1.1 高樁碼頭結(jié)構(gòu)方案

圖4 碼頭斷面圖Fig.4 Wharf section diagram

高樁碼頭的結(jié)構(gòu)方案選取天津港25～26段碼頭。碼頭從南至北前沿線總長451.94 m(不包括過渡段部分6.406 m)，后沿線總長395.94 m，寬40.85 m。25～26泊位與27泊位連接段包括三突堤根部(長45.5 m，寬40.8 m，7個(gè)樁基排架)和四港池順岸西頭(前沿線長40 m，寬48.3 m，11個(gè)樁基排架)兩部分。25～26段碼頭前方承臺(tái)采用連續(xù)梁板式高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)，后方承臺(tái)采用簡支梁板式高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)。碼頭斷面圖見圖4。

1.1.2 荷載條件

后方堆場承受均布堆載60 kPa。

表1土體材料參數(shù)
Tab.1 Soil parameters

編號(hào)名稱彈性模量(MPa)泊松比密度(kg/m3)粘聚力(kPa)內(nèi)摩擦角(°)Soil-1粉質(zhì)粘土580.2520002120Soil-2粘土230.2619202818Soil-3淤泥質(zhì)粘土210.318302717Soil-4淤泥質(zhì)粘土150.317802616Soil-4-s淤泥質(zhì)粘土(加固)250.2518002622Soil-5淤泥130.317603010Rock拋石300.232000——Filling回填土200.261600——

1.1.3 結(jié)構(gòu)及土體參數(shù)

樁基及面板為混凝土材料，根據(jù)實(shí)測資料，其彈性模量為2.55×104MPa，泊松比為0.167，密度為2.5×103kg/m3。CDM體的彈性模量取1 000 MPa，泊松比0.3，重度取浮容重10 kN/m3。

土體及回填土等材料參數(shù)見表1。

1.2 有限元模型

1.2.1 有限元整體模型

有限元整體網(wǎng)格劃分如圖5所示。模型的底面土體施加X、Y、Z三個(gè)方向位移的約束，碼頭前方和后方斷面施加X方向的水平位移約束，在沿碼頭沿線方向的兩個(gè)斷面施加Z方向的水平位移約束。

圖5 有限元網(wǎng)格劃分Fig.5 Finite element meshes

1.2.2 接觸設(shè)置

考慮到本模型計(jì)算的主要目的為分析蠕變對(duì)樁基碼頭的影響，因此對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)、CDM體與土體相互之間的作用不做特別的考慮，假定樁土之間的無相對(duì)位移，將樁土之間的接觸面設(shè)置為綁定約束(*TIE)。

1.2.3 本構(gòu)模型

有限元模型在計(jì)算時(shí)考慮土體的彈塑性和蠕變特性，其中彈塑性模型選用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，屈服方程為

F=q-ptanβ-d=0

蠕變計(jì)算采用Singh-Mitchell蠕變模型，其蠕變法則定義為

式中：β為屈服軌跡在p-q平面上的傾角，即材料的摩擦角；d為材料的粘聚力；A表示單位時(shí)間剪應(yīng)力為0時(shí)的應(yīng)變速率；m值介于0.75～1之間，很少有大于1的情況；t1為單位時(shí)間；α為應(yīng)變速率對(duì)數(shù)與剪應(yīng)力關(guān)系圖中線性段的斜率。需要確定的參數(shù)為A、α、m。

1.2.4 分析步設(shè)置

(1)采用GEOSTATIC分析步進(jìn)行地應(yīng)力平衡；

(2)施加碼頭后方堆載，進(jìn)行彈塑性蠕變分析，計(jì)算期為365 d。

2 不同加固方案的受力及變形分析

2.1 加固前碼頭受力及變形分析

為了對(duì)加固效果進(jìn)行評(píng)估，首先計(jì)算出未采取加固措施情況下的岸坡變形及樁基內(nèi)力，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。加固前岸坡中土體水平最大位移發(fā)生于拋石棱體的下方區(qū)域，最大值為79.5 mm。樁身水平位移略小于土體水平位移，最大為77.8 mm，處于土體水平位移最大區(qū)域，在樁長的中部。沉降位移主要發(fā)生于后方堆場區(qū)域，最大值達(dá)111 mm。樁身的最大壓應(yīng)力為-25.1 MPa，最大拉應(yīng)力為0.86 MPa，均發(fā)生于最后排樁。

2.2 MCDM擋土墻加固后碼頭受力及變形分析

如圖7所示經(jīng)過m型擋土墻加固后的岸坡中土體水平位移最大值仍然在拋石棱體的下方區(qū)域，但其所處的深度加大，基本處于加固體的底部區(qū)域，最大值為66.9 mm。樁身水平位移略小于土體水平位移，最大為62.2 mm，處于土體水平位移最大區(qū)域，在樁長的中下部。沉降位移主要發(fā)生于后方堆場區(qū)域，最大值為104 mm。加固體的最大拉、壓應(yīng)力分別為0.29 MPa和-0.99 MPa，處于加固體強(qiáng)度范圍之內(nèi)。加固體的大部分為壓應(yīng)力，拉應(yīng)力僅存在于邊角等應(yīng)力集中的少數(shù)區(qū)域。

6-a 總水平位移 6-b 樁水平位移 6-c 樁身第一主應(yīng)力 6-d 樁身第三主應(yīng)力

圖6 加固前碼頭受力及變形圖
Fig.6 Force and displacement of high-piled wharf before reinforcement

7-a 總水平位移 7-b 樁水平位移 7-c 樁身第一主應(yīng)力

7-d 樁身第三主應(yīng)力 7-e M型加固體第一主應(yīng)力 7-f M型加固體第三主應(yīng)力

圖7 MCDM擋土墻加固后碼頭受力及變形圖
Fig.7 Force and displacement of high-piled wharf after reinforcement of MCDM

2.3 CDM格構(gòu)墻加固后碼頭受力及變形分析

格構(gòu)墻材料采用CDM加固體材料進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。經(jīng)過格構(gòu)墻加固后的岸坡中土體水平位移區(qū)域比加固前下移，仍然在拋石棱體的下方區(qū)域，最大值為67.8 mm。樁身水平位移略小于土體水平位移，最大為64.7 mm，處于土體水平位移最大區(qū)域，在樁長的中下部。沉降位移主要發(fā)生于后方堆場區(qū)域，最大值達(dá)106 mm。格構(gòu)墻體的最大拉、壓應(yīng)力分別為0.38 MPa和-1.03 MPa，在加固體強(qiáng)度范圍之內(nèi)。

8-a 總水平位移 8-b 樁水平位移 8-c 樁身第一主應(yīng)力

8-d 樁身第三主應(yīng)力 8-e CDM格構(gòu)體第一主應(yīng)力 8-f CDM格構(gòu)體第三主應(yīng)力

圖8 CDM格構(gòu)墻加固后碼頭受力及變形圖
Fig.8 Force and displacement of high-piled wharf after reinforcement of CDM lattice type retaining wall

2.4 灌注擋土樁加固后碼頭受力及變形分析

擋土樁材料按鉆孔灌注混凝土樁進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。經(jīng)過擋土樁加固后的岸坡中土體水平位移最大值與m型擋土墻加固后所處的區(qū)域非常接近，最大值為76 mm。樁身水平位移小于土體水平位移，最大為72.6 mm，處于土體水平位移最大區(qū)域，在樁長的中部。沉降位移主要發(fā)生于后方堆場區(qū)域，最大值達(dá)110 mm。擋土樁體的最大拉、壓應(yīng)力分別為19.2 MPa和-21.4 MPa，超出加固體強(qiáng)度范圍之外。

9-a 總水平位移 9-b 樁水平位移 9-c 樁身第一主應(yīng)力

9-d 樁身第三主應(yīng)力 9-e 擋土樁第一主應(yīng)力 9-f 擋土樁第三主應(yīng)力

圖9 擋土樁加固后碼頭受力及變形圖Fig.9 Force and displacement of high-piled wharf after reinforcement of cast-in-situ bored retaining piles

3 加固效果對(duì)比分析及方案確定

如表2所示，提取加固前以及三種加固方案加固后的土體水平位移、土體沉降、樁身水平位移、樁應(yīng)力、加固體應(yīng)力的最大值，對(duì)各種方案的加固效果進(jìn)行比較分析。

由表2可以看出，對(duì)碼頭樁體水平位移減小幅度最明顯的為MCDM方案，樁體水平位移由77.8 mm降到62.2 mm，降幅約20%。格構(gòu)式CDM擋土墻加固后的樁體水平位移為64.7 mm，土體水平位移為67.8 mm，略大于MCDM方案。雖然格構(gòu)式擋土墻與MCDM擋土墻在減小基樁位移方面效果較為接近，但格構(gòu)墻體應(yīng)力大于MCDM體應(yīng)力，說明MCDM體受力性能更好。擋土樁方案加固后樁體和土體的水平位移并未減小，反而略有增大，這種方案最不理想。因此，從加固后基樁以及土體變形控制、加固體受力角度，確定MCDM擋土墻為三種加固方案的最優(yōu)化方案。

4 MCDM擋土墻方案的施工可行性及經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 MCDM擋土墻方案的施工可行性

碼頭使用期進(jìn)行加固為陸上施工，相對(duì)方便，但是需要清除原接岸結(jié)構(gòu)的拋石棱體后才能施工。加固施工時(shí)應(yīng)特別注意合理安排施工順序，控制施工速度，加強(qiáng)碼頭結(jié)構(gòu)及岸坡變形的監(jiān)測，以防施工對(duì)原有碼頭結(jié)構(gòu)和岸坡造成不良影響。

(4) 開挖掌子面在各種荷載的作用下，認(rèn)為土體受到擾動(dòng)后的剪切模量和體積模量皆有所下降，所以選取掌子面方向一定長度的土體作為卸荷單元，認(rèn)為卸荷單元在刀盤的擾動(dòng)下彈性模量有所降低，變?yōu)樵瓉淼?/2[6]。

4.2 MCDM擋土墻方案經(jīng)濟(jì)性分析

按照MCDM加固方案計(jì)算，縱向每延米需要加固體108 m3，參考相關(guān)資料，目前市場上深層攪拌樁的定額基本價(jià)為165 元/m3，這樣每延米造價(jià)約為1.8萬元，再加上擋土墻上方的拋石棱體擋土墻，造價(jià)不高。MCDM擋土墻接岸結(jié)構(gòu)能有效地減弱岸坡變形，增加岸坡的穩(wěn)定性，從而可以減小碼頭承臺(tái)的寬度，大量節(jié)約投資。

4.3 方案確定

因此，MCDM擋土墻能夠較好地控制加固后基樁以及土體變形，加固體以受壓應(yīng)力為主、具有較好的受力性能，同時(shí)具備施工可行性及經(jīng)濟(jì)性，建議實(shí)際工程中采用MCDM擋土墻作為碼頭岸坡加固方案。

5 結(jié)語

針對(duì)軟土地區(qū)高樁碼頭的岸坡變形問題，提出MCDM擋土墻、CDM格構(gòu)式擋土墻、鉆孔灌注擋土樁三種加固方案。以有限元軟件ABAQUS為分析平臺(tái)，建立高樁碼頭與土相互作用的三維彈塑性蠕變有限元模型，對(duì)比分析蠕變影響下三種加固方案的碼頭基樁樁身水平位移、樁身應(yīng)力以及土體水平位移、沉降等，研究確立最優(yōu)化方案，并進(jìn)行論證。得到以下結(jié)論：

(1)通過對(duì)比分析，MCDM擋土墻以及CDM格構(gòu)式擋土墻在碼頭基樁樁身水平位移、土體水平位移、沉降等控制方面效果較為顯著；格構(gòu)墻體應(yīng)力大于MCDM體應(yīng)力，說明MCDM體受力性能更好。因此，從加固后基樁以及土體變形控制、加固體受力角度，確定MCDM擋土墻為三種加固方案中的最優(yōu)化方案。

(2)MCDM擋土墻為陸上施工，相對(duì)方便，具有施工可行性；且MCDM體的造價(jià)不高，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，能夠節(jié)約投資。

(3)建議實(shí)際工程中采用MCDM擋土墻作為碼頭岸坡加固方案。

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