不同嵌固深度碼頭單錨板樁受力變形分析

楊琴琴，劉華崢

（煙臺仲伯企業(yè)管理咨詢有限公司，山東 煙臺 264000）

板樁碼頭作為三大碼頭結(jié)構(gòu)形式之一，除特別堅硬或軟弱的地基外，在黏土、粉質(zhì)黏土、砂土、碎石土和強風(fēng)化巖等地基，板樁碼頭均可適用[1]。板樁碼頭通常由前墻、拉桿和錨碇結(jié)構(gòu)三大部分組成，其中，前墻直接承受墻前后土壓力、船舶荷載及工藝荷載作用，它的穩(wěn)定與否直接決定整個碼頭結(jié)構(gòu)的安全[2-4]。前墻可采用鋼板樁、地下連續(xù)墻、鋼筋混凝土板樁等，其中，鋼板樁、鋼筋混凝土板樁可采用柴油錘、振動錘等設(shè)備進行沉樁，施工速度較快[5]。

鋼筋混凝土板樁由于起重能力限制，斷面尺寸、抗彎能力一般較小，主要用于中小型碼頭。鋼板樁和地下連續(xù)墻抗彎能力較強，一般用于大型碼頭，鋼板樁在大型碼頭應(yīng)用較多，沉樁設(shè)備常規(guī)、沉樁速度快；地下連續(xù)墻早期用于基坑等工程的圍護墻，需要專門的成槽設(shè)備及施工隊伍，近些年在唐山等地區(qū)碼頭進行了實際應(yīng)用，現(xiàn)澆鋼筋混凝土工程量大，制作鋼筋籠長達40 m，施工速度較慢，但其優(yōu)點是受結(jié)構(gòu)自身限制，對于較硬巖石地層，鋼板樁、鋼筋混凝土板樁均無法進行沉樁，而地下連續(xù)墻可采用雙輪銑將較硬巖石破碎、成槽[6-8]。

相對其他碼頭結(jié)構(gòu)型式，板樁碼頭對地基變化更敏感，施工工藝受基巖影響更大，相關(guān)理論研究及工程實例很少[9]。目前，有關(guān)較硬巖石為持力層的水運碼頭地下連續(xù)墻的工程實例較少，板樁碼頭規(guī)范對涉及地下連續(xù)墻基巖段的嵌固計算未做明確說明，計算參數(shù)未給出建議值。因此，研究結(jié)合實際工程案例，對復(fù)雜地質(zhì)條件下的不同嵌固深度單錨地下連續(xù)墻板樁碼頭參數(shù)選取及計算方法進行分析研究。

1 工程概況

某水運碼頭工程位于蘇北魯南交界處，繡針河西側(cè)岸線，距入?？诩s2 km。新建3 個散貨泊位和3個件雜貨泊位。河流上游設(shè)有橡膠壩，工程區(qū)水位受潮汐影響明顯。場地上覆土層依次為素填土、中砂、淤泥質(zhì)黏土、黏土、粗礫砂，下伏基巖為強風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖。碼頭結(jié)構(gòu)方案采用地下連續(xù)墻板樁結(jié)構(gòu)，由前墻、鋼拉桿、胸墻、錨定墻等組成[10]。前墻為1.0 m厚現(xiàn)澆鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，墻底高程為-14.0 m，入中風(fēng)化巖不小于1.2 m，地下連續(xù)墻墻頂設(shè)置1 道鋼拉桿（高程為-2.80 m）。

2 計算方法及計算參數(shù)的確定

2.1 計算方法的確定

目前，單錨地下連續(xù)墻板樁結(jié)構(gòu)計算方法主要有彈性線法、自由支承法及豎向彈性地基梁法。彈性線法主要用于單錨板樁的彈性嵌固狀態(tài)，內(nèi)力計算不考慮板樁剛度，對剛度較大的地連墻計算不準確；自由支承法用于單錨板樁底端為自由支承狀態(tài)；豎向彈性地基梁法適用于板樁不同剛度、不同支承條件和邊界條件的情況。故單錨板樁一般采用豎向彈性地基梁法（即m 法）進行計算。單錨板樁結(jié)構(gòu)在土中的工作狀態(tài)建議盡量達到底端彈性嵌固狀態(tài)，這種狀態(tài)板樁穩(wěn)定性好，入土部分位移小，板樁斷面小，此外，與樁基規(guī)范相比，板樁規(guī)范未規(guī)定墻底入巖深度建議。因此，研究設(shè)置了4 種不同的嵌固工況，分別是工況A：地下連續(xù)墻嵌入中風(fēng)化巖1.2 m（墻底高程為-14.50）；工況B：地下連續(xù)墻嵌入中風(fēng)化巖0.5 m（墻底高程為-10.56）；工況C：地下連續(xù)墻嵌入至強風(fēng)化巖底部（墻底高程為-10.06）；工況D：地下連續(xù)墻嵌入至粗礫砂層底部（墻底高程為-7.31）。

2.2 計算參數(shù)的確定

m 法計算結(jié)果的精確程度取決于m 值的選取，場區(qū)的地層較為復(fù)雜，存在黏性土、砂土和基巖，對于m 值的確定需考慮各個巖土層的物理力學(xué)性質(zhì)。對于正常固結(jié)土、粒狀土，同一種土層中m 法的地基水平抗力系數(shù)與入土深度呈線性增長關(guān)系，線性比例系數(shù)即為m值。如果板樁泥面處位移大于10 mm，m 值應(yīng)折減，具體取值需結(jié)合實際土質(zhì)、板樁變形及工程經(jīng)驗。規(guī)范僅提供了正常固結(jié)土、粒狀土（黏土、砂土、碎石土）對應(yīng)的m 取值范圍，對于風(fēng)化巖這種塊狀巖土的m 值規(guī)范未進行明確說明。綜合考慮場區(qū)的物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合室內(nèi)試驗，場區(qū)工程巖土層參數(shù)指標如表1所示。從表1 中可以看出，各個土層的厚度分布總體均勻，厚度較大的地層主要為（1）素填土層和（5）粗礫砂層，抗剪強度較低的地層主要為（1）素填土層、（3）淤泥質(zhì)黏土層和（4）黏土層。

表1 各土層參數(shù)計算取值

強風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖的巖石地基抗力系數(shù)（即K值）參照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的巖石地基抗力系數(shù)[11]。由于研究項目中，中風(fēng)化花崗巖飽和單軸抗壓強度為41.4 MPa，板樁參數(shù)對應(yīng)樁基參數(shù)進行調(diào)整，強風(fēng)化巖的巖石地基抗力系數(shù)取100 000 kN/m3、地基承載力取1 000 kPa，中風(fēng)化巖的巖石地基抗力系數(shù)取2 000 000 kN/m3、地基承載力取25 000 kPa。

3 計算結(jié)果分析

由于工程區(qū)巖面起伏較大，研究采用典型地質(zhì)斷面對4 種不同工況進行計算，計算時假設(shè)前墻底高程、碼頭設(shè)計水深不變，工況A ～工況D的前墻彎矩分布計算結(jié)果如圖1~圖4。從圖1～圖4中可以看出，不同嵌固深度的地下連續(xù)墻板樁彎矩圖具有相同的變化規(guī)律，均呈現(xiàn)“S”型的分布，在河床底部附近（高程-7.20 m）出現(xiàn)反彎，在嵌固段和非嵌固段均存在明顯的彎矩峰值。其中，工況A 條件下，地下連續(xù)墻板樁非嵌固端的彎矩峰值為1 170.90 kN·m，嵌固端的彎矩峰值為-2 459.25 kN·m；在工況B 條件下，地下連續(xù)墻板樁非嵌固端的彎矩峰值為1 195.59 kN·m，嵌固端的彎矩峰值為-2 280.35 kN·m；在工況C 條件下，地下連續(xù)墻板樁非嵌固端的彎矩峰值為1 280.71 kN·m，嵌固端的彎矩峰值為-1 985.45 kN·m；在工況D 條件下，地下連續(xù)墻板樁非嵌固端的彎矩峰值為1 758.22 kN·m，嵌固端的彎矩峰值為-1 088.50 kN·m。

圖1 工況A 單錨地下連續(xù)墻板樁前墻彎矩圖

圖2 工況B 單錨地下連續(xù)墻板樁前墻彎矩圖

圖3 工況C 單錨地下連續(xù)墻板樁前墻彎矩圖

圖4 工況D 單錨地下連續(xù)墻板樁前墻彎矩圖

對工況A ～工況D 的“踢腳”穩(wěn)定性系數(shù)、地下連續(xù)墻最大彎矩設(shè)計值、最大剪力設(shè)計值、地下連續(xù)墻最大位移、地基反力和拉桿拉力設(shè)計值進行統(tǒng)計，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，從工況A 至工況D，隨著地下連續(xù)墻板樁嵌固深度的不斷減小，其“踢腳”穩(wěn)定性系數(shù)不斷減小，當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻墻底未入巖時（工況D），其“踢腳”穩(wěn)定性系數(shù)小于1.0，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，而對比工況C 和工況D，當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻增加0.5 m 進入中風(fēng)化花崗巖，地下連續(xù)墻“踢腳”穩(wěn)定性系數(shù)從1.12 增加至1.64，增加幅度達到46%；從工況A 至工況D，隨著地下連續(xù)墻板樁嵌固深度的不斷減小，地下連續(xù)墻的最大剪力設(shè)計值呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，最大位移則相反，表現(xiàn)為逐步增加的趨勢；地下連續(xù)墻板樁隨著嵌固深度的不斷減小，地基反力迅速下降，從工況A 的2 511.04 kPa，下降到工況D 的471.32 kPa，下降幅度達到81%；鋼拉桿拉力設(shè)計值隨著嵌固深度的不斷減小而不斷增加，這是因為地下連續(xù)墻的深度減小，逐步將土壓力傳遞給鋼拉桿所致。

表2 單錨地下連續(xù)墻板樁結(jié)構(gòu)方案計算結(jié)果對比表

經(jīng)表2 中各計算參數(shù)的對比可得，上覆土層較厚時，工況D 未入風(fēng)化巖計算結(jié)果類似常規(guī)板樁碼頭，墻前正彎矩大于墻后負彎矩，板樁入土段長度需大于泥面以上樁段長度才能滿足踢腳穩(wěn)定要求。上覆土層較薄時，前墻進入風(fēng)化巖對減小變形及拉桿拉力、踢腳穩(wěn)定有利；進入風(fēng)化巖后，墻受約束作用逐漸變大，墻后負彎矩、端部地基反力變大，出現(xiàn)墻后負彎矩大于墻前正彎矩的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

相對其他碼頭結(jié)構(gòu)形式，板樁碼頭對地基變化更敏感，施工工藝受基巖影響更大，相關(guān)理論研究及工程實例很少。研究以某水運碼頭工程單錨板樁設(shè)計為例，針對場區(qū)土層及巖層分布不均勻、變化無規(guī)律，地下連續(xù)墻嵌固深度受地層起伏變化影響的情況，運用數(shù)值計算的方法，設(shè)置了4 種不同的嵌固深度工況，研究單錨地下連續(xù)墻板樁的受力和變形變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

（1）不同嵌固深度的地下連續(xù)墻板樁彎矩圖具有相同的變化規(guī)律，均呈現(xiàn)“S”型的分布，在河床底部附近出現(xiàn)反彎，在嵌固段和非嵌固段均存在明顯的彎矩峰值。

（2）進入風(fēng)化巖后，地下連續(xù)墻板樁受約束作用逐漸變大，墻后負彎矩、端部地基反力變大，出現(xiàn)墻后負彎矩大于墻前正彎矩的現(xiàn)象。

（3）從工況A 至工況D，隨著地下連續(xù)墻板樁嵌固深度的不斷減小，其“踢腳”穩(wěn)定性系數(shù)、最大剪力設(shè)計值、地基反力呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，地下連續(xù)墻最大位移、鋼拉桿拉力設(shè)計值則相反，表現(xiàn)為逐步增加的趨勢。綜合比較，地下連續(xù)墻板方案采用工況C。