張雯雯，別社安，余神光

（1. 天津大學 建筑工程學院，天津300072；2. 中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣州510230）

高樁碼頭是我國港口中應用最廣泛的碼頭結構型式之一［1］，適用于軟土層較厚，適合打樁的地基。高樁碼頭具有投資省、便于施工、使用和維護經(jīng)驗豐富等特點，多年來一直是天津港地區(qū)的主導結構型式。重力式擋土墻接岸結構［2］是高樁碼頭接岸結構中最廣泛使用的一種，由斜坡堤、護面和堤頂?shù)膿跬翂Y構等組成，有著施工簡單、耐久性好、不需要復雜的施工設備等優(yōu)點，其缺點是碼頭岸坡較緩，寬度較大，導致碼頭后方承臺寬度大，造成工程投資不經(jīng)濟。高樁碼頭的接岸結構和后方承臺一般占碼頭投資的30%～50%。所以如果在保證岸坡穩(wěn)定的情況下，適當減少接岸結構的尺度，從而降低后方承臺的寬度，就可以提高碼頭的總利用率，減少碼頭結構的后期維護工作量，對節(jié)省工程投資具有重要意義。

1 高樁碼頭岸坡優(yōu)化方法

針對邊坡穩(wěn)定性計算［3］，與目前常用的極限平衡法相比，有限元方法適用性廣，可視性強，可以考慮土體的非線性本構關系以及變形對應力的影響，并有助于了解邊坡的漸進破壞機理。本文研究主要圍繞天津港高樁碼頭的岸坡整體穩(wěn)定性問題，通過有限元強度折減法［4］（PLAXIS 軟件）對不同規(guī)模的高樁碼頭接岸結構的尺度和后方承臺寬度進行優(yōu)化。

1.1 有限元建模假設

在使用PLAXIS 有限元軟件做數(shù)值模擬計算過程中，采用了如下假設：

（1）假設地下水位為設計低水位；

（2）不考慮高樁碼頭樁基對岸坡整體穩(wěn)定性的影響；

（3）土體假設為勻質，地基初始應力產生僅與土坡自重有關；

（4）假設墻前淤泥的粘聚力隨深度增加而線性增加，具體參數(shù)詳見表1；

（5）為方便計算，將岸坡幾何模型簡化為二維平面應變問題進行處理。

1.2 有限元強度折減法介紹

有限元強度折減法是指將土體的強度參數(shù)C 和φ 同時除以一個折減系數(shù)F，得到一組新的C′和φ′，然后再對邊坡進行有限元分析，通過不斷增大折減系數(shù)使邊坡達到臨界破壞狀態(tài)，把此時的折減系數(shù)作為安全系數(shù)。對M-C 材料，折減系數(shù)可表示為

式中：c 為土體的粘聚力；φ 為土體的內摩擦角；F 為強度折減系數(shù)；c′、φ′分別為折減后的強度參數(shù)。

1999 年，美國科羅拉多礦業(yè)學院Griffith［5］等人采用有限元強度折減法與傳統(tǒng)方法得到的穩(wěn)定安全系數(shù)進行比較，結果比較接近。根據(jù)對比計算結果［6］，有限元算法結果與規(guī)范中的簡單條分法的結果存在較小的差異，如依據(jù)目前規(guī)范的規(guī)定，若將有限元計算出的岸坡整體穩(wěn)定結果用于工程實際，按95%置信度考量，其安全系數(shù)需進行10%的折減，即有限元得出的安全系數(shù)在1.1 以上為安全。

1.3 有限元中邊坡破壞的判定依據(jù)

采用有限元強度折減法分析岸坡的一個關鍵性的問題是如何根據(jù)計算結果來判別岸坡是否處于整體破壞狀態(tài)。目前主要的判斷邊坡失穩(wěn)的判據(jù)［7］主要有以下幾種：

（1）以有限元數(shù)值計算的不收斂性作為岸坡失穩(wěn)標志；

（2）以岸坡特征部位位移的突變臨界點作為失穩(wěn)標志；

（3）以塑性區(qū)從坡腳到坡肩的貫通作為失穩(wěn)標志。

目前相關研究對采用何種標準尚未取得統(tǒng)一，但是目前多以塑性區(qū)的貫通［8］作為標準。

2 高樁碼頭岸坡尺寸優(yōu)化

2.1 建立初始模型

本文將運用PLAXIS 有限元軟件，采用其中的Mohr-Coulomb 模型，分別針對天津港5 萬t 和10 萬t 級散雜貨高樁碼頭，建立高樁碼頭岸坡的數(shù)值模分析模型，接岸結構為重力式擋土墻型式，碼頭-岸坡斷面示意圖如圖1 所示，土體主要參數(shù)見表1，有限元計算結果位移云圖如圖2 所示。以下10 萬t 級散雜貨碼頭為例進行優(yōu)化。

表1 地質參數(shù)Tab.1 Geological parameters

2.2 擋土墻高度h 和擋土墻寬度b 對岸坡穩(wěn)定性的影響

為了探究重力式擋土墻尺寸對岸坡整體穩(wěn)定性的影響，進行如下分析：

選取10 萬t 級散雜貨碼頭岸坡，針對坡比1:3、坡肩寬度48 m 的岸坡尺寸，在4 種不同坡肩泥面高程（+1.0 m、0 m、-1.0 m、-4.0 m）情況下，分別改變擋土墻的寬度、高度，研究擋土墻的尺寸對岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響。另外為排除固定坡比和坡肩寬度的影響，另選擇坡比1:2.5、坡肩寬度30 m 的岸坡尺寸，在坡肩泥面高程+1.0 m 的情況下予以驗證。

由計算結果表2、表3 可知，對于高樁碼頭的接岸結構，在其他條件不變情況下，改變擋土墻高度h 或擋土墻寬度b，對碼頭岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響不大。因此遵循既滿足擋土墻自身抗滑、抗傾穩(wěn)定性要求，又滿足工程造價最低的原則，可得到10 萬t 級散雜貨高樁碼頭重力式擋土墻接岸結構最優(yōu)擋土墻尺寸（如表4所示）。

表2 坡比1:3、坡肩寬度48 m 方案下，不同泥面下?lián)跬翂Τ叽鐚Π镀抡w穩(wěn)定性的影響Tab.2 Effect of retaining wall scale on stability of the whole bank in different mud surface with 1:3 slope ratio and 48 m slope shoulder width m

表3 坡比1:2.5、坡肩寬度30 m 方案下，+1 m 泥面下?lián)跬翂Τ叽鐚Π镀抡w穩(wěn)定性的影響Tab.3 Effect of retaining wall scale on stability of the whole bank in +1 m mud surface with 1:2.5 slope ratio and 30 m slope shoulder width m

表4 10 萬t 級散雜貨高樁碼頭不同坡肩泥面高程下最優(yōu)擋土墻尺寸Tab.4 Optimal retaining wall scale of 1million-ton bulk cargo high piled wharf m

2.3 坡肩寬度B 對岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

高樁碼頭岸坡肩寬度B，對于碼頭岸坡穩(wěn)定性具有重要影響。對坡肩寬度進行優(yōu)化研究，對于減少碼頭岸坡寬度L 和縮減后方承臺造價具有重要意義。選取10 萬t 級散雜貨碼頭岸坡，分別在坡比1:3 情況下改變坡肩寬度，在4 種不同坡肩泥面高程（+1.0 m、0 m、-1.0 m、-4.0 m）情況下，研究坡肩寬度B 對岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響。計算結果（表5）表明，隨著坡肩寬度B 的減小，岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)也在不斷減小。

2.4 岸坡坡比對岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響

作為高樁碼頭岸坡特征尺度之一的岸坡坡比，對于碼頭岸坡整體穩(wěn)定性也具有重要影響，合理的岸坡坡比可以減少碼頭岸坡寬度L，從而降低后方承臺的寬度及造價。選取10 萬t 級散雜貨高樁碼頭，分別在給定的坡肩寬度B 情況下，改變岸坡坡比，在4 種不同坡肩泥面高程（+1.0 m、0 m、-1.0 m、-4.0 m）情況下，研究岸坡坡比對岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的影響。計算得出各種情況下的碼頭岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)。計算結果（表5）表明，隨著坡比的增大，岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)在不斷減??；隨著坡肩寬度的減小，岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)的減小更加明顯。

表5 岸坡尺寸對岸坡穩(wěn)定性影響Tab.5 Effect of bank scale on bank slope stability

2.5 岸坡優(yōu)化結果

綜上所述，針對重力式擋土墻接岸結構的碼頭岸坡，擋土墻的尺寸變化對于碼頭岸坡優(yōu)化的作用不明顯，因此擋土墻尺寸根據(jù)自身穩(wěn)定性得出。而岸坡穩(wěn)定安全系數(shù)隨著坡肩寬度B 的減小、坡比的增大，而不斷減小。

因此，可以得出10 萬t 級散雜貨高樁碼頭不同泥面下的最優(yōu)岸坡斷面尺寸，及相對原始泥面設計下節(jié)約的工程造價(已包括挖泥造價)，同理，也可計算出5 萬t 級散雜貨高樁碼頭不同泥面下的最優(yōu)岸坡斷面尺寸，及相對原始泥面設計下節(jié)約的工程造（表6），不難看出，適當?shù)卦黾油谀嗌疃?，增大擋土墻前后泥面高差，雖然相對于原始泥面增加了挖泥的工程量，但后方承臺寬度的縮減所減少的造價足以彌補挖泥所多出的造價。但前方泥面也不宜太低，從表6 中不難看出，10 萬t 級散雜貨高樁碼頭-1.0 m 與-4 m 相比節(jié)約的造價并沒有變化太多，因此依據(jù)工程量比較，10 萬t 級散雜貨高樁碼頭的較適宜泥面為-1.0 m。同理可以看出5萬t 級散雜貨高樁碼頭的較適宜泥面為0 m。

表6 高樁碼頭重力式擋土墻接岸結構優(yōu)化Tab.6 Optimization of gravity retaining wall shore-connecting structure of high piled wharf m

3 結論

（1）基于PLAXIS 的有限元強度折減法對高樁碼頭岸坡穩(wěn)定性的判別和優(yōu)化具有可視性強，便于觀察應力與破壞機理等優(yōu)點。

（2）基于PLAXIS 的碼頭接岸結構岸坡優(yōu)化結果表明，在保證岸坡穩(wěn)定的前提下，適當加大擋土墻前后泥面高差，可以減小岸坡坡肩寬度和岸坡坡比，有效減小后方承臺的寬度，從而達到節(jié)省工程投資的目的，并且在使用階段提高了碼頭的總利用率，減少了碼頭結構的后期維護工作量。

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