水平荷載對陡巖墩式碼頭梅花形五樁雙向承載能力影響研究

王永藝

（大連理工大學 土木工程學院，遼寧 大連 116024）

引 言

陡巖河岸高樁墩式碼頭群樁基礎[1-6]，通常采用四邊形四樁或梅花形五樁的布置形式，其群樁結構不僅承受豎向荷載（如施工荷載、裝卸機械、結構自重等），還受到水平荷載的作用（如船舶系纜力、撞擊力、水流力等）。其中，研究水平荷載對陡巖河岸墩式碼頭群樁基礎（梅花形五樁）雙向承載能力影響，具有一定的工程意義。

陳耀浩[7]在工程實例中，理論分析探討陡坡樁基內力與變形分布規律與樁徑、坡體側向推力類型與水平、樁頂軸橫向荷載水平等因素的聯系，認為樁頂偏移和最大彎矩隨著樁頂水平荷載與豎向荷載的增大而線性增大，其中，豎向荷載的影響弱于水平荷載，而坡體側向推力分布方式對樁身內力位移的作用弱于荷載大小。尹平保[8]設計并完成了不同坡度及水平荷載作用角度下斜坡基樁室內模型試驗，結果分析表明水平荷載相同時，坡度增大，樁頂水平位移及樁身最大彎矩非線性增加，而隨水平力作用角度增大呈線性減小。陳拔進[9]建立三維斜坡區高承臺群樁基礎-高墩計算模型，分析橋墩墩頂承受來自橋梁水平推力、軸向壓力、彎矩外載作用下的力學響應。周世良、王永藝、廖冬等[10]對斜坡單樁的不同雙向荷載工況，逐級施加豎向與水平荷載，分析斜坡嵌巖單樁的雙向承載特性，研究闡明了斜坡坡度、水平荷載與豎向荷載等方面對雙向承載的斜坡嵌巖單樁承載特性的影響規律。在此基礎上，王永藝、周世良等[11]研究豎向/水平荷載變化對斜坡四邊形四樁雙向承載特性的影響，而水平荷載變化對斜坡梅花形五樁雙向承載能力的影響，仍有待研究。

本文采用 ABAQUS有限元分析陡巖群樁（梅花形五樁）雙向承載工況，其中的建模環節，包括施工、承載等流程，以及考慮材料與樁巖接觸非線性影響，構建陡巖群樁系統三維模型，計算分析水平荷載對陡巖河岸墩式碼頭梅花形五樁雙向承載能力的影響。

1 陡巖墩式碼頭梅花形五樁三維有限元分析

1.1 模型的參數選取、建立及加載

為進一步研究水平荷載對陡巖墩式碼頭梅花形五樁的雙向承載能力的影響，本文模型的巖體、樁體、承臺的材料參數取值以及模型區域確定的總體原則，樁體與巖體的接觸、樁體與承臺的接觸、以及模型邊界條件，陡巖梅花形五樁有限元模型網格劃分圖，數值模擬建模步驟與文獻[10-12]一致。為分析水平荷載對陡巖河岸墩式碼頭群樁基礎雙向承載能力影響規律，擬定計算方案如表1所示。

表1 模型計算方案

圖1 豎向荷載、水平荷載作用位置俯視

圖2 豎向荷載、水平荷載作用位置側視

在加載方式上，對承臺頂面逐級施加豎向荷載（分級荷載13.7 MN），當模型在豎向力作用下穩定之后再對其逐級施加水平力（分級荷載1 000 kN），這種加載方式能夠較好地反映港口樁基的實際受力情況。豎向荷載、水平荷載作用位置示意如圖1～圖2。

2 水平荷載對陡巖五樁雙向承載能力的影響

2.1 水平荷載對群樁承臺中心沉降和水平位移影響

樁徑D=2 m，樁距S=5D，嵌巖深度h=8D，豎向荷載Q1=246.6 MN的斜坡嵌巖群樁，不同水平荷載工況（Q2=0 kN、2 000 kN、5 000 kN、8 000 kN、11 000 kN、13 000 kN）的水平荷載—承臺中心沉降曲線如圖3；水平荷載—承臺中心水平位移曲線如圖4。

圖3 水平荷載—承臺中心沉降曲線

圖4 水平荷載—承臺中心水平位移曲線

從圖 3可看出，對于D=2 m，S=5D，h=8D，Q1=246.6 MN的嵌巖群樁（梅花形五樁），隨著水平荷載和坡度的增大，承臺中心沉降，由大到小可分為四個梯度，分別是坡度R=0°、R=15°、R=30°、R=45°的情況；承臺中心沉降變化率，由大到小可分為兩個梯度，分別是坡度R=15°和R=30°、R=0°和R=45°的情況。

從圖 4可看出，對于D=2 m，S=5D，h=8D，Q1=246.6 MN的梅花形五樁，當水平荷載Q2=13 000 kN時，承臺中心水平位移，由大到小可分為兩個梯度，分別是坡度R=0°、R=15°～45°的情況。承臺中心水平位移變化率，由大到小可分為三個梯度，分別是坡度R=0°～15°、R=30°、R=45°的情況。水平荷載對陡巖墩式碼頭梅花形五樁雙向承載能力的影響，是群樁基礎的空間效應、群樁樁身剛度與樁前巖體抗力等綜合作用的反映。可由水平荷載對雙向受荷陡巖群樁承臺承載性狀的影響、水平荷載對雙向受荷陡巖群樁各樁樁頂沉降及水平位移、各樁樁頂端軸力和彎矩的影響等展開具體的分析。

2.2 水平荷載對群樁承臺承載性狀的影響

為分析斜坡嵌巖群樁基礎（梅花形五樁）的承臺承載性狀，如圖 5，選取承臺頂面中心點的縱橫線，在豎向荷載Q1=246.6 MN，水平荷載Q2=13 000 kN的工況下（結構功能要求約40 mm），把縱橫線的沉降和水平位移值提取出來，得到承臺頂面中心縱橫線沉降和水平位移分布，見圖6～圖7。

從圖6可看出，承臺頂面中心橫線方向的沉降，隨著水平荷載和坡度的逐漸增大，承臺橫線方向的沉降均向坡前側傾斜，沉降斜率的差異較小。水平荷載能夠調整承臺中心橫線沉降的傾斜程度，其中R=15°，由于豎向荷載加載后，水平荷載加載前，群樁向坡后側稍微傾斜（見圖 9），所以水平荷載對承臺中心橫線沉降的斜率調整較為緩慢。承臺頂面中心縱線方向的沉降，其不均勻程度有所不同，按不均勻程度由大到小可分為四個梯度，分別是R=15°（斜率k=-0.75）、R=0°（k=-0.46）、R=30°（k=-0.34）、R=45°（k=0.03）。其中，R=0°～30°，承臺縱線方向的沉降向右側傾斜較明顯，而R=45°，承臺縱線的沉降傾斜方向并不明顯。

圖5 承臺頂面中心點縱橫線選取示意

圖6 承臺中心橫縱線的沉降分布

圖7 承臺中心橫縱線的水平位移分布

從圖7可看出，水平荷載Q2=13 000 kN時（結構功能要求約40 mm），承臺中心橫線水平位移由大到小依次分為四個梯度（R=0°、30°、15°和45°）。因為在Q1=246.6 MN、Q2=0 kN的時候，R=15°的承臺中心橫線水平位移出現負位移（即橫線水平位移指向坡后側），其樁3和樁4嵌固作用較大，所以在加載后期其水平承載能力較高；而對于其它坡度情況，基本可以說明坡度的增大，其水平承載能力逐漸增加。當水平荷載Q2=13 000 kN時，承臺縱線水平位移由大到小仍分為四個梯度，分別是R=0°、R=30°、R=15°和R=45°。承臺縱線水平位移按不均勻程度由大到小仍分為四個梯度，分別是R=30°（斜率k=-0.000153）、R=0°（k=0.000138）、R=45°（k=-0.000087）和R=15°（k=-0.000069）。

2.3 水平荷載對群樁各樁樁頂沉降位移的影響

在豎向荷載Q1=246.6 MN，水平荷載Q2=0 kN、8 000 kN、13 000 kN的工況下（結構功能要求約40 mm），各樁頂沉降和水平位移曲線如圖8～圖9。

圖8 水平荷載—各樁頂沉降曲線（R=0°～45°）

從圖8可看出，當水平荷載的逐漸增大，承臺下各樁樁頂之間出現不均等沉降，但有一定的規律性。對于R=0°，R=30°，R=45°的情況，當水平荷載Q2=13 000 kN時（結構功能要求約40 mm），其沉降由大到小依次分為：前排樁（樁1和樁2）、中間樁（樁5）、后排樁（樁3和樁4）。而對于R=15°的情況，其沉降由大到小依次分為：樁1、樁2（及樁3和樁5）、樁4。按沉降的增減趨勢分類，對于R=0°～45°的情況，前排樁樁頂沉降呈增加趨勢，中間樁樁頂沉降呈緩變趨勢，后排樁樁頂沉降呈減小趨勢。

從圖9可看出，當水平荷載的逐漸增大，承臺下各樁樁頂之間的水平位移差異不明顯。當豎向荷載Q1=246.6 MN，水平荷載Q2=0 kN時，各坡度的樁頂水平位移狀態不一致。隨著坡度增加，斜坡效應較明顯，僅有豎向荷載作用，樁頂水平位移會隨著坡度增加而增大。此外，R=0°～45°，各樁協作發揮水平承載作用，各樁之間的樁頂水平位移大小可認為處于同一梯度，近似線性增加。

圖9 水平荷載—各樁頂水平位移曲線（R=0°～45°）

2.4 水平荷載對群樁各樁樁頂端軸力和彎矩的影響

雙向受荷陡巖四邊形四樁，樁頂端存在應力局部效應[11]，本文在對雙向受荷陡巖梅花形五樁進行計算分析時，亦發現樁頂端存在應力局部效應，因而此處從各樁頂端軸力突變后的軸力和樁頂端附近最大正彎矩的角度出發，分析水平荷載對各樁豎向承載和水平承載發揮程度的影響。豎向荷載Q1=246.6 MN，水平荷載Q2=0 kN、2 000 kN、5 000 kN、8 000 kN、11 000 kN、13 000 kN的工況下（結構功能要求約40 mm），不同坡度各樁頂端軸力突變后的軸力和樁頂端附近最大正彎矩曲線如圖10～圖11。

圖10 水平荷載—各樁樁頂端軸力突變后的軸力

從圖10可看出，對于R=0°～45°的梅花形五樁，隨著水平荷載的增加，樁1和樁2的樁頂端軸力突變后的軸力大致逐漸增加，樁3和樁4相應的軸力大致逐漸減小，樁5相應的軸力緩增。其中，對于R=15°的梅花形五樁，隨著水平荷載的增加，前排樁（樁 1和樁2）各樁之間（或后排樁（樁3和樁4）各樁之間），其相應的軸力增加（或減小）的變化快慢，差異較為明顯。結合圖7和圖9來看，對于R=15°的梅花形五樁，其樁1和樁3的沉降較大，但是其樁頂端軸力突變后的軸力，變化幅度較小，而樁2和樁4的沉降較小，但是其樁頂端軸力突變后的軸力，變化幅度卻較大。

在豎向荷載Q1=246.6 MN，水平荷載Q2=13 000 kN 的工況下，R=0°、15°、30°、45°，其前排樁（樁1和樁2）樁頂端軸力突變后的軸力占比分別為42.40 %、44.10 %、42.46 %、42.46 %，其后排樁（樁3和樁4）樁頂端軸力突變后的軸力占比分別為35.37 %、37.11 %、36.27 %、37.49 %，說明在水平荷載作用下，對于R=0°～45°的梅花形五樁，其前排樁豎向承載發揮程度較后排樁大。

圖11 水平荷載—各樁樁頂端附近最大正彎矩

從圖11可看出，隨著水平荷載和坡度的增加，前排樁、中間樁和后排樁，其樁頂端附近最大正彎矩的差異逐漸明顯，產生分類現象，后排樁樁頂端附近最大正彎矩大于前排樁相應的最大正彎矩。在豎向荷載Q1=246.6 MN，水平荷載Q2=13 000 kN的工況下，R=0°、15°、30°、45°，其后排樁（樁 4 和樁 5）樁頂端附近最大正彎矩占比分別為 39.25 %、45.20 %、54.46 %、78.04 %，說明隨著坡度的增大，后排樁水平承載發揮程度逐漸增加。

3 結 論

1）水平荷載對陡巖墩式碼頭梅花形五樁雙向承載能力的影響，是群樁基礎的空間效應、群樁樁身剛度與樁前巖體抗力等綜合作用的反映。可從水平荷載對雙向受荷陡巖群樁承臺承載性狀的影響、水平荷載對雙向受荷陡巖群樁各樁樁頂沉降及水平位移、各樁樁頂端軸力和彎矩的影響等方面展開具體的分析。

2）水平荷載能夠調整承臺中心橫線沉降的傾斜程度，其中R=15°，由于豎向荷載加載后，水平荷載加載前，群樁向坡后側稍微傾斜（見圖 9），所以水平荷載對承臺中心橫線沉降的斜率的調整較為緩慢。

3）當水平荷載Q2=13 000 kN時（結構功能要求約40 mm），承臺中心橫縱線水平位移由大到小依次分為四個梯度（R=0°、30°、15°和 45°）。而相比于承臺橫線水平位移，承臺縱線水平位移的斜率較明顯，說明承臺沿縱線有偏轉情況。

4）按沉降的增減趨勢分類，對于R=0°～45°的情況，前排樁樁頂沉降呈增加趨勢，中間樁樁頂沉降呈緩變趨勢，后排樁樁頂沉降呈減小趨勢。

5）當豎向荷載Q1=246.6 MN，水平荷載Q2=0 kN時，各坡度的樁頂水平位移狀態不一致。隨著坡度增加，斜坡效應較明顯，僅有豎向荷載作用，樁頂水平位移會隨著坡度增加而增大。此外，R=0°～45°，各樁協作發揮水平承載作用，各樁之間的樁頂水平位移大小可認為處于同一梯度，近似線性增加。

6）對于R=0°～45°的梅花形五樁，隨著水平荷載的增加，樁1和樁2的樁頂端軸力突變后的軸力大致逐漸增加，樁3和樁4相應的軸力大致逐漸減小，樁5相應的軸力緩增。在水平荷載作用下，對于R=0°～45°的梅花形五樁，其前排樁豎向承載發揮程度較后排樁大。

7）隨著水平荷載和坡度的增加，前排樁、中間樁和后排樁，其樁頂端附近最大正彎矩的差異逐漸明顯，產生分類現象，后排樁樁頂端附近最大正彎矩大于前排樁相應的最大正彎矩。隨著坡度的增加，后排樁水平承載發揮程度逐漸增大。