趙 迪，王俊杰，黃詩(shī)淵

(重慶交通大學(xué) 國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心， 重慶 400074)

碼頭陸域堆載對(duì)樁基的作用是典型的被動(dòng)樁[1-2]問(wèn)題，堆載作用引起土體的豎向沉降、豎向附加應(yīng)力，土體內(nèi)應(yīng)力重分布，產(chǎn)生水平側(cè)向附加應(yīng)力及水平的位移場(chǎng)。由于樁基的存在，兩者相互影響，土體內(nèi)出現(xiàn)遮簾效應(yīng)[3]與土拱效應(yīng)[4]，樁身受到土體的“擠壓”而產(chǎn)生一定的側(cè)向荷載及變形。該問(wèn)題較為復(fù)雜，若處理不當(dāng)，將會(huì)造成碼頭產(chǎn)生較大的受力變形而影響正常使用，甚至結(jié)構(gòu)破壞，如超載引起長(zhǎng)江下游某件雜貨碼頭相鄰引橋較大水平位移[5]，連云港基樁工程的傾斜及斷裂[6]。

針對(duì)堆載問(wèn)題引起的樁基受力變形問(wèn)題，抗滑樁[7]、橋梁樁基[8]、建筑樁基[9]及碼頭樁基均有學(xué)者研究，但是針對(duì)碼頭樁基的研究較少。近五年來(lái)主要有劉泓江[10]運(yùn)用C語(yǔ)言程序，組合運(yùn)算了包含堆貨荷載在內(nèi)的荷載進(jìn)行架空直立式碼頭結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，得到了最不利的荷載工況組合。葉晨茂[11]分析了“四跨五樁柱”架空直立式碼頭可能出現(xiàn)的包含貨場(chǎng)堆載在內(nèi)的荷載工況，并針對(duì)平面鋼架計(jì)算了不同的組合，提出了最不利荷載工況組合。王曉龍[12]通過(guò)物理模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析了岸坡土體為砂土及砂泥巖混合料時(shí)，堆載條件下單排架樁基的彎矩及軸力分布規(guī)律。周末等[13]通過(guò)FLAC3D探討了堆載過(guò)程中，分離卸荷式板樁碼頭樁基的受力變形特性，以及碼頭樁基結(jié)構(gòu)上土壓力的分布規(guī)律，并與原型觀測(cè)及離心模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了模擬方法的合理性。

綜上所述，陸域堆載對(duì)碼頭岸坡土體的穩(wěn)定性及應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生一定的影響，現(xiàn)有研究針對(duì)考慮堆載影響如何改變或影響框架碼頭樁基彎矩特性研究較少。因此，本文進(jìn)行不同陸域堆載荷載對(duì)樁體彎矩影響試驗(yàn)?zāi)M，設(shè)計(jì)13級(jí)不同堆載荷載，探究碼頭結(jié)構(gòu)段樁身彎矩的影響。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h2>

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用模型槽尺寸為4.0 m(長(zhǎng))×2.0 m(寬)×2.0 m(高)的自制港工結(jié)構(gòu)地基多功能實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)完成，在試驗(yàn)中框架碼頭樁基上貼128片BX120-5AA 型應(yīng)變片，為了測(cè)量計(jì)算樁基內(nèi)力，應(yīng)變片沿截面對(duì)稱布置。

1.2 試驗(yàn)材料

根據(jù)三峽庫(kù)區(qū)典型的地質(zhì)條件，填方材料通常采用砂泥巖混合料，根據(jù)對(duì)其抗剪強(qiáng)度[14]、變形[15]、水力梯度[16]等物理力學(xué)特性[17]的研究，本試驗(yàn)選取砂巖與泥巖質(zhì)量比8∶2拌和后填筑岸坡，測(cè)試其物理力學(xué)參數(shù)如表1所示?？蚣艽a頭選用Q235普通碳素鋼無(wú)縫鋼管進(jìn)行焊接模擬，鋼管壁厚δ=3 mm，外徑φ=89 mm，彈性模量約為E=2.04×1011Pa。

表1 砂泥巖混合料物理力學(xué)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)岸坡土體分層填筑并壓實(shí)，形成1 ∶2.6的穩(wěn)定邊坡，碼頭框架采用3榀排架，共計(jì)12根樁基焊接于模型槽底部，樁基編號(hào)如圖1所示。

1.4 陸域堆載方案

堆載采用自行研發(fā)的巖土地基相互作用模型試驗(yàn)系統(tǒng)中豎向加載系統(tǒng)分級(jí)加載完成，在豎向千斤頂下通過(guò)木板及鋼板形成墊層，將千斤頂所施加的荷載均勻分布到整個(gè)坡頂堆載區(qū)域，最大堆載荷載為325 kN，共分13級(jí)加載，每級(jí)荷載25 kN，加載之前先對(duì)應(yīng)變采集系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)平衡，讀取初始土壓力盒讀數(shù)，然后進(jìn)行分級(jí)加載，每級(jí)荷載加載完成后，待土壓力盒讀數(shù)及電阻應(yīng)變片數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行采樣。

2 模型試驗(yàn)結(jié)果

樁體的彎矩，以y軸負(fù)方向?yàn)?，正方向?yàn)?。試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀扇齻€(gè)排架結(jié)構(gòu)組成，其中兩側(cè)邊排架B與C結(jié)構(gòu)對(duì)稱，因此在中排架A及側(cè)排架B上布置應(yīng)變片測(cè)量其彎矩分布。

圖1試驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

2.1 中間排架A樁基彎矩

中間排架A在陸域堆載時(shí)的彎矩如圖2所示。

圖2陸域堆載時(shí)中排架A各樁彎矩圖

由圖2可知，陸域堆載對(duì)樁體彎矩有一定的影響，當(dāng)陸域堆載值較小時(shí)，樁上彎矩較小，沿著樁長(zhǎng)變化較小，而隨著陸域堆載值的增加，樁體的彎矩也逐漸增大，沿著樁長(zhǎng)方向分布差異性越大，以正彎矩為主，有少量的負(fù)彎矩；1#、2#、3#、4#樁最大彎矩發(fā)生位置分別為0.66 m、0.88 m、1.56 m及1.56 m高程，大小依次為0.944 kN·m、0.428 kN·m、0.310 kN·m、0.363 kN·m，分別為1#樁的100%、45.3%、32.8%、38.4%；說(shuō)明在排架結(jié)構(gòu)中最大彎矩發(fā)生在最后側(cè)樁位，其余樁位不超過(guò)其1/2。在設(shè)計(jì)配筋計(jì)算中需注意發(fā)生彎矩最大值的位置也從橫梁以下2/3橫梁到基巖面樁長(zhǎng)逐漸過(guò)渡到橫梁位置，主要為樁后受壓，樁前受拉。

2.2 中排架A彎矩與側(cè)排架B彎矩對(duì)比

繪制在堆載13級(jí)荷載時(shí)樁基承受最大彎矩時(shí)的分布曲線如圖3所示，進(jìn)行對(duì)比分析。

由圖3可知：5#、6#、7#、8#樁基上的彎矩分別分布規(guī)律與1#、2#、3#、4#樁基一致且略大，說(shuō)明側(cè)排架上樁基的彎矩更大。將各樁基在第13級(jí)荷載時(shí)樁上的彎矩最大值進(jìn)行比較，采用(側(cè)排架彎矩最大值-側(cè)排架彎矩最大值)/側(cè)排架彎矩最大值×100%作為對(duì)應(yīng)位置樁基彎矩最大值的偏差率，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖3陸域堆載13級(jí)時(shí)各樁彎矩對(duì)比圖

由表2可知：側(cè)排架彎矩與中排架彎矩偏差在10.448%～13.679%之間，分析其主要原因在于：(1) 排架結(jié)構(gòu)的排距為0.4 m，而側(cè)排架距模型箱側(cè)壁的距離為0.6 m，在承受荷載時(shí)，中間排架由于樁距較近，產(chǎn)生土拱作用與側(cè)排架一起承受來(lái)自土體的水平側(cè)向壓力，而在側(cè)排架上，來(lái)自模型箱邊壁一側(cè)的土壓力均由側(cè)排架承擔(dān); (2) 在填筑過(guò)程中，由于樁基的存在，使得填筑質(zhì)量控制不均勻。

表2 各樁彎矩最大值對(duì)比

2.3 樁身彎矩產(chǎn)生的機(jī)理分析

在陸域堆載時(shí)如何引起樁身上的彎矩呢？原因分析如下：岸坡土體在陸域堆載作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生豎向變形，土顆粒之間相互擠壓，產(chǎn)生水平側(cè)向變形及側(cè)向應(yīng)力，隨著陸域堆載值的不斷增大，這種水平附加應(yīng)力值也越大，引起的地基土體的變形就越大。但是碼頭框架結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，其變形較小，一方面在土體水平側(cè)向壓力傳遞過(guò)來(lái)時(shí)，會(huì)擠壓碼頭樁基，作用于水平荷載在樁基上，而樁基阻礙土體變形，對(duì)其變形起到約束作用，水平荷載作用下，樁基產(chǎn)生彎矩的作用；另一方面，土體沉降較大，但是樁前后土體沉降量存在差別，即存在側(cè)摩阻力的差別，使得樁基產(chǎn)生一定的彎矩作用。

綜上所述，陸域堆載引起碼頭樁基彎矩是岸坡土體內(nèi)水平側(cè)向土壓力及豎向的側(cè)摩阻力共同作用的結(jié)果。

3 側(cè)向土壓力作用下樁身彎矩分析

在試驗(yàn)中測(cè)試了樁前后的側(cè)向土壓力，并用兩者之差作為作用于樁基上的水平荷載，當(dāng)陸域堆載13級(jí)荷載時(shí)，作用于中排架A上的荷載大小如表3所示。

表3 陸域堆載13級(jí)時(shí)作用于中排架上的水平土壓力

將兩測(cè)點(diǎn)間的水平荷載作為直線荷載進(jìn)行簡(jiǎn)化，泥面處豎向附加應(yīng)力較小，而樁基底部受到模型槽底部約束無(wú)側(cè)向變形，因此將兩處水平荷載作為0 kPa，帶入排架中進(jìn)行超靜定結(jié)構(gòu)計(jì)算求解，得到1#樁基半理論求解值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比如圖4所示。

圖4陸域堆載13級(jí)時(shí)1#樁試驗(yàn)值與求解值對(duì)比

由圖4可知，在樁基0.85 m高程以上，試驗(yàn)值與求解值規(guī)律類似，大小相當(dāng)，但是在0.85 m高程以下，求解值較試驗(yàn)值而言，出現(xiàn)了較大的逆時(shí)針彎矩，偏差較大，分析其主要原因在于使用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行求解時(shí)，忽略了土體對(duì)樁基的豎向荷載及造成的彎矩，主要有兩點(diǎn)：

(1) 一是側(cè)向變形后會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩。在框架碼頭樁基承受土體傳遞來(lái)的水平推力后，有向前的位移，取單樁的變形放大進(jìn)行分析，如圖5所示，變形后的樁基不僅受到水平土壓力的作用，而且變形后的樁基上還有豎向土壓力的作用，堆載等引起的豎向壓力引起樁基彎矩為順時(shí)針?lè)较颍c水平荷載引起的逆時(shí)針?lè)较驈澗厥窍喾吹?，起到了相互抵消的作用，樁基的水平變形越大，越靠近樁基底部，豎向荷載越大，這部分作用產(chǎn)生的影響就越大。

(2) 二是側(cè)摩阻力的影響巨大。在承受陸域堆載后，豎向應(yīng)力增加，致使土體向下發(fā)生沉降而在樁上變形較小，產(chǎn)生側(cè)摩阻力的作用，并且在樁后側(cè)產(chǎn)生較大的變形，摩阻力較大，如圖6所示，在樁前受到樁的阻攔作用，土體的沉降變形是極小的，產(chǎn)生了較小的摩阻力，因此也會(huì)產(chǎn)生一順時(shí)針彎矩，抵抗水平荷載引起的樁底彎矩，從而減小樁底產(chǎn)生的彎矩值。

因此僅用水平向的土壓力荷載計(jì)算樁基的彎矩是不全面的，造成了截面較大的逆時(shí)針彎矩，該彎矩是順時(shí)針彎矩值的3倍多，并且拉壓方向產(chǎn)生變化，用此彎矩進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算及配筋會(huì)造成設(shè)計(jì)的極大浪費(fèi)，試驗(yàn)值更接近于實(shí)際情況。

圖5樁變形后豎向應(yīng)力產(chǎn)生彎矩機(jī)理圖

圖6側(cè)摩阻力造成樁基彎矩變化機(jī)理圖

4 結(jié) 論

文章對(duì)陸域堆載時(shí)框架碼頭樁基的彎矩進(jìn)行了大型物理模型試驗(yàn)，結(jié)果表明：

(1) 碼頭樁基的彎矩值隨著陸域堆載值的增加而增加，最大彎矩發(fā)生在最后側(cè)樁位，其余樁位不超過(guò)其1/2。在設(shè)計(jì)配筋計(jì)算中需注意發(fā)生彎矩最大值的位置也從橫梁以下2/3橫梁到基巖面樁長(zhǎng)逐漸過(guò)渡到橫梁位置，主要為樁后受壓，樁前受拉。

(2) 在陸域堆載過(guò)程中，引起樁基產(chǎn)生彎矩的主要原因有：土體水平側(cè)向應(yīng)力、土體樁側(cè)摩阻力。

(3) 僅考慮水平荷載作用引起樁基彎矩時(shí)，在較高樁位得到半理論解與試驗(yàn)值吻合較好，在靠近嵌固端則因?yàn)槲纯紤]樁側(cè)摩阻力引起的彎矩出現(xiàn)較大的偏差。