軟土地基上碼頭岸坡穩定主要影響因素機理研究

李建華

（云南水運規劃設計研究院，云南 昆明 650051）

軟土地基上碼頭岸坡穩定主要影響因素機理研究

李建華

（云南水運規劃設計研究院，云南 昆明 650051）

隨著我國經濟水平迅猛發展，碼頭數量日趨增加，由于河道、海灘岸線資源有限，越來越多的碼頭建立在地基土中有軟土組成的區域。由于軟土地基物理性能差，承載力與抗剪抗壓強度低，必須要經過特殊處理才能滿足正常碼頭使用要求。本文在以往工程實踐經驗以及諸多專家學者研究探討的基礎上，以江蘇連云港燕尾港碼頭工程為實際案例，借助PLAXIS有限元計算軟件以及實測數據，對軟土地區碼頭岸坡穩定的一些影響因素展開了細致的研究工作，得出了相應的結論，具有十分重要的理論意義與工程價值。

軟土地基；連云港燕尾港；PLAXIS有限元計算軟件；影響機理

0 前言

隨著現代工業化浪潮以及水運成本低廉的明顯優勢，進出口貿易對港口碼頭的依賴性越來越強，同時碼頭的建立建設是港口發展的重要結構基礎，隨著相關部門、企業對水運行業的高度重視，大量水運碼頭林立而起，碼頭建設用地極為緊張，越來越多的新建碼頭建在地基承載力較差的區域，同時，內河、海洋沿岸又是軟土地基集中的區域，軟土分布較為密集，要在軟土地基上修建碼頭，岸坡的穩定是項目開展首先需要落實解決的問題。在以往的工程經驗中，常常出現因為軟土地基承載能力缺陷而導致的土體變形與不均勻沉降，進而導致結構物、承載樁臺的變形與裂縫，影響碼頭工程的穩定運行和正常使用。據統計，近幾年我國國內就已經發生過多次因軟土地基碼頭岸坡失穩而引起的工程質量事故，造成了重大的人員傷亡與經濟損失，可見就軟土地基的特性，對岸坡受力展開分析，提出科學合理的保證岸坡穩定的工程措施是一個具有十分重要的研究意義。本文以江蘇連云港燕尾港區某碼頭作為實例研究對象，借助PLAXIS有限元計算軟件以及實測數據，對影響軟土地區碼頭穩定的一些影響因素展開了細致的研究工作。

1 項目概況

本章將結合連云港港疏港碼頭工程，對工程中三個項目A、B、C進行具體分析。其中，項目A為圍堤附近的地基處理工程，該處理工程可分為 195m×150m、195m×150m、160m×150m 以及 160m×150m 共計四個區域，分別標識為 A1、A2、A3、A4，總面積約 10.50萬 m3。 項目B為A3、A4區圍堤對岸的高樁碼頭工程，其岸線長度約310m。項目C為A1、A2區圍堤對岸的高樁梁板式碼頭工程，其岸線長度約390m，右側與項目B相鄰。

2 施工方案

工程項目B與工程項目C具有相同的碼頭結構形式，施工工藝大致相同，因此在本文中就一起進行描述，這兩個項目的施工順序主要包括以下步驟：

（1）邊坡開挖的施工。

在該階段，主要按照設計邊坡要求（坡長和坡腳），對碼頭邊坡進行開挖。在開挖工程中，必須保證所有開挖點的挖深不超過設計最大允許值（400mm），同時，為減小在邊坡開挖過程中因應力驟變產生的邊坡土體錯位、崩塌，因此可采用分層開挖、邊中結合等施工方法，盡量保證碼頭邊坡的結構安全穩定性。

（2）混凝土方樁的施工。

在該過程中，首先采用GPS定位儀對樁基施工坐標進行測設，然后進行方樁施工。本工程項目B的施工方樁型號為550*550mm方樁，工程項目C的施工方樁型號為580*580mm方樁，在打樁過程中，要在樁體的四個角（四個角對角線相互交叉呈90°）設立4臺經緯儀，同時在樁頭處（樁頭受外力處，即地面上端處）設立豎直鉛垂陀螺，以保證方樁的施工始終沿著豎直方向，根據設計要求，施工向與豎直向的夾角最大不能超過2.5°。

3 數模計算與分析

3.1 土體的水平位移

將B、C兩個項目碼頭工程在施工期內的土體累計水平位移結果云圖分別繪于圖1。圖中，正方向為迎水面方向。

圖1 B、C項目碼頭工程在施工期內累計水平位移計算結果云圖Fig.1 Project wharf B and project wharf C in construction period,the cumulative horizontal displacement cloud computing results

從圖1(a)和圖2(b)對比分析可知，在整個施工期內，B項目碼頭工程受對岸陸域大堆積荷載的作用，最大累計水平位移大概有240mm，產生水平位移最大的區域主要分布在碼頭岸坡地基中的淤泥層，并隨著深度增加、土質變好土質理化性能增強而逐漸減小，而C項目碼頭工程則無后方堆載影響，最大累計水平位移也僅有200mm左右，遠小于其他條件相同下的B項目碼頭工程。進一步對比分析可知，B、C兩個項目碼頭工程在施工期內的累計水平位移分布基本一致，僅僅是因為堆載不同而引起。

由于B項目碼頭工程先后有后方堆載以及邊坡開挖兩個工序，為進一步分析這兩個工序的具體影響，將這兩個工序完成后的碼頭累計水平位移計算結果云圖依次繪于圖2。

圖2 B、C項目碼頭工程在堆載期間累計水平位移計算結果云圖Fig.2 Project wharf B and project wharf C during heap load cumulative horizontal displacement cloud computing results

對比圖2(a)和圖3(b)可知，在堆載過程中，B項目碼頭工程的岸坡土體水平位移已經達到了120mm，在邊坡開挖破壞了土體結構后，變形就明顯傾向于迎水面側發展，并連鎖導致岸坡與樁基的變形甚至移位，降低了岸坡的穩定性。

3.2 土體內孔隙水壓力的變化

前文已分析過，土體在打樁過程中在外力作用下體積發生突變，土體內的孔隙水來不及排出而產生超孔隙水壓力，在整個地基土體總應力不變的情況下大幅減小土體的有效應力，本節通過PLAXIS有限元計算軟件分析計算打樁過程中碼頭岸坡孔隙水壓力的變化情況，將樁基在打入土體內瞬間的岸坡斷面孔隙水壓力分布云圖點繪于圖3。

圖3 樁基打入土體瞬間碼頭岸坡斷面孔隙水壓力分布云圖Fig.3 Pile foundation soil into the instant wharfs of pore water pressure distribution nephogram

取岸坡表層點（B點）和樁基上中間點（C點）作為特征點，將這兩點在打樁作用時間內的孔隙水壓力變化過程曲線圖點繪于圖4。

圖4 打樁作用時間內兩特征點的孔隙水壓力變化過程曲線圖Fig.4 Pile driving effect period,two feature points of the pore water pressure change process graph

在圖4中，縱軸表示總孔隙水壓力，正值代表正常情況下的土體孔隙水壓力，負值則表示打樁過程中產生的超孔隙水壓力。分析上圖可得出以下結論：

（1）在打樁過程中，外力作用時間內，B、C點都產生了較大的瞬時超孔隙水壓力，其中B點的超孔壓最大可達-420kPa，而C點的超孔壓最大則可達-910kPa，隨著與樁體距離逐漸增大，外力逐漸消散，土體中的超孔隙水壓力逐漸變為正常值。

（2）進一步分析可知，可知每次打樁的單次時間在1.2s左右，其中，打樁振動的時間持續約0.15s，在這段時間內土體受外力作用劇烈變形，孔隙水壓力急劇增大，超孔壓值波動明顯，而自由振動時間約為1.05s左右，此時外力作用逐漸消散，超孔壓值趨于穩定。

（3）根據工程經驗與以往研究分析，打樁時受影響的距離一般在10m至15m范圍內變化，隨著與打樁點絕對距離的增加，振動加速度會呈衰減趨勢。由圖5對比分析可知，岸坡上土體離打樁點距離約10m左右，其感受到的振幅已明顯減弱。

（4）隨著打樁點距離的增加，振動變化的時間逐漸滯后。

4 結論

本文針對軟土地基碼頭岸坡穩定影響機理，以江蘇連云港燕尾港實例碼頭，結合PLAXIS有限元計算軟件以及實測數據,對相關影響機理做了大量研究，得出以下結論：

（1）對軟土地區碼頭岸坡來說，打樁對岸坡穩定性十分不利，根據實際數據監測結果以及有限元數模模擬計算，在打樁過程中，樁體中點處土體的孔隙水壓力可由正常情況下的250 kPa驟升至-910kPa的超孔壓，而岸坡表層的孔隙水壓力變化值則從0 kPa升至-420kPa，可見隨著離打樁點距離增大，外力逐漸消散，孔隙水壓力逐漸恢復正常。同時，隨著打樁點距離的增加，振動變化的時間也出現逐漸滯后的情況。

（2）邊坡開挖對軟土地區碼頭岸坡的穩定性十分不利，根據PLAXIS有限元計算軟件建模分析結果，在邊坡開挖過程中，整個碼頭岸坡斷面平均水平位移為19.2mm，最大累計位移可達120.8mm，可見邊坡開挖會破壞土體結構，并導致變形明顯傾向于迎水面側發展，并連鎖導致岸坡與樁基的變形甚至移位，降低了岸坡的穩定性。

（3）在通常情況下，軟土邊坡滑動面在剪切應力達到滑移破壞前都會產生塑性變形，為防止這一工程事故發生帶來的巨大損害，必須及時進行岸坡穩定監測，尤其是在邊坡開挖、打樁、后方超堆載等不利作業情況下。

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On the Soft Soil Foundation of the Main Factors that Influence the Stability Mechanism Wharfs

LI Jian-hua
(Yunnan Water Transportation Planning and Design Institute,Kunming Yunnan 650051,China)

Along with our country economy fast development,the port number increased,due to the river,beaches,.,a growing number of wharf built on the foundation soil in soft soil area.Due to poor physical properties of soft soil foundation,bearing capacity and shear compressive strength is low,must pass through special processing to meet the requirements of normal use terminal.Based on the previous engineering experience,and many experts and scholars,on the basis of research in jiangsu lianyungang dovetail port wharf engineering for the actual cases,using PLAXIS finite element calculation software and the measured data,to some influence factors to the stability of wharfs in soft soil area carried out detailed research work,the corresponding conclusion,has important theoretical meaning and engineering value.

Soft soil foundation;Lianyungang Yanwei port;PLAXIS finite element calculation software;Influence mechanism

李建華（1976—），男，云南大理人，本科,工程師，主要從事港口航道、巖土工程的設計研究工作。

湯靜］