吳志龍，魯盛

（中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100007）

0 引言

確定單樁軸向承載力時，按承載力經(jīng)驗參數(shù)法計算的結(jié)果和現(xiàn)場試驗檢測結(jié)果往往存在一定的差距，這主要是由于在基礎(chǔ)范圍內(nèi)各樁位的土質(zhì)遠(yuǎn)非勘探資料所能詳盡無遺地加以描述的，各樁位土質(zhì)也不盡相同，因此計算中所選用的土體力學(xué)參數(shù)不能完全代表實際情況。碼頭樁基承載力的變化會直接影響到樁基軸向剛性系數(shù)的變化，從而直接影響到上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化。在傳統(tǒng)內(nèi)力分析計算中，通常將樁基承臺梁簡化為彈性連續(xù)梁，忽視了樁剛性系數(shù)離散性對結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布的影響，導(dǎo)致計算結(jié)果與實際情況存在較大差異。為了研究樁基軸向剛性系數(shù)變化對橫梁內(nèi)力的影響，本文首先通過對典型港區(qū)的試樁資料進(jìn)行分析，研究樁基承載力試樁值與計算值之間的差異，然后據(jù)此變化幅度，利用STAAD軟件針對某一碼頭工程橫向排架，對上部橫梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行影響性分析[1-3]，為類似高樁碼頭工程設(shè)計提供參考。

1 樁基軸向剛性系數(shù)

樁的軸向剛性系數(shù)即樁頂軸向單位變形所需的軸向力。通常有兩種方法確定樁的軸向剛性系數(shù)：一是通過靜載荷試驗獲得樁頂荷載與樁頂沉降的關(guān)系曲線，即Q-S曲線，根據(jù)該曲線求得軸向剛性系數(shù)；二是通過經(jīng)驗公式確定[4]：1/K=Lo/（EpAp）+1/C，其中Lo為樁在計算泥面以上長度；Ep與Ap分別為樁材料的彈性模量與樁身橫截面面積；C=（115～145）Qud，Qud為單樁垂直極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，由公式可知，單樁承載力的變化必然導(dǎo)致軸向剛性系數(shù)的變化。工程實施前，往往都會通過試樁試驗對設(shè)計樁基承載力進(jìn)行校驗，但由于土層分布及土體力學(xué)特性在不同區(qū)域的差異性，個別試樁試驗并不能完全代表工程區(qū)域所有樁基的實際情況。因此，在設(shè)計過程中，為了確保結(jié)構(gòu)安全，軸向剛性系數(shù)的變化對上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響不容忽視。

2 試樁資料分析

通過對曹妃甸、黃驊地區(qū)典型碼頭樁基的試樁資料進(jìn)行分析[5-7]，找出樁基承載力試樁值與計算值之間的差異，為研究軸向剛性系數(shù)對上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響提供一定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。各地區(qū)試樁Q-S的關(guān)系曲線結(jié)果詳見圖1。

圖1 試樁Q-S曲線Fig.1 Test pile Q-S curve

試樁結(jié)果與理論計算值對比結(jié)果詳見表1。

表1 試樁結(jié)果與理論計算值對比結(jié)果Table 1 Comparison between experimental resultsand theoretical calculation results

通過對試樁資料分析可知，不同地區(qū)的樁基承載力試樁值和計算值之間都存在一定的差異，變化范圍約在0.88～1.09之間。

3 碼頭橫向排架數(shù)值分析

為了進(jìn)一步研究碼頭樁基軸向剛性系數(shù)離散性對上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，本文擬利用STAAD軟件對黃驊港四期碼頭工程橫向排架進(jìn)行計算分析，找出不同樁基軸向剛性系數(shù)組合對上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算結(jié)果的影響。

3.1 工程概況

本工程水工建筑物采用順岸式布置，碼頭和后方陸域采用引橋連接。碼頭長310 m，寬25 m，碼頭前沿設(shè)計底高程為-14.0 m，碼頭面高程為6.3 m，樁基采用650 mm×650 mm鋼筋混凝土預(yù)應(yīng)力空心方樁，碼頭結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面詳見圖2。

圖2 碼頭結(jié)構(gòu)斷面示意圖Fig.2 Section diagram of wharf structure

3.2 模型建立

利用STAAD軟件建立橫向排架平面模型，橫梁采用矩形截面梁單元，寬1.2 m，高2.56 m，材料為C40混凝土，彈性模量3.25×107kN/m2，泊松比0.167，密度2 500 kg/m3。樁基對上部結(jié)構(gòu)的約束作用采用固支釋放支座模擬，定義支座彈簧系數(shù)（樁基軸向剛性系數(shù)），模擬樁基壓縮變形，簡化后的排架模型如圖3所示。

圖3 橫向排架簡化模型Fig.3 Simplified model of transverse frame

3.3 數(shù)值模擬分析

利用本工程地質(zhì)勘察報告[8]中各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，根據(jù)JTS 167-4—2012《港口工程樁基規(guī)范》，計算出各個鉆孔處單樁軸向抗壓承載力，結(jié)果顯示承載力標(biāo)準(zhǔn)值的平均值約為6 400 kN；結(jié)合試樁資料分析的結(jié)論，可知樁基承載力變化范圍為5 400～7 000 kN。故擬對3種樁基承載力變幅進(jìn)行數(shù)值模擬分析，詳見表2，其中100%對應(yīng)的工況即為標(biāo)準(zhǔn)工況。

根據(jù)JTS 167-6—2010《高樁碼頭設(shè)計與施工規(guī)范》中公式3.3.11計算單樁軸向剛性系數(shù)；對叉樁軸向剛性系數(shù)計算公式[9]如下：

式中：Cmv為叉樁剛性系數(shù)；αm、α′m分別為叉樁中兩根樁軸線與垂線的夾角，（°），皆取正值；CeNm、CeNm′分別為叉樁中兩根樁的軸向剛性系數(shù)，kN/m。

為充分模擬樁基軸向剛性系數(shù)離散性對梁內(nèi)力的影響，擬對圖3所示5個支座的樁基承載力不同變幅情況設(shè)定6種模擬工況，詳見表3，對應(yīng)的支座剛性系數(shù)計算結(jié)果詳見表4。

表2 樁基承載力變幅Table 2 Variable amplitude of bearing capacity of pile foundation

表3 模擬工況Table3 Simulation condition%

表4 支座剛性系數(shù)Table 4 Stiffnesscoefficient of support 105 kN·m-1

利用STAAD軟件對上述各個工況進(jìn)行計算，得到不同工況下的橫梁內(nèi)力，其中梁的最大正負(fù)彎矩及最大剪力計算對比結(jié)果見表5。

表5 橫梁內(nèi)力計算結(jié)果Table 5 Calculation result of beam internal force

由表5可知，隨著樁基承載力的變化，正彎矩變化率為-6.23%～6.76%，變幅為12.99%；負(fù)彎矩變化率為-13.68%～12.47%，變幅為26.15%；剪力變化率為-4.64%～4.60%，變幅為9.24%。梁內(nèi)力的極值均未出現(xiàn)在海陸兩側(cè)樁基承載力變幅相同的情況下（工況1/工況2），由此可知此情況下得到的梁內(nèi)力只能反映一個平均水平，并沒有將極值包含進(jìn)去。

4 結(jié)語

碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)分項系數(shù)、安全系數(shù)、組合系數(shù)等數(shù)值的選取中包含了計算模型的簡化、材料的離散、施工工藝誤差等綜合性因素。本文利用典型港區(qū)試樁資料，通過對工程區(qū)域地質(zhì)土層的不均勻性、計算模型的可代表性分析可知，樁基承載力不同變幅導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力變幅約在9%～27%之間。該分析研究結(jié)論可為類似工程設(shè)計提供一定的參考，同時建議設(shè)計人員應(yīng)重視對各設(shè)計參數(shù)的理解與分析。