CDM法加固高樁碼頭軟土岸坡的有限元分析

王元戰，劉少增，李青美,龍俞辰

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，天津 300072；3.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣州 510220)

CDM法加固高樁碼頭軟土岸坡的有限元分析

王元戰1,2，劉少增1,2，李青美1,2,龍俞辰3

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，天津 300072；3.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣州 510220)

天津港曾多次發生岸坡變形導致高樁碼頭構件損傷的工程案例，現有的工程實踐表明，CDM基礎是加固高樁碼頭岸坡的有效方法。文章基于ABAQUS建立高樁碼頭的岸坡-CDM-結構三維有限元模型，分析采用CDM加固岸坡的效果。通過對比加固前后的岸坡土體位移、樁基變形和樁基內力，驗證CDM方法加固高樁碼頭岸坡的有效性。為提高CDM加固高樁碼頭岸坡的實際應用，對不同CDM加固深度下的加固效果進行研究，結果表明，隨CDM加固深度的增加，高樁碼頭樁帽-橫梁處的剪力和彎矩、樁身最大拉應力均先減小后增大，存在最優加固深度。

高樁碼頭；岸坡變形；CDM；有限元；加固深度

高樁碼頭是港口工程中常見的結構型式，主要由樁基、上部結構、靠船構件和接岸結構等部分組成，具有結構輕、對超深適應性強、減弱波浪效果好、材料用量少等優點[1]，在軟土層較厚的天津港應用十分普遍。

近幾年來，在對天津港高樁碼頭軟土岸坡變形的監測中發現，在最靠近接岸結構處3排樁基的樁帽和橫梁均出現較大錯位和破損，存在嚴重的安全隱患[2]。已有的研究表明，在岸坡穩定的條件下，高樁碼頭岸坡變形是導致高樁碼頭結構變位及破損的主要原因[3-4]。同時，經過調查發現，高樁碼頭樁基的變形損壞與接岸結構型式也有很大關系[2,5-6]：天津港7～8段、9～11段、12～13段以及21段碼頭采用的是斜頂樁、鋼板樁與帽梁組成的深層支護擋土結構，樁基變形破損相對較少；16～18段、22～24段和25～26段高樁碼頭采用的是拋石棱體和淺層擋土墻組合的型式，基樁的變形破損相對較多，破損程度也比較嚴重；采用CDM基礎扶壁式擋土墻的東突堤南側碼頭、南疆煤碼頭及CDM基礎重力式沉箱結構的東突堤北側碼頭(35～36段)沒有岸坡變形引起的結構損壞問題。

本文結合天津港原25～26段高樁碼頭，借助ABAQUS軟件，建立高樁碼頭岸坡-結構的三維有限元模型，計算在后方堆貨荷載作用下的岸坡土體水平位移圖及碼頭樁基變形和內力；建立高樁碼頭岸坡-CDM-結構的三維有限元模型，采用不同深度的CDM加固碼頭岸坡時，計算在后方堆貨荷載作用下的岸坡土體水平位移圖及碼頭樁基變形和內力，并分析不同深度的CDM體對岸坡變形及樁基受力的影響。

1 工程概況

天津港原25～26段高樁碼頭前、后承臺橫向排架間距為7 m。碼頭前方承臺采用連續梁板式高樁承臺結構，后方承臺采用簡支梁板式高樁承臺結構。與矩形截面相比，T型截面剛度較大，抗彎能力更強，混凝土的用量也少很多。因此，本文選取T形截面的CDM結構對碼頭岸坡進行加固，加固深度H取22 m。T型CDM攪拌體的加固斷面圖和平面圖如圖1～2所示。

圖1 CDM攪拌體加固斷面圖 圖2 CDM攪拌體加固平面圖Fig.1 CDM reinforcing section diagram Fig.2 CDM reinforcing plan diagram

2 有限元模型建立

本文選取一榀高樁碼頭橫向排架作為研究對象，利用ABAQUS軟件建立高樁碼頭岸坡-CDM-結構體系的三維有限元模型(圖3)。其中，模型計算邊界左右長105 m，上下44.2 m，模型上表面為自由約束，底部為固定約束，四周為水平位移約束。為了下文分析方便，將后方承臺結構的樁基進行了編號(圖4)。

圖3 高樁碼頭有限元幾何模型 圖4 碼頭樁基編號Fig.3 Finite element model of high-pile wharf Fig.4 Piles′ number

考慮到在荷載作用下，高樁碼頭結構與土體可能發生位移錯動，需要在地基土和碼頭樁基之間設置摩擦接觸來模擬樁土相互作用。由于碼頭混凝土結構的剛度遠遠大于地基土體的剛度，故將樁基結構的接觸面定義為主接觸面，將地基土的接觸面定義為從接觸面。在接觸面上，法向方向的接觸行為采用硬接觸；切向方向接觸模型采用各向同性的庫倫摩擦模型，并且采用允許滑移的罰剛度算法，摩擦系數為0.4。在CDM攪拌體和地基土之間設置摩擦接觸，摩擦系數取為0.6。地基土自下而上分別為粉質粘土、粘土、淤泥質粘土和雜填土，采用理想彈塑性模型進行模擬。碼頭結構和CDM攪拌體采用線彈性模型進行模擬(表1)。

表1 物理和力學性質指標Tab.1 Physical and mechanic parameters

3 計算結果及分析

3.1 T型CDM加固效果分析

圖5～6分別為T型CDM攪拌體加固前后的岸坡土體水平位移圖，單位為m?？梢钥闯觯杭庸糖?，岸坡土體水平位移主要集中在拋石棱體下方的地基土中，最大值為3.84 cm(向海測)；加固后，岸坡土體主要集中分布在CDM攪拌體的背側，最大值為3.32 cm(向海測)。通過對比加固前后的岸坡水平位移云圖，可以看出，T型CDM攪拌體能夠在一定程度上阻擋岸坡土體的向前運動，進而減小了岸坡土體對碼頭樁基的影響。

圖5 岸坡水平位移圖(加固前) 圖6 岸坡水平位移圖(加固后)Fig.5 Horizontal displacement of slope before reinforcing Fig.6 Horizontal displacement of slope after reinforcing

圖7～8分別為T型CDM攪拌體加固前后的后方承臺樁基水平位移圖，單位為m。由圖7～8可以看出，未采用CDM攪拌體加固時，受岸坡土體變形影響，后方承臺樁基的水平位移主要集中在后排樁基中部，最大值為3.68 cm(向海測)，與岸坡最大水平位移的最大值相近；采用CDM攪拌體加固后，后方承臺樁基水平位移最大值為2.87 cm(向海測)，位于后排樁基底部。通過對比加固前后的岸坡水平位移云圖，可以看出，T型CDM攪拌體能明顯地減小岸坡土體對碼頭樁基的影響。

圖7 岸坡土體水平位移圖(加固前) 圖8 岸坡水平位移圖(加固后)Fig.7 Horizontal displacement of slope before reinforcing Fig.8 Horizontal displacement of slope after reinforcing

圖9～10分別為T型CDM攪拌體加固前，后方承臺樁基的樁身拉壓應力圖和剪應力，單位為kPa。圖9～10表明，采用T型CDM攪拌體加固前，高樁碼頭樁基結構最內側樁基頂部的應力最大，是碼頭樁基結構受力的關鍵部位。其中，樁基最大拉壓應力出現在樁基與拋石棱體坡面交界處，最大值分別為12.84 MPa和16.33 MPa，最大拉應力超過C40混凝土材料抗拉設計值，樁基易開裂；樁基最大剪應力出現在后2排樁基樁帽與橫梁的連接處，最大值分別為1.54 MPa(指向陸側)和1.42 MPa(指向海側)，由于樁帽-橫梁連接處只是采用少量鋼筋拉結進行搭接，抗剪、抗彎性能較弱，容易剪壞和拉壞。

圖9 加固前樁身拉壓應力圖 圖10 加固后的樁身拉壓應力圖Fig.9 Normal stress of piles before reinforcing Fig.10 Normal stress of piles after reinforcing

圖11～12分別為T型CDM攪拌體加固后，后方承臺樁基的樁身拉壓應力圖和剪應力圖，單位為kPa。樁身最大拉壓應力圖依舊出現在最內側1排樁基的頂部位置，但最大值已有明顯減小，為1.04 MPa；最大壓應力出現在相鄰樁基的頂部，最大值為6.16 MPa，較加固前也減小了很多。

圖11 加固前的樁身剪應力圖 圖12 加固后的樁身剪應力圖Fig.11 Shear stress of piles before reinforcing Fig.12 Shear stress of piles after reinforcing

加固后，樁基最大剪應力出現在倒數第2～3排樁基樁帽與橫梁的連接處，最大值分別為0.904 MPa(指向陸側)和0.497 MPa(指向海側)，與加固前的剪應力相比，減小了很多。

通過對比加固前后的岸坡水平位移、后方承臺樁基的水平位移、樁身拉壓應力圖和剪應力圖，可以看出，T形CDM攪拌體能夠很好地減少岸坡變形及其對碼頭樁基不利影響。

3.2 CDM加固深度對樁基結構的影響

前文只是考慮了在加固深度為22 m時的加固效果分析，驗證了T型CDM攪拌體在減小高樁碼頭岸坡變形，控制岸坡變形對碼頭樁基結構不利影響的有效性和可行性。在此基礎上，進一步考慮不同加固深度對加固效果的影響。

圖13～15分別為T形截面CDM加固體在不同加固深度H下的各個樁基在樁帽-橫梁連接處的軸力圖、剪力圖和彎矩圖。圖13表明，各個樁基的樁帽-橫梁連接處的軸力N的變化幅值與軸力值相比較小，基本可認為與加固深度的關系不大。圖14表明，樁基PILE-3～PILE-6連接處的剪力Q隨著加固深度H的增大，變化很小；樁基PILE-2連接處的剪力隨加固深度H的增大，先略微減小后略微增大，大小基本控制在50 kN以內；樁基PILE-1隨加固深度H的變化最大，當加固深度H從14 m增大到28時，樁基PILE-1在連接處的剪力從最初的103.1 kN先減小為0后反向增大到37.73 kN，變化幅度達140.83 kN。圖15表明，各樁基在樁帽-橫梁連接處的彎矩M隨著加固體加固深度H的變化規律與剪力Q的基本一致，不同的只是數值和變化幅度。

圖13 樁帽-橫梁連接處的軸力圖14 樁帽-橫梁連接處的剪力圖15 樁帽-橫梁連接處的彎矩Fig．13Axialforceincap?beamconnectionFig．14Shearingforceincap?beamconnectionFig．15Momentincap?beamconnection

綜上所述，改變加固體的加固深度對高樁碼頭后方承臺各樁基在樁帽-橫梁連接處的軸力的影響并不大，但對剪力和彎矩的影響則十分明顯，存在一個最優的加固深度，對于本工況，該最優深度為18～20 m。

圖16～17表示T型CDM攪拌體加固深度不同時的樁身最大拉應力和最大壓應力，由圖中曲線可以看出，當加固體入土深度為22 m時，樁身最大拉應力達到最小，此時樁身最大拉應力為1.042 MPa。對于本計算工況，樁身最大拉應力對應的最優深度為22 m。

圖18為CDM攪拌體的最大拉壓應力隨加固深度的變化曲線。隨著加固體深度的增大，CDM攪拌體的最大壓應力逐漸增大，最大拉應力則維持在0.2～0.4 MPa。

圖16 樁身最大拉應力變化曲線Fig．16Tensionstressofpiles圖17 樁身最大壓應力變化曲線Fig．17Compressionstressofpiles圖18 CDM攪拌體的最大拉壓應力變化曲線Fig．18TensionandcompressionstressofCDM

3 結論

本文通過有限元技術模擬分析高樁碼頭樁基-CDM-岸坡之間的相互作用，發現CDM基礎可以明顯地減小岸坡變形及其對樁基的不利影響，驗證了CDM法加固高樁碼頭岸坡的有效性。同時，隨著CDM加固深度的增加，樁帽-橫梁處的剪力和彎矩以及樁身最大拉應力均呈現先減小后增大的變化規律，CDM加固體存在最佳的加固深度。在本文的計算工況中，對于T形截面的CDM結構，當高樁碼頭構件損壞模式為樁帽-橫梁相互錯位時，主要注重樁帽-橫梁連接處內力，對應的最優加固深度為18～20 m；當高樁碼頭構件損壞模式為樁身拉壞時，主要注重樁身最大拉應力，對應的最優加固深度為22 m。

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Finite element analysis of reinforcing soft slope of high-pile wharf using CDM method

WANGYuan-zhan1,2,LIUShao-zeng1,2,LIQing-mei1,2,LONGYu-chen3

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.CollaborativeInnovationCenterforAdvancedShipandDeep-seaExploration,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;3.CCCC-FHDIEngineeringCo.,Ltd.,Guangzhou510220,China)

Several structure components damage of high-pile wharf caused by slope deformation were found in Tianjin port. Current engineering practices claimed that the Cement Deep Mixing (CDM) was an effective method of slope reinforcement. In this paper, three-dimension finite element models of high-pile wharf considering slope-CDM-structure interaction were established to analyze the reinforcement effect of CDM. By comparing the displacement of slope, the deformation and internal force of piles, the positive effect of the slope reinforcement using CDM method was verified. To enhance the practical application of CDM method of reinforcing high-pile wharf slope, the effects of CDM reinforcement in the different depth were studied. With the increasing of CDM reinforcement depth, the shearing force and moment in cap-beam connections and the maximum tensile stress of the pile start to decrease and then increase, presenting an optimal reinforcement depth.

high-pile wharf; slope deformation; CDM; finite element; reinforcing depth

U 656.1+13；TB 115

：A

：1005-8443(2017)04-0387-05

2016-12-06;

：2017-03-27

國家自然科學基金(51679166)；國家自然科學基金創新研究群體科學基金(51321065)；交通運輸部交通建設科技項目(2013328224070)

王元戰(1958-)，男，河北省人，教授，博士生導師，主要從事港口、海岸及近海工程結構設計理論與計算方法、巖土力學及土與結構相互作用機理和數值模擬方法、結構動力學等方面的研究工作。

Biography：WANG Yuan-zhan(1958-), male, professor.