高樁碼頭體系被動樁特性分析

張 青

(大連交通大學土木與安全工程學院，遼寧大連 116000)

1 概述

在碼頭實際工程中，停靠船舶需要必須的水深，而碼頭后方須與陸地交通相聯，因此必須對碼頭前方進行開挖，并把其后方進行回填來滿足此要求。這種前挖后填的施工方式必然引起天然岸坡的原有平衡狀態的破壞，產生岸坡變形，進而使碼頭樁基的正常使用受到不良影響。在這種情況之下，除承受面板傳來的使用荷載外，碼頭樁基還承受變形邊坡施加的土壓力作用，其受力狀態非常之復雜。常見由于沒有處理好邊坡與碼頭共同作用問題而發生的斷樁、裂樁、側移過大等問題，嚴重影響了碼頭的正常使用。對于高樁碼頭而言，岸坡變形導致樁側受到土壓力，且難以確定其分布方式，又由于土體變形受樁的數量、形狀、布置等條件的制約，所以，要分析其受力狀態，就需將碼頭和岸坡體系看成一個整體來考慮［2-5］。

故而考慮到地基土彈塑性特性、樁土接觸界面非連續性、樁土共同作用，本文建立了高樁碼頭與岸坡體系的有限元模型，研究在岸坡變形的作用下碼頭結構的工作性狀。

2 高樁碼頭與岸坡相互作用體系被動樁特性分析

本文參照一工程概況，建立了高樁碼頭與岸坡相互作用體系有限元模型，考慮樁土共同作用，采用Mohr-Coulomb本構模型描述地基土的彈塑性性質，并通過設置Coulomb接觸對來模擬樁土接觸非線性。地基土的土層參數指標如表1所示。有限元分析模型如圖1所示。

表1 土層的力學參數

圖1 碼頭與岸坡體系有限元模型

碼頭岸坡在無樁參與和有樁參與兩種模式下的水平位移分布見圖2。不難看出，無樁模式中，在擋土墻前方一定深度處產生最大側移，有樁模式中，側移最大值的分布位置在坡腳位置。相對于無樁模式，有樁模式最大水平位移處的土體側移明顯減小，樁體的參與使碼頭岸坡的水平位移重新分布，阻礙了碼頭岸坡側移的遮簾作用。由于邊坡側移出現，基樁將受到不平衡土壓力的作用，從而導致樁體產生附加內力。

圖2 碼頭體系水平位移分布情況

圖3為碼頭岸坡在無樁和有樁兩種模式下的等效塑性應變分布。不難看出，無樁模式中有明顯的潛在滑動面存在，并且在擋土墻正下方一定位置和墻趾處的塑性區很明顯。在樁基參與的情況下，塑性區的分布位置以及形式明顯變化，具體表現為坡腳處出現了最大塑性變形，塑性區的分布范圍明顯減小。顯然，樁基起到了阻止滑動面產生的抗滑作用，從而樁體在滑動面位置處將存在土體剪切作用。

圖3 碼頭體系等效塑性應變分布情況

圖4為群樁樁身兩側土壓力分布。不難看出，樁身兩側的土壓力分布曲線都呈現出兩頭小、中間大的形式。對比樁土體系等效塑性應變分布圖可見，塑性應變較大處，樁身土壓力也較大，顯然此處的樁土相互作用較強。由于樁身兩側的土壓力大小、分布不一致，分析其受力條件知，存在的土壓力差將使樁體產生彎矩和剪力。尤以岸坡后右邊樁的土壓力差異最為明顯，這是因為此處岸坡土體變形最大，從而導致樁土相互作用程度較強。

圖5為群樁向海側的位移分布。可見各樁身水平位移分布形式均表現為沿樁身逐漸增大，在樁頂處達到最大值。左邊樁的側移較大，而其他樁的側移大小和分布基本相同。群樁頂部與碼頭面板整體相連，故樁頂位移一致，又因左邊樁相對側移最大，從而結構排架將向海側傾斜。

圖4 群樁樁側不平衡土壓力分布圖

圖5 群樁樁身水平位移分布

群樁軸力分布見圖6。因高樁碼頭結構朝海側傾斜，群樁軸力由左到右有了顯著調整，即前方樁基受壓，后方樁基受拉，形成受拉區域。右邊樁樁基軸力曲線上存在一個中性點，從中性點往下樁基受壓，中性點往上樁基受拉。碼頭樁基因結構前傾而使得后方樁基出現受拉現象，顯然對碼頭的安全不利。這與前述樁身側移現象相一致。

群樁樁基彎矩分布形式如圖7所示。不難看出，邊樁彎矩沿樁身先增大后減小，其最大值在樁身中部出現，其他樁的彎矩變化規律均表現為沿樁身逐漸增大，樁頂處最大。這與前述樁側不平衡土壓力的分布現象對應。從各樁彎矩具體數值可見，岸坡變形導致的樁基彎矩不可忽視。產生的附加彎矩易使混凝土開裂，威脅碼頭安全，在實際工程中應注重這些部位的抗彎保護。

如圖8所示為碼頭面板內力分布情況。從圖中可見，碼頭面板內力和彎矩分布呈鋸齒狀。內力在樁頂與碼頭面板連接處發生突變，其值較大。在相應連接處，面板后方受壓、前方受拉。面板彎矩分布曲線不對稱，而是呈現向海側傾斜的趨勢，彎矩最大值產生在連接坡前邊樁的地方，這是因為樁排架向海側傾斜致碼頭面板內力向海側調整。受岸坡變形影響，碼頭面板中產生的內力更大。

圖6 群樁樁身軸力分布

圖7 群樁樁身彎矩分布情況

圖8 碼頭面板內力分布情況

3 結論

通過彈塑性有限元數值計算分析，針對岸坡變形作用下高樁碼頭的工作性狀進行了分析與討論，得到如下結論:

1)岸坡側向變形將會導致碼頭結構產生較大的側移和內力，設計中應予以考慮。2)岸坡側向變形導致碼頭結構前傾，使得結構側移和產生附加內力。其中碼頭樁基側移沿樁身呈逐漸增大的分布形式，并在樁頂處達到最大值;樁基軸力表現出明顯的向海側調整過程，主要表現為坡前邊樁承受較大壓力，坡后邊樁受拉，最大拉力出現在樁頂處;坡后邊樁彎矩沿樁體先增大后減小，其他樁基彎矩沿樁身呈現逐漸增大的變化趨勢，在樁頂處達到最大值;碼頭面板內力呈現鋸齒狀分布，其中面板與樁頂連接處為內力最值分布位置，碼頭面板前方相應位置受拉，后方受壓，彎矩分布呈向海側傾斜形狀。

［1］劉文平，鄭穎人，雷 用，等.遮簾式板樁碼頭結構有限元數值分析［J］.巖土工程學報，2010，1(32):135-141.

［2］魏汝龍，王年香，楊守華.樁基碼頭與岸坡的相互作用［J］.巖土工程學報，1992，6(14):38-50.

［3］王年香.被動樁與土體相互作用研究綜述［J］.南京水利科學研究院學報，2000(3):69-76.

［4］王炳煌.高樁碼頭設計與施工規范介紹［J］.水運工程，2001(11):56-63.

［5］祝振宇，王元戰，李越松，等.高樁碼頭—岸坡相互作用有限元數值模擬［J］.中國港灣建設，2006(2):1-4.

［6］Mageau DW，Chin KH.Finite Element Modeling of New Marine Terminal at the Port of Tacoma［J］.Journal of waterway，Port，Coastal，and Ocean Engineering，2001(8):1-10.

［7］Nason J McCullough，Stephen E Dickenson.The Behavior of Piles in Sloping Rock Fill at Marginal Wharves［C］.Proceedings of ASCE Ports Conference，2004，Houston，Texas，2004.

［8］姚文娟，高 敏，程澤坤，等.邊載作用下高樁碼頭樁基承載力性能及加固研究［J］.水運工程，2010(11):66-70.

［9］郝 芹.梁板式高樁碼頭三維數值計算分析［J］.水運工程，2008(11):112-115.

［10］曾慶敦，朱興元，林 慰，等.高樁碼頭承載能力的有限元分析［J］.中山大學學報，2008，2(47):126-130.

［11］劉茲勝，卓 楊，時蓓玲，等.高樁碼頭樁基在傾斜泥面中的水平承載性能研究［J］.巖土工程學報，2010，12(32):1861-1867.

［12］王幼青，張克緒，朱騰明.樁—承臺—地基土相互作用試驗研究［J］.哈爾濱建筑大學學報，1998，31(2):31-37.

［13］喬保娟，劉天蘋，李世海，等.有限元在高樁碼頭岸坡穩定性分析中的應用［J］.水運工程，2011(6):61-76.

［14］陳 平，袁孟全.高樁碼頭位移原因分析及其預防措施［J］.中國港灣建設，2006(6):7-10.

［15］王婷婷，陳振民，何文欽.高樁梁板碼頭結構設計中的空間有限元分析［J］.水運工程，2009(7):118-123.