基于沉樁作用下高樁碼頭岸坡穩定可靠度的研究

龔長偉

摘 要：隨著經濟與社會的快速發展，我國很多港口的普通碼頭開始無法滿足大型船舶停靠需求，大型高樁碼頭因此在我國各地大量興建，本文以黃驊港兩座碼頭興建過程中存在的現象總結了沉樁對高樁碼頭岸坡穩定可靠度的負面影響，本文通過兩座碼頭的施工對基于沉樁作用下高樁碼頭岸坡穩定可靠度分析進行簡要論述。

關鍵詞：沉樁；高裝碼頭；岸坡

中圖分類號：U656.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）08-0144-02

近年來我國很多港口的普通碼頭開展了高樁碼頭興建，這是由于高樁碼頭在穩定性、便利性方面具備明顯優勢，但在實際調研中發現，許多高樁碼頭在沉樁沉樁過程中造成樁基失穩、滑坡等現象，而為了盡可能減少此類現象、保證高樁碼頭順利竣工，正是本文圍繞基于沉樁作用下高樁碼頭岸坡穩定可靠度開展具體研究的原因所在。

1 沉樁對高樁碼頭岸坡穩定可靠度的不利影響

結合實際調研，本文首先確定了高樁碼頭沉樁施工對岸坡穩定可靠度帶來的不利影響，這種不利影響可以概括為以下四個方面。

1.1 促進土體結構滑動應力提升

由于地面建筑物如果要建在地面上，地面要需要承受較大壓力，為了確保地面有足夠的抵抗壓力的強度，需要對承受建筑物的地面進行加固，在地基上沉樁，將大部分建筑的重力轉移至地下較深的位置，提升地基的應力水平。沉樁屬于高樁碼頭施工的第一個且比較重要的環節，過程中必然會對樁位處的原狀土造成破壞，進而導致樁基周圍土體內部空隙水壓升高，這是由于樁隨著錘擊，不斷深入原狀土，樁體對原狀土的擠壓導致樁周土體應力不斷增加，沉樁時間快則四十分鐘，慢則兩個小時，這么短的時間無法實現飽和土體的排水固結，結合摩爾-庫倫破壞準則、太沙基有效應力原理，可以確定在沉樁施工與水文地質環境的共同作用下，高樁碼頭岸坡土壤結構將不斷發生變化，這種變化會直接影響碼頭岸坡及護岸結構的穩定性。結合近年來進行的實際施工的調研不難發現，沉樁引發岸坡基礎結構重塑的情況在高樁碼頭施工中屢見不鮮，由此必須高度重視沉樁帶來的結構穩定性影響。

1.2 加劇壓縮現象發生概率

一般情況下，高樁碼頭岸坡沉樁施工前要進行排水處理，如施工單位未進行排水處理，樁碼頭岸坡沉樁施工很容易出現壓縮問題，這一問題帶來的岸坡結構可靠度與穩定性影響同樣需要得到關注。為避免高樁碼頭岸坡沉樁施工出現壓縮現象，施工單位必須高度重視排水處理環節，同時具體施工前做好施工地水文地質相關勘察，以此落實針對性較強的處理措施，即可有效減小或避免沉樁對高樁碼頭岸坡穩定可靠度造成的負面影響。

1.3 導致土體穩定性降低

假定沉樁過程中總應力是不變的，高樁碼頭岸坡沉樁施工必然造成樁體周圍原狀土土體結構的擠壓，這種擠壓將不可避免的造成土體結構穩定性和強度下降。而如果沉樁速度過快，則樁周圍土體將出現超孔隙水壓力大范圍提升的情況，因沉樁施工速度過快則會使孔隙水壓力無法及時消散，高樁碼頭岸坡將出現變形，嚴重時會造成岸坡失穩。值得注意的是，沉樁速度過快帶來的影響在軟黏土岸坡中的表現更為顯著，施工單位應通過制度約束避免這種施工行為的出現。此外，經過學界的廣泛試驗、實踐驗證，可以確定孔隙水壓力屬于衡量高樁碼頭岸坡穩定可靠度最重要指標。

1.4 加劇了土體振動速度

除上述內容外，土體受樁、錘撞擊產生的振動影響將產生振動加速度，由此帶來的滑動力矩增大將大幅將土體強度，這一影響在靈敏度較高的飽和砂土中極為顯著，對高樁碼頭岸坡穩定可靠度的影響極大。但相較于上文提及的土體結構擠壓，由于樁、錘撞擊產生的振動在瞬間發生，這就使土體的振動加速度以交替方式形成，這樣會使土體產生振動加速度對高樁碼頭岸坡穩定可靠度產生的負面影響遠遠低于孔隙水壓力帶來的影響。

2 基于沉樁作用下高樁碼頭岸坡穩定可靠度分析

2.1 對超孔隙水壓力分布狀況進行簡要分析

由于沉樁會在較短的時間內完成將樁身相同體積的土擠向周圍的物理過程，樁周圍的土體受到擠壓作用，會出現豎向和水平平移的現象，由此會發生重塑和擾動作用。眾所周知，在沉樁過程中，樁周圍的土體會形成四個區域，即完全損傷區、塑性影響區、彈性影響區和忽略不計的區域。實踐研究結果表明，樁周圍土體的橫向移動幾乎可以忽略不計，主要研究方向是樁周圍土體的縱向移動。我負責施工的兩座碼頭，共沉樁5475根，包括預應力混凝土方樁，預應力大直徑管樁及鋼管樁，沉樁結束后，配合科研單位對樁周圍的土體進行受力分析，發現樁周圍土體中存在超孔隙水壓力分布，該結果能夠通過小孔擴張理論得到證實。一般將沉樁過程認作是軸對稱擴張，因此根據軸對稱理論能夠求出樁周圍土體中超孔隙水壓力增量。研究發現，塑性影響區的超孔隙水壓力增量與計算半徑呈對數關系，超孔隙水壓力增量在樁和樁周土體的交界處達到最大值，在縱向，隨著樁中心距離的加大，超孔隙水壓力增量會不斷減弱；而彈性影響區的超孔隙水壓力增量與計算半徑呈反比關系，且彈性影響區的超孔隙水壓力增量很小，幾乎可以忽略不計。因此，在分析超孔隙水壓力增量對岸坡穩定可靠度影響的過程中，只需考慮塑性影響區內超孔隙水壓力增量對岸坡穩定性的影響[1]。

2.2 對土體應力狀況進行簡要分析

通過研究表明沉樁后的超孔隙水壓力和樁周土體應力分布具有空間性的特點，并且隨著深度的變化，凈孔隙水壓力逐漸減小。在沉樁的初始階段，超孔隙水壓力增量會隨著深度的增加而增大，在地質均勻的土體中，超孔隙水壓力增量隨深度的增長較為明顯的線性關系，在地質不均勻的土體中，此類現象會弱化。由于沉樁時，多種形式的力施加在樁周土體內，在多力作用下，必然增加樁周土體內的超孔隙水壓力，當有效應力大于樁周土體的抗拉程度時，樁周土體會液化，液化到達一定程度后，樁周圍土體會出現開裂現象，土體開裂會就導致超孔隙水壓力的急速擴大[2]，這也就是通常所說的水裂現象，即由高孔隙水壓力導致樁周土體壓力降低引發的土體開裂現象。對水裂現象產生的原因進行深入分析可知，超孔隙水壓力不是無限擴大的，而是存在一定的限制，這是因為超孔隙水壓力的增加與樁周土體的初始應力以及沉樁過程中產生的附加力存在一定關系。在沉樁過程中，橫向裂縫和縱向裂縫不可能同時存在，因此，超孔隙水壓力在水平方向上距離樁的半徑處于最小值狀態。若最終的計算結果顯示，超孔隙水壓力值超過水裂控制值，應取橫向開裂的值[3]。

3 實例驗證

在全面了解了沉樁對高樁碼頭岸坡穩定的影響程度后，針對黃驊港某港口的碼頭結構進行了深入分析。首先要簡單了解該港口的具體情況，港口一共有四個五萬噸的多用途泊位，且碼頭結構為高樁板梁式結構，碼頭的全長為1284米，寬為60米，碼頭通過3座引橋與陸域連接，此外，碼頭面高程+6.00m，前沿設計的水深為-15.3米。該港口后承臺采用預應力混泥土方樁，前承臺采用預應力混凝土管樁作為碼頭基樁，且每個榀排架下都有十三根樁，需要注意的是，該港口使用的管樁直徑為1200毫米，每根樁長都在45-55米范圍內。施工前深入分析在沉樁過程中影響該港口岸坡穩定可靠度的具體因素。根據該港口的沉樁工作過程和具體的施工條件、施工效率可知，每天沉樁16-20根。在沉樁過程中不會再同一斷面上連續沉樁，以此避免因為沉樁速度過快造成岸坡變形、樁基斷裂的情況。設定打樁船再次沉樁時，樁周孔隙水壓力已經部分消散，由此可以分析得出，該港口在沉樁過程中最危險的情況時在打入第三根樁時。而在具體的計算結果中也顯示出，此時可靠度指標相對降低，失效概率增大，由此可知，隨著沉樁密度的增加，安全系數也會隨之下降，在沉樁施工的擾動下，岸坡存在變形和滑動的可能。

4 結語

綜上所述，高樁碼頭岸坡沉樁施工很容易對岸坡穩定可靠度造成負面影響。而在此基礎上，本文涉及的提升土體結構滑動應力、引發壓縮現象、引發變形和失穩、土體產生振動加速度等研究內容，則證明了研究具備的較高實踐價值。因此，在相關領域的理論研究和實踐探索中，本文內容能夠發揮一定程度的參考作用。

參考文獻

[1]賀家樹.鉆孔植入樁施工技術在高樁碼頭中的應用[J].中國港灣建設，2017，37（07）：85-89.

[2]陳航，付亮.高樁碼頭超長鋼管樁沉樁施工技術[J].中國水運（下半月），2017，17（05）：176-179+182.

[3]張晟溥.高樁碼頭大管樁沉樁施工技術[J].科技與創新，2017，（06）：150-151.