劉明維，李 輝，阿比爾的，高俊升

(1.重慶交通大學(xué) 國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心，重慶 400074; 2.重慶交通大學(xué) 水利水運(yùn)工程教育部重點實驗室，重慶 400074)

隨著高樁碼頭[1-2]在我國西南地區(qū)港口建設(shè)中應(yīng)用愈來愈廣泛，碼頭基樁的變形和穩(wěn)定性逐漸成為工程界重點關(guān)注問題。在樁后回填土作用下，樁頂會發(fā)生較大的水平位移，尤其是在深填斜坡情況下樁頂變形更為明顯，導(dǎo)致碼頭變形過大甚至失穩(wěn)破壞。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對水平荷載作用下基樁受力特性做了諸多研究。劉志剛[3]通過有限元方法計算了在水平荷載作用下復(fù)合地基中樁體應(yīng)變和位移的分布規(guī)律以及斷樁位置；Shahu[4]采用室內(nèi)模型試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究碎石群樁對地基的加固效果；勞偉康[5]在大直徑柔性靠船樁現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上對樁的水平承載力特性進(jìn)行了計算分析；李俠[6]通過建立物理力學(xué)模型，考慮多種短期荷載的不利組合，對軟土地基中樁的水平承載力進(jìn)行驗算；管人地等[7]利用ANSYS數(shù)值模擬高樁碼頭在水平力作用下基樁應(yīng)力、位移變化，進(jìn)而分析碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，表明水平力在高樁碼頭計算中不能忽視；王梅等[8]試驗研究了水平荷載作用下單樁非線性m法；謝劍銘等[9]通過斜坡基樁水平承載特性模型試驗定性研究臨坡距對樁身應(yīng)變變化規(guī)律影響；蔣鑫等[10]對抗滑樁加固斜坡軟弱地基路堤的數(shù)值分析，表明斜坡中填土厚度是影響基樁穩(wěn)定性的主要因素之一。

目前對于基樁的研究更多關(guān)注基樁穩(wěn)定性問題，而對基樁變形控制上關(guān)注不夠。碼頭深填斜坡基樁由于樁后回填土存在坡度，樁后土體水平力作用更明顯，極易導(dǎo)致樁身變形過大，上部結(jié)構(gòu)或裝卸機(jī)械無法正常使用，或者導(dǎo)致基樁失穩(wěn)破壞。因此研究深填斜坡中基樁變形規(guī)律并進(jìn)行穩(wěn)定性控制對內(nèi)河碼頭基樁設(shè)計建造及安全營運(yùn)十分必要。

本文結(jié)合室內(nèi)模型試驗，建立深填斜坡中樁-土數(shù)值分析模型，研究不同回填土材料厚度及內(nèi)摩擦角、樁徑等設(shè)計參數(shù)對基樁內(nèi)力和變形的影響，并提出了減小位移和提高性能的具體措施，為內(nèi)河港口碼頭基樁的設(shè)計建造提供參考。

1 模型試驗建立

1.1 土工模型試驗

為驗證數(shù)值模型的可靠性，本文首先進(jìn)行室內(nèi)物理模型試驗研究，對比驗證所建數(shù)值模型的可靠性。

物理試驗?zāi)Ｐ筒鄢叽鐬?30 cm×135 cm×140 cm，岸坡坡度為1∶3。試驗選取砂巖和泥巖質(zhì)量比為4∶1的砂泥巖混合料，斜坡地基采用分層回填并壓實，材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

試驗?zāi)Ｐ蜆恫捎肅30混凝土，樁長100 cm，樁徑10 cm，懸臂長度為20 cm，沿斜坡共分3排，每排布置2根，共計6根。樁的豎向力和橫向力加載均通過液壓千斤頂、荷載傳感器、反力梁來控制。采用逐級加載，每級荷載0.1 kN(約為單樁承載能力的10%)。試驗裝置如圖1所示，基樁加載示意圖如圖2。

圖1 試驗?zāi)Ｐ虵ig.1 Experimental model

圖2 基樁施加水平荷載Fig.2 Loads applied to pile foundation

圖3 物理模型試驗樁頂荷載-位移曲線Fig.3 Load-displacement curve of pile top of physical model

試驗采用DH3810數(shù)據(jù)采集器采集樁頂水平位移，1號樁樁頂位移隨荷載變化曲線如圖3所示。

通過樁頂荷載-位移曲線可以看出：隨著樁頂水平推力的增加，樁頂位移呈現(xiàn)近似線性增大趨勢，但加載后期樁頂變形速度有所加快，但變形整體仍表現(xiàn)為近似線性。

1.2 ANSYS有限元模型建立與驗證

運(yùn)用ANSYS軟件，按1∶1比尺建立試驗?zāi)Ｐ偷挠邢拊Ｐ腿鐖D4所示。為了提高計算精度，模型采用六面體網(wǎng)格劃分，用Solid95單元模擬樁土結(jié)構(gòu)，樁土之間采用contact173，contact174面-面接觸單元模擬。

通過逐級加載獲得有限元模型荷載和樁頂位移曲線，如圖5所示。通過物理模型試驗與ANSYS模擬對比發(fā)現(xiàn)，物理模型與有限元模擬結(jié)果基本一致，樁頂位移均隨荷載線性增加，二者的數(shù)值差異在10%之內(nèi)。二者存在差異部分可能是試驗卸荷后，樁前土被壓密產(chǎn)生塑性變形而使基樁不能完全恢復(fù)原狀，造成模型數(shù)據(jù)與理論不一致。但從整體來看，依據(jù)模型實驗建立的ANSYS有限元分析模型能滿足分析要求。

圖4 ANSYS有限元模型Fig.4 Finite element model of ANSYS

圖5 有限元模型計算樁頂荷載-位移曲線Fig.5 Pile top load-displacement curve of finite element model

圖6 回填斜坡中樁土結(jié)構(gòu)示意圖(單位：m)Fig.6 Schematic diagram of pile soil in backfill slope (unit: m)

2 深填斜坡中基樁受力變形影響因素分析

為分析深填斜坡中基樁受力變形特征的影響因素，以長江三峽庫區(qū)重慶萬州某架空碼頭工程為例，建立的計算模型中，基巖為中風(fēng)化砂巖，原斜土坡坡度1∶6，碼頭岸坡采用砂泥巖混合料回填，回填土坡度1∶2，材料參數(shù)如表1所示。樁基碼頭基樁嵌巖深度8 m，回填土厚度為a，單樁的水平支護(hù)范圍為30 m，結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

深填斜坡基樁設(shè)計中，基樁的穩(wěn)定性主要受基樁彎矩控制，而基樁變形主要受樁頂水平位移控制，因此主要分析樁體彎矩和樁頂水平位移。

2.1 填土厚度的影響

基樁的半徑1.0 m，嵌巖深度8 m，設(shè)基樁支擋處回填土厚度為a(如圖6所示)，保持其他參數(shù)不變，研究回填土厚度對基樁受力變形的影響。填土厚度a分別取27，22，17和12 m，分別獲得不同深度下樁身彎矩和水平位移變化曲線?；靥詈穸?7 m時位移云圖見圖7，樁身的彎矩、位移隨填土厚度變化曲線如圖8和圖9。

圖7 填土厚度27 m時位移云圖Fig.7 The displacement cloud map when the soil is 27 m thick

圖8 不同填土厚度的樁身高度-位移曲線Fig.8 Height of pile height-displacement curve of different filling thicknesses

圖9 不同填土厚度的樁身彎矩分布Fig.9 The moment distribution of piles with different filling thicknesses

由圖7可知，由于深填斜坡受基樁支擋作用，坡體最大位移位于坡面以下，原狀土與回填土接觸面以上，而非普通邊坡的最大位移一般在坡面和坡腳。

圖10 樁身最大彎矩值隨回填土厚度的變化Fig.10 Changes in the maximum bending moment of the pile with the thickness of backfill soil

由圖8可知，當(dāng)回填土厚度為12 m時，沿樁身的位移基本呈線彈性增長，最大位移位于樁頂；當(dāng)回填土厚度為17 m時，在回填土上下交界面附近樁身開始彎曲，產(chǎn)生塑性變形，懸臂段不受外荷載作用保持線性延伸，因而最大位移仍在樁頂，約為0.1 m。隨著回填厚度的增大，樁身塑性彎曲更加明顯；當(dāng)回填土厚度達(dá)到27 m時，回填土上下交界面附近樁身明顯彎曲，呈S型，此時回填土上表面附近樁身位移最大，達(dá)到0.15 m，而樁頂位移為0.12 m，樁身位移加速增長?？梢娞钔梁穸鹊脑龃髸?dǎo)致回填土段樁身水平位移非線性增大，樁身由線彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)镾型彎曲變形，樁身最大位移由樁頂逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹粱靥钔羺^(qū)，但由于懸臂段線性延伸，樁頂水平位移差異不大。

由圖9可見，基樁在巖土分界面處會發(fā)生應(yīng)力突變現(xiàn)象，最大彎矩均出現(xiàn)在基樁與巖土接觸面位置，回填土厚度越大，接觸面彎矩越大，而樁身其余段的彎矩基本相同。由圖10可見，當(dāng)填土厚度超過22 m時，填土厚度增大，最大彎矩快速增加，樁身彎曲變形快速增大。

2.2 回填土內(nèi)摩擦角的影響

在回填厚度a為27 m的情況下，取樁半徑0.8 m，保持其他參數(shù)不變，研究回填土內(nèi)摩擦角對受力變形的影響。分別取內(nèi)摩擦角φ為20°，25°，30°，35°共4種土體，分析回填斜坡樁身彎矩和水平位移變化曲線?；靥钔羶?nèi)摩擦角φ為30°時，模型水平方向位移云圖如圖11所示，不同回填土內(nèi)摩擦角下的樁身水平位移和彎矩如圖12和圖13。

圖11 回填土內(nèi)摩擦角30°時位移云圖Fig.11 Displacement cloud image at 30 degrees of internal friction angle of backfill soil

圖12 不同填土內(nèi)摩擦角的樁頂位移-荷載曲線Fig.12 Pile top displacement-load curve of different filling internal friction angles

圖13 不同填土內(nèi)摩擦角的樁身彎矩分布Fig.13 The moment distribution of the pile with different filling interior friction angles

由圖11可知，土體最大位移仍然位于坡面以下，回填土中部位置，與上文一致。

由圖12可知，當(dāng)回填土內(nèi)摩擦角為25°時，回填區(qū)范圍內(nèi)樁身因受樁后填土的水平推力作用，位移隨著樁身高度的增加而增大，回填區(qū)上面因樁受到樁前土較大的抗力作用略有回彎，而樁身懸臂段則線性延伸，樁最大位移位于回填區(qū)上表面附近。當(dāng)回填土內(nèi)摩擦角大于25°時，樁身變形差異不大，當(dāng)回填土內(nèi)摩擦角為20°時，樁身位移明顯增大?？梢姡靥钔翉?qiáng)度過低時，樁體變形較大，易造成大變形破壞，但當(dāng)回填土強(qiáng)度達(dá)到一定值后，樁頂位移不再隨著回填土內(nèi)摩擦角的增大而減小，可見回填土的內(nèi)摩擦角對樁身變形的控制范圍有限。

由圖13可知，基樁在巖土分界面處會發(fā)生應(yīng)力突變現(xiàn)象，最大彎矩均出現(xiàn)在基樁與巖土接觸面位置，但回填不同摩擦強(qiáng)度的土體，其接觸面的最大彎矩差異不大?？梢?，樁徑設(shè)計中回填土內(nèi)摩擦角對基樁彎矩不敏感，而對樁身的變形較為敏感。

圖14 樁身高度-位移曲線Fig.14 Height-displacement curves of pile height

圖15 樁身高度-彎矩曲線Fig.15 Height-bending moment curves of pile height

2.3 樁截面尺寸的影響

在回填厚度a為27 m、回填土內(nèi)摩擦角φ為25°工況下，保持其他參數(shù)不變，僅調(diào)整樁身截面尺寸，建立樁身半徑為0.8，1.0，1.4，2.0 m共4種計算模型，分別獲得樁身彎矩和水平位移變化曲線如圖14和15。

圖14為不同樁徑下樁身水平位移曲線。由圖可知，回填區(qū)范圍內(nèi)樁身因受樁后填土的水平推力作用，樁身水平位移沿樁的高度逐漸增大，而回填土坡表面因樁身變形大，受到樁前土較大的抗力作用而反向彎曲，呈S型變形。其中樁徑較小時(r=0.8 m)，回填區(qū)的水平位移和回填坡面的反向彎曲程度均較大，樁身最大位移位于回填區(qū)上側(cè)；樁徑增大，回填區(qū)的水平位移和回填坡面反向彎曲程度逐漸減小，導(dǎo)致樁頂位移增大，樁身最大位移逐漸發(fā)展到樁頂；當(dāng)樁徑增大到20 m時，回填區(qū)下表面附近樁身彎曲變形產(chǎn)生較大的水平位移，但由于樁的剛度足夠大，回填坡面土體的抗力不足以使樁身反向彎曲，此時樁頂水平位移最大。可見，深填斜坡中基樁受到回填土較大的水平推力作用，導(dǎo)致樁身反向彎曲呈S型變形。但隨著樁徑增大，基樁剛度增大，回填坡面樁身反向彎曲程度減小，樁頂位移最大。

由圖15可知，基樁最大彎矩同樣出現(xiàn)在巖土分界面處，且樁徑越大，樁身最大彎矩越大，但樁身其余位置的彎矩差異不大。由圖可知，樁徑為1.0 m時，最大彎矩2 500 kN·m，樁徑為2.0 m時，最大彎矩為20 000 kN·m，樁徑增大2倍，彎矩增大達(dá)8倍。工程實踐中，在深回填土情況下，為了控制基樁頂水平位移，一味增大樁截面直徑并不一定能滿足變形要求，反而增加工程成本。因此應(yīng)該選取滿足強(qiáng)度要求的最小樁徑即可，這可通過試驗或者有限元數(shù)值模擬確定最佳樁徑。

3 深填斜坡優(yōu)化支護(hù)

深填斜坡基樁應(yīng)滿足強(qiáng)度要求和變形控制要求。其中強(qiáng)度條件可以通過調(diào)整樁材料強(qiáng)度和樁徑滿足設(shè)計要求，假設(shè)實際工程樁身軸力為10 MPa，彎矩2 500 kN·m，若樁徑為2 m，樁身最大應(yīng)力13.2 MPa，而C30混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計值為14.3 MPa，能夠滿足承載力要求。然而從前文的分析可以看出，深填斜坡基樁的水平位移較大(約0.15～0.25 m)，且通過提高回填土的強(qiáng)度或者增加樁截面尺寸對樁頂水平位移的控制有限，因此考慮采用h型復(fù)合樁進(jìn)行深厚填土斜坡的變形控制。

h型樁由主樁(全長60 m，其中懸臂段長12 m)、副樁(全長32 m)及水平支撐橫梁(最大水平位移處)組成。取樁徑為0.8 m，主副樁距10 m，嵌巖深度8 m，回填厚度a為27 m，回填岸坡的坡度為30°，回填土重度為19 kN/m3，內(nèi)摩擦角25°，模型其余參數(shù)與上文一致。

圖16 采用h型支撐時模型位移云圖Fig.16 Displacement of the model with h-type support

h型樁支護(hù)下深填斜坡的水平位移云圖如圖16所示，主樁沿深度方向水平位移和樁身彎矩變化曲線見圖17和圖18。

由圖16可以看出，h型樁支護(hù)下坡體最大位移位于樁后原狀土與回填土接觸面上，土體的橫向位移最大值為17.4 cm，而單樁支護(hù)時坡體的最大位移位于回填土中部，最大位移23.6 cm，可見，坡體的最大位移位置下移，最大位移值減小。主要是回填土體受到h型樁水平支撐作用，導(dǎo)致樁后回填土的水平位移減小，可見h型樁能夠有效控制回填土坡的水平位移。

由圖17可見，主樁同樣在原狀土與回填土接觸面產(chǎn)生最大位移15.6 cm，樁頂水平位移3.6 mm，而副樁在樁頂處產(chǎn)生最大位移13.6 cm?？梢?，h型支護(hù)方式可以明顯減小主樁樁頂?shù)乃轿灰?，但是主樁橫梁以下部位水平位移還是較大。

由圖18樁身彎矩圖可知，相比于單樁的巖土分界面彎矩突變(最大彎矩700 kN·m)，h型樁的樁身彎矩分布比較復(fù)雜，分別在基巖與原狀土分界面位置、原狀土與回填土接觸面位置以及主樁與橫梁接觸位置出現(xiàn)彎矩突變，最大彎矩位于基樁與橫梁接觸面，最大彎矩值806 kN·m；副樁樁身彎矩分布相對簡單，只有兩個反彎點，表現(xiàn)為上半部分樁前受拉，下半部分樁后受拉，底部出現(xiàn)反彎點，最大彎矩84.8 kN·m。與單樁支擋相比，h型樁多段受力，荷載更加均勻化，最大彎矩有一定增加，但彎矩增加量不大，約15%。

圖17 采用h型支撐時樁身高度-位移曲線Fig.17 Height-displacement curve of pile height with h-type support

圖18 樁身高度-彎矩曲線Fig.18 Height-bending moment curve of pile height

可見h型樁能夠有效控制回填土和樁頂位移，結(jié)構(gòu)受力更均勻，是深填斜坡支擋中的一種優(yōu)選方案，但主副樁和橫梁連接處結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局部受拉，基樁與橫梁接觸位置需要進(jìn)行抗拉強(qiáng)度驗算，必要時增加配筋。

4 結(jié) 語

(1)進(jìn)行了斜坡基樁室內(nèi)模型試驗研究，獲得樁頂荷載-位移曲線。建立1∶1的數(shù)值模型，數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗結(jié)果接近，表明所建立的數(shù)值分析模型合理可靠。

(2)深填斜坡中回填土體內(nèi)摩擦角、樁身橫截面尺寸、填土厚度等對基樁的穩(wěn)定和變形控制影響顯著。

(3)回填深度較淺時，沿樁身的位移基本呈線彈性增長，最大位移位于樁頂；隨著回填深度的增加，樁身位移分布由直線型逐漸變?yōu)镾型，樁身最大位移由樁頂逐漸下移至回填區(qū)，回填土厚度越大，樁身受力越大。

(4)當(dāng)回填土材料的抗剪強(qiáng)度由小逐步提高時，能有效控制樁身變形，但當(dāng)回填土抗剪強(qiáng)度提高到一定值后，樁頂位移基本保持不變，提高回填土材料抗剪強(qiáng)度對控制樁身變形的作用有限。

(5)支護(hù)樁徑較小時，樁身呈S型變形，樁身最大位移位于回填區(qū)；增大樁徑時，樁身彎曲變形減小。但過分使用大直徑基樁反而使樁頂產(chǎn)生較大位移。

(6)針對深填斜坡，提出h型復(fù)合樁支護(hù)方案，h型樁能夠有效控制樁頂和樁身位移，且結(jié)構(gòu)受力均勻，是深填斜坡支擋優(yōu)選方案，但主副樁和橫梁連接處結(jié)構(gòu)復(fù)雜。