土體卸載對高樁結構影響分析

尹永欣，張京京，李曉慧，王永光

（1.中交天津港灣工程設計院有限公司大連分公司，遼寧 大連 116001；2.大連理工大學建設工程學部，遼寧 大連 116024）

1 研究背景

建設于軟土地基上的高樁碼頭，岸坡土體變形對碼頭結構的影響不可忽視。文獻[1]通過工程實例介紹總結了岸坡土體變形對碼頭位移和樁基內力的影響；祝振宇等[2]通過有限元模型分析了高樁碼頭-岸坡體系的變形規律及主要影響因素；張強等[3]分析了岸坡土體變形引起碼頭樁基變位的破損機理并提出了防治對策；田雙珠等[4]通過對轉角處岸坡土體以及接岸結構變形的原型觀測，探求岸坡變形規律及主導因素；李越松等[5]利用試驗結果參數進行結構與土相互作用的蠕變變形計算，分析了岸坡土體蠕變對高樁碼頭的影響；劉現鵬等[6]提出了一種分析土體變形對高樁碼頭結構影響的數值分析方法；王斐[7]總結分析了影響高樁碼頭岸坡穩定的主要因素，并結合現場監測情況用有限元軟件進行模擬。

以往的研究大多針對高樁碼頭陸域回填或使用期堆載對樁基的影響，對樁基的作用表現為“加載”。但是碼頭位置的岸坡開挖這一“卸載”行為同樣可引起樁基內力，此方面的研究成果和工程實例并不多見。

圖1為某10 000 DWT高樁碼頭結構，碼頭面頂高程4.5 m，底高程-9.8 m。樁基采用準1.2 m預應力大管樁，排架間距9 m。上部結構由樁帽、橫梁、縱梁、面板組成。碼頭采用離岸式高樁結構，后方陸域采用吹填粉細砂形成，吹填高度約為5～7 m，碼頭后沿線距離陸域護岸47 m。碼頭建設時陸域已吹填完成10個月，并完成了地基處理。

圖1 碼頭結構斷面圖Fig.1 Section diagram of wharf structure

由于受外海防波堤、納泥區等構筑物建設時序限制，碼頭樁基施工前不具備港池疏浚的條件，因此建設方案先進行陸域吹填及地基處理，然后施工碼頭結構，在碼頭結構施工完成后再進行港池疏浚及岸坡開挖，岸坡坡度1頤3.5和1頤5，港池疏浚的平均深度約為6 m。

港池疏浚及岸坡開挖產生的土體卸載，將導致岸坡土體的變形，影響碼頭結構。研究土體卸載對高樁碼頭結構的影響，對保證結構安全具有重要的工程意義。為研究港池開挖對高樁結構的影響，采用PLAXIS 3D有限元軟件建模計算，并對計算結果進行分析。

2 建模計算

2.1 模型建立

PLAXIS 3D是一款通用巖土有限元軟件，在解決巖土工程問題中有強大的專業分析工具。軟件提供了豐富的土體本構模型，能夠較好地模擬樁、梁、板等結構以及結構和土體的相互作用，并可模擬施工工序對工程的影響。

港池開挖屬于土體卸載，因此計算時采用土體硬化模型（Hardening Soil，簡稱HS模型），它是根據三軸試驗和固結試驗提出的彈塑性本構，能夠描述三軸試驗和固結儀試驗揭示的包括土體卸載/再加載在內的絕大部分土體行為。

模型中，樁基采用Embedded樁單元模擬，橫梁和縱梁均采用梁單元，面板采用板單元。Embedded樁是由梁單元構成的，通過將樁身直徑范圍內的土體參數設置為樁材料來模擬樁土相互作用，并可以設置側摩擦力和樁底反力。

為考慮斜樁扭角對樁基內力的影響，模型考慮一個結構分段（7跨）建模，按空間結構計算，土體范圍為81 m伊200 m，深度為-50 m（圖2）。為簡化計算，碼頭面均布荷載以90 kN/m的線荷載直接作用在橫梁上。樁基采用直徑1.2 m后張法預應力混凝土管樁，碼頭梁板均采用混凝土結構，橫梁寬1.4 m，高1.9 m，縱梁寬0.6 m，高1.4 m，面板厚0.55 m。土體參數見表1。

圖2 碼頭結構有限元模型Fig.2 Finite element model of wharf structure

表1 各土層參數表Table1 Parametersof every soil layer

2.2 計算內容

根據上述模型參數，分別對兩種施工工序進行計算：

工序一：先進行樁基及碼頭上部結構的施工，然后再進行港池疏浚。分別計算港池未開挖（泥面高程-2.15 m）、港池開挖至-5.0 m、-7.5 m、-9.8 m以及使用期撞擊力作用的工況。

工序二：先將港池疏浚至-9.8 m，形成岸坡，再進行樁基及碼頭上部結構施工，計算施工期結束后以及使用期撞擊力作用的工況。

根據規范[8]，通常當水平力作用在結構段端部排架時，樁基常處于最不利狀態。計算時考慮撞擊力作用在碼頭端部第一個排架。

由于碼頭設置斜樁，在橫向水平力作用下，樁基在兩個方向均產生彎矩（Mx、My），因此樁基

3 計算結果分析

開挖深度、土體強度、施工工序等都可能對結構產生影響，通過調整相關參數分析上述因素對結構影響的變化規律。各情況下第一排架橫梁水平位移的計算結果匯總見表2。

表2 橫梁水平位移計算結果Table 2 Calculations of horizontal displacement of beam

3.1 土體開挖深度的影響

工序一港池開挖底高程分別按-2.15 m（未開挖）、-5 m、-7.5 m、-9.8 m考慮，施工期各樁基彎矩對比見圖3。

圖3 工序一施工期不同開挖深度樁基彎矩對比Fig.3 Comparison of bending moment of pilesby different excavation in construction period of process1

由圖3可以看出，隨著土體開挖深度的增加，各樁基彎矩有增有減，變化趨勢不統一，僅有靠近陸側的5號樁彎矩隨開挖深度增加而增加。分析表2中橫梁位移的相關數據，可以看出開挖深度對橫梁位移的影響方向并不一致。

為了分析其原因，假定土層性質均勻，將各層土體參數統一調整為1粉土，計算結果對比見圖4。當土體參數均勻時，樁基彎矩隨開挖深度的變化趨勢仍不一致，但橫梁向陸側的位移隨著開挖深度的增加而增大，開挖深度對橫梁位移的影響趨勢趨于一致。

圖4 工序一均勻土層施工期不同開挖深度樁基彎矩對比Fig.4 Comparison of bending moment of pilesby different excavationwithhomogeneoussoillayer inconstruction period of process1

3.2 施工工序的影響

為了研究施工工序對結構的影響，對表2中工序一和工序二的樁基彎矩計算結果進行對比，見圖5和圖6。

圖5 不同開挖工序施工期樁基彎矩對比Fig.5 Comparison of bending moment of piles by different processin construction period

圖6 不同開挖工序撞擊力作用下樁基彎矩對比Fig.6 Comparison of bending moment of piles by different processin impact force

由圖5可知，工序二先將土體開挖至-9.8 m再打樁，樁基僅有結構自重產生的彎矩。若按工序一先打樁后開挖，則土體卸載導致樁基彎矩顯著增加。相應地，由圖6可知，在相同的使用期外荷載作用下，不同的開挖工序導致樁基最大彎矩增加321 kN·m。

因此，碼頭結構設計階段應關注施工工序對結構的影響，尤其是土體加載或卸載時。高樁碼頭結構計算中，應根據具體施工工序，考慮土體變形對結構的影響，保證結構安全。

3.3 土體強度的影響

保持碼頭結構不變，分別將土體各計算參數降低30%和提高30%，分析各工序計算結果。

1）工序一，先打樁后開挖，不同土體強度的計算結果對比見圖7、圖8。

圖7 工序一不同土體強度施工期樁基彎矩對比Fig.7 Comparison of bending moment of pilesby different soil strength in construction period of process1

圖8 工序一不同土體強度撞擊力作用樁基彎矩對比Fig.8 Comparison of bending moment of pilesby different soil strength in impact force of process1

由圖7、圖8可知，當先打樁后開挖時，土體強度降低30%，施工期開挖至-9.8 m時樁基最大彎矩增加48%，樁頂橫梁位移相差12.8 mm；使用期樁基彎矩增加26%，樁頂橫梁位移相差10.9 mm。土體強度提高30%。施工期和使用期樁基彎矩減小幅度分別為12%和4%，樁頂橫梁位置差值分別為1.1 mm和3.0 mm，部分樁基彎矩隨著土體強度的提高反而略有增加。

2）工序二，先開挖至-9.8 m后再打樁，不同土體強度的計算結果對比見圖9、圖10。

圖9 工序二不同土體強度施工期樁基彎矩對比Fig.9 Comparison of bending moment of pilesby different soil strength in construction period of process2

圖10 工序二不同土體強度撞擊力作用樁基彎矩對比Fig.10 Comparison of bendingmoment of pilesby different soil strength in impact force of process 2

由圖9、圖10可知，當先疏浚后打樁時，由于土體變形發生在樁基施工之前，因此無論是施工期還是使用期，土體強度的變化對樁基彎矩和樁頂橫梁位移的影響都不大。

4 位移觀測結果

碼頭共15個結構分段，在每個結構分段海側設置2個觀測點，共30個。以碼頭梁板結構完工后作為初始值，港池岸坡開挖完成后的位移觀測數據統計見圖11。

圖11 碼頭前沿水平位移觀測結果Fig.11 Observation result of horizontal displacement of wharf apron

由觀測結果可知，碼頭前沿位移值在-5～+2 mm之間（其中負值表示向海側位移），平均位移為-1.27 mm。有限元計算顯示港池岸坡開挖至-9.8 m時橫梁水平位移為-0.6 mm。無論是計算值還是觀測值，碼頭位移量均不大。初始值觀測時間為7月份，港池開挖后的觀測時間為翌年12月份，由于水平位移的量值較小，考慮溫度變化、觀測誤差等因素，難以對水平位移進行定量分析。

5 結語

分析研究港池開挖深度、土體參數、施工工序等因素對高樁碼頭結構的影響。

1）與先開挖后打樁的施工工序相比，考慮港池疏浚產生的土體變形后，樁基彎矩顯著增大，因此高樁碼頭結構設計時，不但要考慮陸域土體加載的影響，對港池疏浚與岸坡等土體卸載行為對樁基的影響也不應忽視。

2）土體卸載產生的彎矩及碼頭水平位移與土體開挖深度之間并非正相關，而是受各土層強度的影響。

3）土體強度的變化會導致土體變形幅度改變，影響到結構安全。尤其是樁基施工結束后土體卸載幅度有較大變化時，土體強度對結構的影響顯著增加。

4）土體卸載對樁基彎矩的影響不可忽視，應盡量采取先開挖后打樁的工程措施，避免港池開挖導致結構受力增加。條件受限不可避免時，應采用合適的計算手段，通過對施工步驟的模擬，分析施工工序對結構的影響。由于土體參數是影響樁基內力的敏感因素，且參數不易獲取，建議樁基選型時單樁受彎承載力留有一定的安全儲備。

[1] 王炳煌.高樁碼頭工程[M].北京：人民交通出版社，2010：345-354.WANGBing-huang.High-pilewharf engineering[M].Beijing:China Communications Press,2010:345-354.

[2] 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.ZHUZhen-yu,WANGYuan-zhan,LIYue-song,etal.Finiteelement analysis of interaction between piled-wharf and slope[J].China Harbour Engineering,2006(2):1-4.

[3]張強，劉現鵬，劉娜.岸坡土體變形對天津港高樁碼頭的危害[J].水道港口，2005，26（4）：241-243.ZHANG Qing,LIU Xian-peng,LIU Na.Damage from bank soil deformationtohigh-pilewharf[J].Journal of Waterwayand Harbour,2005,26(4):241-243.

[4] 田雙珠，張勇，李越松.天津港高樁碼頭岸坡變形規律研究[J].水道港口，2006，27（3）：180-184.TIAN Shuang-zhu,ZHANG Yong,LI Yue-song.Study on defor原mation of a high-pile wharf slopefromfield observation[J].Journal of Waterway and Harbour,2006,27(3):180-184.

[5] 李越松，趙沖久，趙利平，等.天津港岸坡土體蠕變對高樁碼頭的影響[J].中國港灣建設，2009（4）：5-8.LIYue-song,ZHAOChong-jiu,ZHAOLi-ping,et al.Influenceof bank soil creep deformation on high-piled wharf in Tianjin Port[J].China Harbour Engineering,2009(4):5-8.

[6] 劉現鵬，韓陽，劉紅彪.土體蠕變作用下高樁碼頭變形分析方法研究[J].水道港口，2016，37（4）：432-437.LIUXian-peng,HANYang,LIU Hong-biao.Research on analysis methods for deformation of high-pile wharf under effect of soil creeping[J].Journal of Waterway and Harbour,2016,37(4):432-437.

[7] 王斐.軟土地基上碼頭工程的岸坡穩定影響因素研究 [D].天津：天津大學，2012.WANG Fei.Research on factors influencing bank stabilization of wharf engineeringon thesoft ground[D].Tianjin:Tianjin University,2012.

[8]JTS167-1—2010，高樁碼頭設計與施工規范[S].JTS167-1—2010,Design and construction code for open type wharf on piles[S].