軟土固結的負摩阻力對斜頂樁接岸結構影響

徐大彬，藍妹元，王 煌，李子晗，馮 章

（1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司水環境與城建工程分公司 河湖治理一室，成都610000；2.深圳市水務規劃設計院股份有限公司南寧分公司 水環境工程所，南寧530000；3.深圳市水務規劃設計院股份有限公司 水務工程院，廣東 深圳518000）

1 概述

上海洋山深水港是我國首個遠離大陸， 在微小島嶼鏈上建設的港口，其碼頭型式為高樁梁板碼頭，后方的擋土結構采用斜頂樁板樁承臺接岸結構 （以下簡稱“斜頂樁接岸結構”），如圖1。該結構通過混凝土承臺將斜頂樁、板樁、支撐樁剛性嵌固形成整體［1-3］，在碼頭施工期陸域拋填結束后， 接岸結構后方23～26 m的高回填土會對軟土地基產生大面積堆載作用， 導致樁周土體因固結產生的沉降量大于樁基本身下沉量， 從而在樁身一定范圍內產生向下的摩阻力，即負摩阻力。 負摩阻力會對樁基產生下拉荷載，影響樁基的承載性能［4］。

圖1 上海洋山港典型斜頂樁接岸結構

斜頂樁接岸結構自誕生以來， 已有負摩阻力研究主要針對支撐樁和單樁進行實測分析， 并采用經驗公式估算下拉荷載。 肖俊華等［5］通過對比觀測兩根支撐樁及自由單樁上的軸力分布， 進而推算中性點位置及負摩阻力分布；劉茲勝［6］對一根自由單樁進行應變觀測， 計算得到軸力后估算中性點深度為0.62～0.68L（L為樁長），并指出負摩阻力的產生和發展需經歷一個時間過程，即時間效應；程澤坤［7］在分析現場試樁實測數據的基礎上， 結合有限元模擬和有效應力法［8］來計算負摩阻力及下拉荷載。

已有研究對實際工程具有很好的指導價值。 然而， 目前軟土固結對接岸結構的負摩阻力影響研究仍較缺乏。為對我國今后深水建港積累經驗，本文擬采用有限元仿真技術， 以洋山港一期工程斜頂樁接岸結構作為原型，通過簡化邊界條件建立數學模型，分析施工期拋填成陸后各樁負摩阻力隨軟土固結發展的規律，進而以原型觀測驗證數模結果。由于有限元Abaqus軟件具有豐富的單元庫和材料模型庫，同時對土體的非線性求解問題能得到較為精確的解答，因此選擇該軟件作為本文的數值分析工具。

2 數學模型的建立

2.1 模型描述

計算模型以洋山港一期工程的斜頂樁接岸結構作為原型，并對地基的邊界條件進行適當簡化。由相關資料［1，9］可知：接岸結構樁基皆為鋼管樁，靠海側的4根斜頂樁樁長60m， 直徑1.7m， 斜度3.5∶1， 樁距5m；中間密排板樁樁長54m，直徑1.7m，樁距1.8m，共11根樁； 后方4根支撐樁樁長54m， 直徑1.2m， 間距5m。 由于軟弱地基在高回填的堆載作用下主要發生豎向沉降（一維變形），故建立結構和土體的平面應變數學模型，如圖2。

圖2 斜頂樁接岸結構計算模型

該模型的計算邊界為108，63m，模型兩側固定水平位移，底邊固定水平、豎向位移，并將軟土底部設置為排水邊界。網格劃分時飽和軟土采用4結點的滲流/變形耦合單元（CPE4P），其余構筑物均采用4結點的平面應變單元（CPE4R），劃分結果如圖3。 在計算中，承臺和樁的模型選擇線彈性模型，土體模型選擇摩爾-庫倫彈塑性模型， 并在樁-土接觸位置設置滑動接觸面，模擬樁-土的相互作用，摩擦系數取為tanφ［10］（φ為土體內摩擦角）。 參考工程相關設計報告中地質章節和文獻資料［11-13］，接岸結構各構筑物計算參數取值如表1。

圖3 計算模型網格劃分

表1 數學模型中主要構筑物計算參數

2.2 分析過程

分析過程分3步進行：第1步為*Geostatic分析步，進行初始應力場的平衡；第2步為*soils，Load分析步，將回填土體重力瞬時施加于軟土表面； 第3步為*soils，Consolidation分析步，模擬飽和軟土固結。擬定計算時長為3年（共1095d）。

3 計算結果分析

3.1 模型位移場

計算結束后，模型位移場如圖4～圖6（水平位移以向岸側為正，豎向位移以向上為正）。 計算結果表明：隨下臥軟土層固結，上部回填土體產生位移，進而引起接岸結構向海傾斜。

圖4 軟土固結完成后模型整體位移場

圖5 軟土固結完成后模型水平位移場

圖6 軟土固結完成后模型豎向位移場

由圖6看出，接岸結構樁周土體沉降量大于樁體下沉量，即土體發生了相對樁基的豎向位移，會在各樁表面產生負摩阻力。

3.2 固結過程

飽和軟土固結過程實質是超孔壓消散的過程［14］。模型中軟土厚度為26.67m， 固結結束后軟土不同深度處超孔壓變化如圖7。 計算結果表明，飽和軟土中超孔壓消散隨時間發展近似呈指數型衰減， 其消散過程可大致分為3個階段：瞬時固結階段（瞬時施加堆載，孔隙水來不及排出）、主固結階段（約前460d內，在堆載作用下孔隙水逐漸排出）、次固結階段（超孔壓消散至零，土骨架產生徐變）。從圖7可知，飽和軟土固結主要在主固結階段完成，故應重點分析該階段內的各樁受力變化。

圖7 軟土不同深度處土體超孔壓變化

3.3 樁基軸力及側摩阻力

由于土體主要發生豎向沉降， 應對樁基軸力及側摩阻力進行分析。計算結束后，沿樁深方向提取各樁軸力和側摩阻力，其歷時變化如圖8～圖13（軸力以受拉為正，受壓為負；側摩阻力以向上為正，向下為負）。

圖8 斜頂樁軸力歷時分布

圖9 板樁軸力歷時分布

圖10 支撐樁軸力歷時分布

圖11 斜頂樁側摩阻力歷時分布

圖12 板樁側摩阻力歷時分布

圖13 支撐樁側摩阻力歷時分布

軸力分布表明：①固結初期各樁軸力較小，約在前460d內軸力隨固結發展漸增至趨于穩定， 其增長速率表現為先大后小， 最終軸力沿樁深呈非線性分布；②各樁在樁頂附近受承臺的邊界效應影響，軸力迅速增大。 在泥面線以上，各樁軸力波動范圍較小，而在泥面線以下軸力變化顯著， 其原因是樁周土體因固結沉降產生了相對樁基的豎向位移， 對各樁產生了下拉荷載進而致使軸力改變。可以看出，由于回填土體為非黏性土，因沉降產生的下拉荷載較小，而軟土固結產生的下拉荷載占主導作用； ③在固結過程中，斜頂樁、板樁受壓，支撐樁受拉，說明斜頂樁、板樁共同抵抗接岸結構下沉， 支撐樁通過產生拉力來限制承臺的向海傾斜。當固結趨于穩定后，斜頂樁在樁頂以下約30m處有軸力峰值（約-3030kN），板樁在樁頂以下約42m處有軸力峰值（約-7770kN），支撐樁在樁頂以下約50m處有軸力峰值（約9230kN）。

側摩阻力分布表明：①隨軟土固結進行，各樁側摩阻力約在前460d內漸增至趨于穩定； ②各樁均在樁身一定范圍內產生負摩阻力（斜頂樁約在樁頂以下20～32m段，板樁約在樁頂以下42m段內，支撐樁約在樁頂以下50m段內），相較于回填土體，軟土固結對樁基產生的負摩阻力更大。在軟土層內，負摩阻力沿樁深先增大后減小， 當減至零后受到持力層產生的端阻力的抵消作用而變為向上的正摩阻力；③樁-土位移為零處的位移平衡點為中性點［15-16］，該點也是負、正摩阻力的交界點。從圖11～圖13可看出，隨著固結發展，各樁中性點有下移趨勢，其中斜頂樁、板樁和支撐樁的中性點位置與樁長比例范圍分別約為0.50～0.53，0.68～0.78，0.85～0.92。可見，越靠岸的樁基中性點更深， 其原因是軟土固結致使樁周土體產生了不均勻沉降，在離岸越近處其沉降量越大。

3.4 負摩阻力時間效應及下拉荷載分析

由前述分析可知， 各樁負摩阻力的發展是隨著軟土地基固結沉降而與時間相關的過程， 即具有“時間效應”。 將各樁分段負摩阻力累加后得到樁基表面總的負摩阻力值， 其歷時曲線如圖14， 結果表明：①各樁負摩阻力發展呈現出明顯的時間效應，其在主固結階段逐漸增長并最終趨于穩定；②固結趨于穩定后，斜頂樁、板樁和支撐樁表面產生的負摩阻力大小分別約為338，1490，1960kPa。

計算得到各樁下拉荷載歷時曲線如圖15， 結果表明： ①軟土固結引起的負摩阻力會在樁基表面形成下拉荷載， 各樁下拉荷載的增長主要發生在主固結階段；②由于板樁樁徑大于支撐樁，其樁周表面積更大，因此作用于樁身的下拉荷載更大。固結趨于穩定后斜頂樁、 板樁和支撐樁所受下拉荷載分別約為1800，7970，7380kN；③可以看出，接岸結構中板樁、支撐樁所受下拉荷載更大， 其原因是板樁和支撐樁周圍土體沉降量更大； 而斜頂樁樁周軟土無附加荷載，僅在自重下固結，且樁身傾斜，軟土作用于樁身的負摩阻力存在斜向分力， 故所受下拉荷載最小； ④負摩阻力形成的下拉荷載， 會增大樁基受力，進而對樁基承載力產生不利影響。建議采取多種措施削弱負摩阻力的影響， 包括樁基表面涂抹瀝青涂層，通過涂層產生的剪應變來削弱負摩阻力；通過排水固結、 清淤置換或深層水泥攪拌法來進行地基加固，同時接岸結構的頂面高程應適當預留沉降量；通過增大樁基的抗拉剛度來提高樁基承載力等。

圖14 各樁負摩阻力歷時曲線

圖15 各樁下拉荷載歷時曲線

4 原型觀測與數模結果對比

為了解斜頂樁接岸結構中樁基負摩阻力的分布規律， 一期工程中相關單位對支撐樁的軸力做了大量現場監測。 拋填成陸結束后的第514d （次固結階段），支撐樁軸力監測結果表明［5，17，18］：樁頂以下20m范圍內，軸力變化不大；在樁頂以下20～34m范圍內，由于負摩阻力作用， 軸力逐漸增大， 峰值約為11600kN；在34m以下樁段內軸力逐漸減小。

支撐樁軸力在原型與數模中的對比如圖16。 可以看出， 數模計算的支撐樁軸力分布在趨勢與數值上均與原型基本一致。

圖16 原型與數模的支撐樁軸力對比

5 結語

（1）軟土固結會致使回填土體發生位移，引起接岸結構向海傾斜。 樁周土體發生相對樁基的豎向位移，會在各樁表面產生負摩阻力。

（2）飽和軟土中超孔壓消散隨時間發展近似呈指數型衰減，其固結主要發生在主固結階段（約前460d內）。

（3）隨軟土固結發展，斜頂樁、板樁受壓，支撐樁受拉，且各樁在泥面線以下樁段的軸力變化顯著，說明相較于回填土體， 軟土固結產生的下拉力占主導作用。各樁均在樁身一定范圍內產生負摩阻力，斜頂樁、 板樁和支撐樁的中性點位置與樁長比例范圍分別為0.50～0.53，0.68～0.78和0.85～0.92。

（4）樁基的負摩阻力發展具有時間效應，會在各樁表面形成下拉荷載，固結趨于穩定后斜頂樁、板樁和支撐樁受到的下拉荷載分別約為1800，7970，7380kN。 下拉荷載對板樁、 支撐樁承載力的影響更大，建議采取多種措施削弱負摩阻力的不利影響。