后方超載作用下鋼板樁碼頭變形處理措施

肖玉芳

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

鋼板樁碼頭結構具有節能、環保、擋土性好、有效減少土方開挖、施工速度快等優點。隨著港口的發展，碼頭結構形式呈多樣化，鋼板樁結構在港口工程中也被廣泛運用，但鋼板樁碼頭在使用不當情況下，后方土體因超載發生變形對碼頭結構的影響不容忽視，特別是在軟土區更加明顯。碼頭后方在超載作用下，土體會產生顯著水平變形，進而使樁基礎和鋼板樁發生明顯的側向變形，嚴重時可導致結構發生破壞[1-2]。

1 工程實例

1.1 碼頭結構方案

碼頭采用鋼板樁結構，頂面高程+5.4 m，設計底標高-5.7 m，單錨板樁結構形式，采用AZ36-700N鋼板樁，板樁材質為S430GP，頂高程+2.0 m，墻底高程-25.0～-31.0 m。鋼板樁上部結構為現澆C40鋼筋混凝土胸墻，胸墻寬2.48 m。拉桿鋼材屈服強度不小于550 MPa，抗拉強度不小于750 MPa，間距2.1 m。碼頭拉桿高程為+1.5 m，直徑為φ70 mm。錨碇結構采用現澆C40鋼筋混凝土錨碇墻，墻厚600 mm，高4.0 m，頂高程4.0 m，底高程+0.0 m，下設0.4 m厚碎石基礎和0.1 m水泥砂漿墊層，墻前回填10～100 kg塊石，墻后回填中粗砂，碼頭墻前25 m范圍內打排水板，進行真空預壓軟基處理。碼頭結構斷面見圖1。

1.2 碼頭施工現狀及存在問題

圖1 碼頭結構斷面圖Fig.1 Cross-section of wharf structure

碼頭已完成胸墻、前后軌道梁澆筑，后方區域已回填至交工標高+4.7 m，剩余鋪面未進行鋪設。根據現場沉降位移觀測數據，碼頭整體往海側存在不同程度的位移，其中胸墻往海側最大位移為9.3 cm，后軌道梁往海側最大位移為22 cm，錨碇墻往海側最大位移34 cm，錨碇墻最大沉降49 cm。

1.3 原因分析

根據施工現場反饋的情況，引起碼頭主要構件發生沉降位移的主要因素有：

1）碼頭墻前水域局部出現超挖

港池設計底標高-5.7 m，局部區域疏浚實際已開挖至-6.7 m左右，水深超挖約1 m。

2）連續暴雨排水不暢

發生土體變形期間，連續一個多月大暴雨。3）碼頭后方上砂石料

在暴雨期間，碼頭后方存在持續上砂石料現象，堆料位于后軌往后附近區域，呈長條形堆放，堆高約8 m。

2 施工過程模擬分析

由于現場碼頭后方堆載過高，超出原設計規定范圍，普通的二維模型及規范計算方法已經不能適用。

2.1 有限元模型

基于大型巖土三維有限元模型軟件PLAXIS，建立三維有限元模型進行分析[3]。

2.2 模型范圍

考慮結構的連續性和對稱性，選擇碼頭橫向31.5 m的范圍，考慮前板樁和錨定系統的影響范圍，選擇碼頭前沿線海側40 m，后方80 m范圍，模型計算底標高選擇-80 m。

2.3 單元選擇

為了能夠真實反映樁和土之間接觸界面的性質，土體采用實體單元來模擬，對于鋼板樁結構通過等效剛度的方法采用殼單元模擬，賦予其線彈性屬性，并在板樁前后加入界面單元模擬接觸的實際性質。接觸面單元通過特定的數值模型，模擬不同材料之間的相互滑移、脫離等力學現象。對于結構與土之間的界面，按照一般的工程經驗，取同深度土層材料強度的2/3作為接觸面單元的強度。對于錨定墻也采用殼單元模擬，并設置接觸界面。對于軌道梁下的樁采用Embedded樁進行模擬。

2.4 邊界條件

模型的位移邊界條件：四個側面約束其法向位移，底面約束其三個方向的位移。排水邊界條件：底面及四個側面均為不排水邊界，頂面為排水邊界。

2.5 土體參數

根據勘察報告，模型中所采用的土層及相應參數見表1。

2.6 施工過程的模擬

為了真實、準確地分析板樁碼頭的穩定性以及各構件的變位和內力情況，采用有限元軟件PLAXIS對施工過程進行模擬，碼頭有限元三維模型見圖2。

表1 土體參數表Table 1 Soil parameters

圖2 碼頭有限元三維模型Fig.2 Finiteelement 3D model of thewharf

1）原泥面+4.7 m處開始初始地應力平衡。

2）打設鋼板樁及PHC樁。

3）錨碇墻、胸墻、張拉錨桿等施工。

4） 碼頭前開挖至-5.7 m。

5） 碼頭前開挖至-6.7 m（超挖1 m）。

6）碼頭后軌道梁及錨碇墻之間堆砂，三角形砂堆最高處8 m。

7）碼頭后方卸載。2.7 計算結果

結構位移計算結果與現場變形對比見表2，結構內力匯總見表3。

表2 結構位移計算結果與現場變形對比表Table 2 Comparison of structural displacement resultsand site deformation

表3 結構內力統計表（標準值）Table 3 Statistical table of structural internal force(standard value)

2.8 計算結果分析

1）結構段位移沉降變化趨勢與測量結果基本吻合，但錨定板沉降和位移有差異，可能存在局部地基破壞。

2）鋼板樁受力在設計允許范圍內。3）拉桿受力在設計允許范圍內。

4）錨碇墻受力在設計允許范圍內。

5）前軌PHC樁基本已超出極限承載力，后軌基本未超出極限承載力。

2.9 鋼板樁強度復核

根據JTS 167-3—2009《板樁碼頭設計與施工規范》[4]，對鋼板樁的單寬強度進行復核，鋼板樁滿足強度要求。

2.10 規范計算結果對比分析

通過規范計算對比，對鋼板樁彎矩等結構內力，PLAXIS模擬計算結果略小于規范計算值，但很接近，PLAXIS三維模擬的結果可為變形后處理措施的確定提供指導。

3 處理措施

根據分析結果，提出以下處理措施，實施過程中可根據開挖及檢測具體情況進行方案的合理調整。

3.1 處理措施原則

滿足結構安全和使用要求，盡量降低碼頭結構的處理費用，同時兼顧施工可行性。

3.2 處理措施

基于鋼板樁可用的前提下，對鋼板樁及胸墻偏位的調整是關鍵，也是重點，處理需要采取以下主要措施：

1）鋼板樁偏位的調整。彎矩沒有超過極限承受彎矩的范圍，需進行偏位調整，鋼板樁偏位通過墻前回填和墻后開挖進行調整。開挖后進行鎖口檢查，如鎖口完好，調整偏位后可繼續使用。

2）胸墻。盡量少鑿除，根據鋼板樁偏位調整情況，鑿除面層以調整前沿線。

3）軌道梁及PHC樁：前軌軌道梁需要全部鑿除，經檢測，如果PHC樁完整性檢測為I類樁，考慮利用；如果PHC樁完整性檢測為II類樁，考慮進行補樁處理。

4）鋼拉桿：拉桿內力未達到極限值，經檢測合格，重新調直后使用。防腐材料如果損壞，需重做。

5）錨碇墻：雖然發生了較大的位移，但分析結果顯示，此變位屬于墻體整體平動和轉動，彎矩并不是很大，因此開挖檢測后如沒有傾斜，沒有開裂，可以使用；如開裂、傾斜需要調整修復。沉降比較大的，可以通過加高處理。如挖開后發現錨碇墻基礎破壞，需局部進行換填處理。

3.3 施工工序

處理措施的主要施工工序見圖3。

處理過程中，加強沉降位移觀測，同時加強對現有碼頭結構的保護[5]。

4 處理過程中檢測數據分析

在變形處理施工過程中，根據鋼板樁及鎖扣、鋼拉桿，PHC樁和錨定墻的檢測結果，鋼板樁及鎖扣外觀均完好，未出現鎖扣損壞現象；鋼拉桿的單節桿體長度、桿體直徑、桿體彎曲（每米）、接頭處拉桿軸線偏移檢測結果與PLAXIS三維模擬結論基本吻合。

5 結語

鋼板樁碼頭受力比較復雜，很難通過簡單計算對鋼板樁、錨碇墻及軌道梁樁基礎等構件之間共同耦合作用進行系統分析。本文對碼頭后方在超載作用下，考慮了港池超挖、連續大暴雨排水不暢、碼頭后方超載堆載砂石料等重要影響因素對鋼板樁及樁基礎的影響，對土體的側向運動擠壓樁基和鋼板樁變形，建立PLAXIS三維有限元模型，實現不同構件在模型下的整體分析，分析結果更具對比性，可為類似工程處理提供參考。

圖3 主要施工順序Fig.3 Key construction sequence