高樁碼頭接岸結構尺度對岸坡穩定性影響及其優化研究

張雯雯，別社安，余神光

（1. 天津大學 建筑工程學院，天津300072；2. 中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣州510230）

高樁碼頭是我國港口中應用最廣泛的碼頭結構型式之一［1］，適用于軟土層較厚，適合打樁的地基。高樁碼頭具有投資省、便于施工、使用和維護經驗豐富等特點，多年來一直是天津港地區的主導結構型式。重力式擋土墻接岸結構［2］是高樁碼頭接岸結構中最廣泛使用的一種，由斜坡堤、護面和堤頂的擋土墻結構等組成，有著施工簡單、耐久性好、不需要復雜的施工設備等優點，其缺點是碼頭岸坡較緩，寬度較大，導致碼頭后方承臺寬度大，造成工程投資不經濟。高樁碼頭的接岸結構和后方承臺一般占碼頭投資的30%～50%。所以如果在保證岸坡穩定的情況下，適當減少接岸結構的尺度，從而降低后方承臺的寬度，就可以提高碼頭的總利用率，減少碼頭結構的后期維護工作量，對節省工程投資具有重要意義。

1 高樁碼頭岸坡優化方法

針對邊坡穩定性計算［3］，與目前常用的極限平衡法相比，有限元方法適用性廣，可視性強，可以考慮土體的非線性本構關系以及變形對應力的影響，并有助于了解邊坡的漸進破壞機理。本文研究主要圍繞天津港高樁碼頭的岸坡整體穩定性問題，通過有限元強度折減法［4］（PLAXIS 軟件）對不同規模的高樁碼頭接岸結構的尺度和后方承臺寬度進行優化。

1.1 有限元建模假設

在使用PLAXIS 有限元軟件做數值模擬計算過程中，采用了如下假設：

（1）假設地下水位為設計低水位；

（2）不考慮高樁碼頭樁基對岸坡整體穩定性的影響；

（3）土體假設為勻質，地基初始應力產生僅與土坡自重有關；

（4）假設墻前淤泥的粘聚力隨深度增加而線性增加，具體參數詳見表1；

（5）為方便計算，將岸坡幾何模型簡化為二維平面應變問題進行處理。

1.2 有限元強度折減法介紹

有限元強度折減法是指將土體的強度參數C 和φ 同時除以一個折減系數F，得到一組新的C′和φ′，然后再對邊坡進行有限元分析，通過不斷增大折減系數使邊坡達到臨界破壞狀態，把此時的折減系數作為安全系數。對M-C 材料，折減系數可表示為

式中：c 為土體的粘聚力；φ 為土體的內摩擦角；F 為強度折減系數；c′、φ′分別為折減后的強度參數。

1999 年，美國科羅拉多礦業學院Griffith［5］等人采用有限元強度折減法與傳統方法得到的穩定安全系數進行比較，結果比較接近。根據對比計算結果［6］，有限元算法結果與規范中的簡單條分法的結果存在較小的差異，如依據目前規范的規定，若將有限元計算出的岸坡整體穩定結果用于工程實際，按95%置信度考量，其安全系數需進行10%的折減，即有限元得出的安全系數在1.1 以上為安全。

1.3 有限元中邊坡破壞的判定依據

采用有限元強度折減法分析岸坡的一個關鍵性的問題是如何根據計算結果來判別岸坡是否處于整體破壞狀態。目前主要的判斷邊坡失穩的判據［7］主要有以下幾種：

（1）以有限元數值計算的不收斂性作為岸坡失穩標志；

（2）以岸坡特征部位位移的突變臨界點作為失穩標志；

（3）以塑性區從坡腳到坡肩的貫通作為失穩標志。

目前相關研究對采用何種標準尚未取得統一，但是目前多以塑性區的貫通［8］作為標準。

2 高樁碼頭岸坡尺寸優化

2.1 建立初始模型

本文將運用PLAXIS 有限元軟件，采用其中的Mohr-Coulomb 模型，分別針對天津港5 萬t 和10 萬t 級散雜貨高樁碼頭，建立高樁碼頭岸坡的數值模分析模型，接岸結構為重力式擋土墻型式，碼頭-岸坡斷面示意圖如圖1 所示，土體主要參數見表1，有限元計算結果位移云圖如圖2 所示。以下10 萬t 級散雜貨碼頭為例進行優化。

表1 地質參數Tab.1 Geological parameters

2.2 擋土墻高度h 和擋土墻寬度b 對岸坡穩定性的影響

為了探究重力式擋土墻尺寸對岸坡整體穩定性的影響，進行如下分析：

選取10 萬t 級散雜貨碼頭岸坡，針對坡比1:3、坡肩寬度48 m 的岸坡尺寸，在4 種不同坡肩泥面高程（+1.0 m、0 m、-1.0 m、-4.0 m）情況下，分別改變擋土墻的寬度、高度，研究擋土墻的尺寸對岸坡穩定安全系數的影響。另外為排除固定坡比和坡肩寬度的影響，另選擇坡比1:2.5、坡肩寬度30 m 的岸坡尺寸，在坡肩泥面高程+1.0 m 的情況下予以驗證。

由計算結果表2、表3 可知，對于高樁碼頭的接岸結構，在其他條件不變情況下，改變擋土墻高度h 或擋土墻寬度b，對碼頭岸坡穩定安全系數的影響不大。因此遵循既滿足擋土墻自身抗滑、抗傾穩定性要求，又滿足工程造價最低的原則，可得到10 萬t 級散雜貨高樁碼頭重力式擋土墻接岸結構最優擋土墻尺寸（如表4所示）。

表2 坡比1:3、坡肩寬度48 m 方案下，不同泥面下擋土墻尺寸對岸坡整體穩定性的影響Tab.2 Effect of retaining wall scale on stability of the whole bank in different mud surface with 1:3 slope ratio and 48 m slope shoulder width m

表3 坡比1:2.5、坡肩寬度30 m 方案下，+1 m 泥面下擋土墻尺寸對岸坡整體穩定性的影響Tab.3 Effect of retaining wall scale on stability of the whole bank in +1 m mud surface with 1:2.5 slope ratio and 30 m slope shoulder width m

表4 10 萬t 級散雜貨高樁碼頭不同坡肩泥面高程下最優擋土墻尺寸Tab.4 Optimal retaining wall scale of 1million-ton bulk cargo high piled wharf m

2.3 坡肩寬度B 對岸坡穩定安全系數的影響

高樁碼頭岸坡肩寬度B，對于碼頭岸坡穩定性具有重要影響。對坡肩寬度進行優化研究，對于減少碼頭岸坡寬度L 和縮減后方承臺造價具有重要意義。選取10 萬t 級散雜貨碼頭岸坡，分別在坡比1:3 情況下改變坡肩寬度，在4 種不同坡肩泥面高程（+1.0 m、0 m、-1.0 m、-4.0 m）情況下，研究坡肩寬度B 對岸坡穩定安全系數的影響。計算結果（表5）表明，隨著坡肩寬度B 的減小，岸坡穩定安全系數也在不斷減小。

2.4 岸坡坡比對岸坡穩定安全系數的影響

作為高樁碼頭岸坡特征尺度之一的岸坡坡比，對于碼頭岸坡整體穩定性也具有重要影響，合理的岸坡坡比可以減少碼頭岸坡寬度L，從而降低后方承臺的寬度及造價。選取10 萬t 級散雜貨高樁碼頭，分別在給定的坡肩寬度B 情況下，改變岸坡坡比，在4 種不同坡肩泥面高程（+1.0 m、0 m、-1.0 m、-4.0 m）情況下，研究岸坡坡比對岸坡穩定安全系數的影響。計算得出各種情況下的碼頭岸坡穩定安全系數。計算結果（表5）表明，隨著坡比的增大，岸坡穩定安全系數在不斷減小；隨著坡肩寬度的減小，岸坡穩定安全系數的減小更加明顯。

表5 岸坡尺寸對岸坡穩定性影響Tab.5 Effect of bank scale on bank slope stability

2.5 岸坡優化結果

綜上所述，針對重力式擋土墻接岸結構的碼頭岸坡，擋土墻的尺寸變化對于碼頭岸坡優化的作用不明顯，因此擋土墻尺寸根據自身穩定性得出。而岸坡穩定安全系數隨著坡肩寬度B 的減小、坡比的增大，而不斷減小。

因此，可以得出10 萬t 級散雜貨高樁碼頭不同泥面下的最優岸坡斷面尺寸，及相對原始泥面設計下節約的工程造價(已包括挖泥造價)，同理，也可計算出5 萬t 級散雜貨高樁碼頭不同泥面下的最優岸坡斷面尺寸，及相對原始泥面設計下節約的工程造（表6），不難看出，適當地增加挖泥深度，增大擋土墻前后泥面高差，雖然相對于原始泥面增加了挖泥的工程量，但后方承臺寬度的縮減所減少的造價足以彌補挖泥所多出的造價。但前方泥面也不宜太低，從表6 中不難看出，10 萬t 級散雜貨高樁碼頭-1.0 m 與-4 m 相比節約的造價并沒有變化太多，因此依據工程量比較，10 萬t 級散雜貨高樁碼頭的較適宜泥面為-1.0 m。同理可以看出5萬t 級散雜貨高樁碼頭的較適宜泥面為0 m。

表6 高樁碼頭重力式擋土墻接岸結構優化Tab.6 Optimization of gravity retaining wall shore-connecting structure of high piled wharf m

3 結論

（1）基于PLAXIS 的有限元強度折減法對高樁碼頭岸坡穩定性的判別和優化具有可視性強，便于觀察應力與破壞機理等優點。

（2）基于PLAXIS 的碼頭接岸結構岸坡優化結果表明，在保證岸坡穩定的前提下，適當加大擋土墻前后泥面高差，可以減小岸坡坡肩寬度和岸坡坡比，有效減小后方承臺的寬度，從而達到節省工程投資的目的，并且在使用階段提高了碼頭的總利用率，減少了碼頭結構的后期維護工作量。

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