泡沫輕質(zhì)土在板樁碼頭結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

陳勇康，李春陽(yáng)，單恒年

(中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510290)

近年來，為適應(yīng)航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展和船舶大型化的需要，碼頭朝著深水化、大型化的趨勢(shì)發(fā)展[1]。板樁碼頭作為一種重要的碼頭形式，具有受力明確、適應(yīng)變形能力強(qiáng)、整體性好、造價(jià)低、環(huán)境友好等特點(diǎn)，在實(shí)際工程中已大量應(yīng)用。但當(dāng)碼頭噸級(jí)過大時(shí)，板樁碼頭前墻位移、內(nèi)力顯著增大，不僅影響使用，且導(dǎo)致造價(jià)增加。另外，板樁碼頭后方常用的回填材料為塊石、砂等，由于國(guó)家環(huán)保政策趨嚴(yán)，導(dǎo)致近年來市場(chǎng)供應(yīng)緊張，價(jià)格大幅上漲。在此背景下，利用泡沫輕質(zhì)土不可壓縮、直立性好、密度小等特點(diǎn)，既可以減少填土荷重和對(duì)前墻的土壓力，同時(shí)也可減少板樁碼頭的水平位移變形和碼頭前沿作業(yè)地帶的沉降，使得碼頭的整體穩(wěn)定性系數(shù)增大，提高工程質(zhì)量[2]。

1 工程概況

碼頭頂面高程為5.6 m，港池前沿設(shè)計(jì)底高程為-16.0 m。碼頭結(jié)構(gòu)采用鋼管組合板樁結(jié)構(gòu)，前墻采用壁厚24 mm、直徑2 032 mm鋼管樁與Z型鋼板樁組合，頂高程2.0 m。組合板樁上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆C40鋼筋混凝土胸墻。錨碇墻采用直徑1 000 mm鋼管樁與Z型鋼板樁組合結(jié)構(gòu)，頂高程2.0 m。前墻與錨碇墻采用鋼拉桿相連，鋼拉桿間距3.35 m，安裝高程為0.5 m，直徑為130 mm。墻后先采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓，再采用水泥攪拌樁進(jìn)行二次加固處理。前墻后高程1.0 m以上至路面結(jié)構(gòu)回填泡沫輕質(zhì)土。碼頭典型斷面見圖1。

圖1 碼頭典型斷面(高程：m；尺寸：mm)

2 模型建立

為研究鋼管組合板樁空間受力特性及與土體的相互作用，采用PLAXIS 3D空間三維有限元數(shù)值模擬軟件，分別計(jì)算碼頭后方回填泡沫輕質(zhì)土和中粗砂2種結(jié)構(gòu)，對(duì)比研究前墻、錨碇墻、拉桿、PHC樁基等結(jié)構(gòu)的受力特性。

2.1 土體本構(gòu)模型及參數(shù)

為了便于建模，首先將前墻鋼管樁和Z型板樁根據(jù)截面等效原則簡(jiǎn)化為板樁結(jié)構(gòu)。土體本構(gòu)模型采用土體硬化模型(hardening soil model)，這是一種高級(jí)土體模型，其彈性部分可以分別考慮土體的加載、卸載剛度及土體模量隨應(yīng)力增加而增大的特性；其塑性部分采用非相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則和各向同性的硬化準(zhǔn)則，可較好地描述曲線形式的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和土體的剪脹性[3]。計(jì)算工況包括堆載預(yù)壓、卸載以及開挖回填等，可以考慮加載、卸載應(yīng)力路徑對(duì)土體的影響。

為真實(shí)模擬板樁-土體的相互作用，用板單元模擬鋼管組合板樁結(jié)構(gòu)，用實(shí)體單元模擬土體和回填材料，在板樁與土體之間加入接觸界面單元，通過選取合適的界面強(qiáng)度因子模擬結(jié)構(gòu)與土體之間的相互作用。用Embedded樁單元模擬后軌道梁PHC樁基，用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錨桿單元模擬拉桿[4]。三維有限元模型見圖2。

圖2 三維有限元模型

2.2 土體參數(shù)取值

為了便于模型計(jì)算，對(duì)實(shí)際土層進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，將土層較薄且參數(shù)相近的土層合并，對(duì)土層厚度進(jìn)行適當(dāng)平均處理，土體參數(shù)取值見表1。

表1 土體參數(shù)取值

2.3 模型范圍及邊界條件

模型的邊界確定對(duì)計(jì)算結(jié)果和精度均有一定影響。為提高計(jì)算效率，在模型的寬度方向選取5倍拉桿間距，取16.75 m。在模型的長(zhǎng)度方向，港池前方長(zhǎng)度與后方長(zhǎng)度對(duì)稱，考慮碼頭堆場(chǎng)荷載作用范圍，取180 m。在模型深度方向，從碼頭頂面一直考慮到板樁持力層以下，取40.3 m。綜合考慮計(jì)算時(shí)間和模型大小，本次模型范圍為16.75 m×180 m×40.3 m。

模型的邊界條件為：約束底面3個(gè)方向的位移，4個(gè)側(cè)面采用法向約束。模型的排水邊界條件為：排水邊界設(shè)在頂面[5]，4個(gè)側(cè)面及底面均為不排水邊界。

2.4 計(jì)算條件及計(jì)算工況

1)碼頭面荷載：前沿5 m范圍內(nèi)為20 kN/m2，5～37 m范圍為30 kN/m2，37～90 m范圍為20 kN/m2，90 m范圍外為50 kN/m2。

2)計(jì)算水位：極端高水位4.57 m；設(shè)計(jì)高水位3.24 m；設(shè)計(jì)低水位0.53 m；極端低水位-0.10 m。

3)地震：本場(chǎng)區(qū)內(nèi)地震動(dòng)峰值加速度值為0.10g，抗震設(shè)防烈度值取Ⅶ度，設(shè)計(jì)地震分組為第1組。

計(jì)算工況選取施工期、使用期最不利工況，嚴(yán)格按照現(xiàn)場(chǎng)施工過程，設(shè)定具體工序如下：

1)原泥面3.89 m高程初始應(yīng)力平衡；

2)場(chǎng)地堆載預(yù)壓至5.6 m高程；

3)場(chǎng)地卸載至原泥面3.89 m高程，打設(shè)前、后鋼板樁，水泥攪拌樁施工；

4)場(chǎng)地開挖至0 m高程，安裝拉桿，打設(shè)PHC樁，現(xiàn)澆軌道梁；

5)墻前港池開挖至-8.4 m高程；

6)墻后回填泡沫輕質(zhì)土；

7)墻前港池開挖至-16.5m高程(考慮超挖影響及墻前開挖拋石影響)；

8)施加剩余水壓力、系纜力、碼頭面均布荷載；

9)利用強(qiáng)度折減法分析模型整體穩(wěn)定性。

3 計(jì)算結(jié)果及對(duì)比分析

3.1 泡沫輕質(zhì)土回填

碼頭后方上部采用泡沫輕質(zhì)土回填時(shí)，模型計(jì)算結(jié)果見圖3。圖3a)為三維有限元模型計(jì)算的使用期最不利工況下整體位移云圖，圖3b)、c)分別為前板樁彎矩和水平位移，圖3d)為PHC樁基軸力。

圖3 泡沫輕質(zhì)土回填模型計(jì)算結(jié)果

3.2 中粗砂回填

碼頭后方上部采用中粗砂回填時(shí)，模型計(jì)算結(jié)果見圖4。圖4a)為三維有限元模型計(jì)算的使用期最不利工況下整體位移云圖，圖4b)、c)分別為前板樁彎矩和水平位移，圖4d)為PHC樁基軸力。

圖4 中粗砂回填模型計(jì)算結(jié)果

表2列出了碼頭后方分別回填泡沫輕質(zhì)土和中粗砂時(shí)的三維有限元模型計(jì)算結(jié)果及對(duì)比。

表2 三維有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比

本工程泡沫輕質(zhì)土回填厚度3.75 m，強(qiáng)度≥1.0 MPa，密度為1.05 kg/m3，相比回填中粗砂，降低了板樁墻的側(cè)向土壓力，從而改善了板樁結(jié)構(gòu)受力。

根據(jù)模型整體位移云圖，土體表層沉降在錨碇結(jié)構(gòu)后側(cè)上方處時(shí)較大。這是因?yàn)榇藭r(shí)錨碇板在拉桿作用下會(huì)往海側(cè)產(chǎn)生水平位移，由于下方錨碇樁的嵌固作用，錨碇板上部水平位移大，下部水平位移小，造成板后的土體向下凹陷。在施工過程中，對(duì)此處要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并及時(shí)采取有效加強(qiáng)措施，避免發(fā)生較大的局部沉降。

從表2的計(jì)算結(jié)果分析可得，碼頭后方采用泡沫輕質(zhì)土回填后，土體表層沉降、前墻彎矩、位移、拉桿拉力、PHC樁軸力均有一定程度的降低，碼頭的整體穩(wěn)定性增大。其中前墻彎矩、PHC樁軸力減小幅度較大，在采用泡沫輕質(zhì)土回填時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，樁基布置和前墻可以有一定的優(yōu)化空間，進(jìn)而提高工程整體經(jīng)濟(jì)性。

計(jì)算結(jié)果表明，采用泡沫輕質(zhì)土材料對(duì)板樁碼頭后方進(jìn)行回填，可避免傳統(tǒng)回填材料自重較大的缺陷，減少對(duì)前板樁墻的土壓力，使結(jié)構(gòu)更為安全[6]。

4 結(jié)論

1)國(guó)內(nèi)采用泡沫輕質(zhì)土的碼頭案例較少，本工程通過PLAXIS 3D三維有限元數(shù)值模擬，進(jìn)行碼頭后方回填泡沫輕質(zhì)土和中粗砂2種材料的結(jié)構(gòu)計(jì)算，并進(jìn)行了對(duì)比分析。

2)采用泡沫輕質(zhì)土回填，利用其不可壓縮、直立性好、密度小、施工便捷等特點(diǎn)，減小了填土自重和對(duì)前墻的土壓力，從而減少了板樁碼頭的水平位移和碼頭前沿作業(yè)地帶的沉降，增大了碼頭的整體穩(wěn)定性，提高了工程質(zhì)量。

3)泡沫輕質(zhì)土的應(yīng)用，有利于助推板樁碼頭大型化發(fā)展，并可為類似工程的建設(shè)提供參考。