基于軟土地基條件下高樁碼頭樁基沉降變形分析

◎ 邱拓荒 福建省港航勘察設計院有限公司

在港口工程領域，高樁碼頭較為常見，其受力明確，結構較為輕便，符合軟土地基環境的使用需求，因而在我國沿海地區被廣泛應用。在軟土環境當中，向碼頭施加一定外力后，會在每個樁上產生不同的軸力，進而使沉降存在一定差異。

實際當中，若軟土地基出現沉降現象，會對碼頭造成一定干擾。其中，最直接的就是地基沉降，會使整個碼頭結構產生裂縫，降低碼頭承載力。在我國港口相關規范當中，沒有針對高樁碼頭建設的需求，制定出相應的樁基沉降標準。本文以南方某港高樁碼頭為研究對象，首先參照其他領域的規范進行沉降理論值的計算，在設計環節預測出軟土地基的沉降值。待工程完工后，再測量沉降的實際數據，通過對兩個數值的對比，進而確定出有效的軟土地基沉降預測方法。

圖1 高樁碼頭結構斷面圖

1.工程概況

本次研究以南方某港通用碼頭為研究對象，其結構為高樁梁板式透空結構，碼頭平臺以船舶荷載與波浪力等水平力作用為主，全長180m，共由兩部分組成。每個排架之間，相距7.15m。橫向排架內，以8個1m的鋼管為主，由右側開始，其編號分別是1～8。整個樁長度是50m，樁頂高程是6.5m，泥面高程是-13.5m，樁底高程是-53.5m，碼頭斷面如圖1所示。

通過工程地質勘察報告可知，項目所在地區的地質條件為第四系湖積層地質單元。在土壤當中，以淤泥為主，伴有少量泥炭土等。與地面之間相距5.05±0.55m，相對高差在1.15m左右。該結構抗剪強度較低，承載能力不高。

2.理論計算

目前，我國高樁碼頭通常以《高樁碼頭設計與施工規范》為依據，但其中并未明確樁基沉降的計算方法。為了提高設計的精確度，為后期施工和運營提供技術支持，需要在工程設計階段，就要算得較為精確的沉降數據。本項目參照《建筑樁基技術規范》中相應的樁基理論計算公式，對高樁碼頭的樁基進行理論計算。確定樁基沉降時，主要從兩個方面出發，一個為沉降量，另一個為沉降差。規定中要求：對單樁和單排樁、承臺底地基土不分擔荷載的樁基，在樁端面的下部，通常會出現一定的附加應力，對其計算時，需要使用到明德林解，具體來說，為公式(1)～(3)。地基使用時，在樁的兩端，存在一定阻力，在這一阻力的作用下使得樁基出現了較大的應力。對j樁基分析時，一方面，應計算自身重力作用下，所帶來的附加應力，同時，還要加入其它樁對其帶來的應力。兩者之和，即為總的附加應力。高樁碼頭設計時，參照下述公式，計算樁基的沉降的具體數值。在分析時，以單向壓縮分層總和法為主，并以此為基礎，添加了樁身壓縮se。計算公式如下：

表1 碼頭地層分布表

表2 計算值與實測值沉降數據對比表

圖2 樁基沉降計算結果與實際測量對比圖

其中：

σzi表示在整個影像區域內，以土層1/2厚度為基準，所出現的所有垂直應力和；m表示在計算點的基礎上，以1.2倍為直徑，所存在的樁基數；

Qj表示在j樁基處，受到荷載效應的影像時，樁基所存在的附加荷載（kN）；

Lj表示j樁的長度（m）；

表示j樁存在的阻力，與頂部存在荷載的比值；

Ip,ij表示樁端處，以土層1/2厚度為基礎，所存在的影響常數；

Is,ij表示樁側處，以土層1/2厚度為基礎，所存在的影響常數；

Ψ表示經驗常數，若無經驗，則選擇為1.0；

Esi表示i土層處，所具有的壓縮模量（MPa）；

Δzi表示i土層處，具體的厚度值（m)；

se表示在樁基處，所存在的壓縮量；

ξe表示在樁基處，所存在的壓縮常數；

Ec表示在樁身處，所具備的彈性模量；Aps表示截面積。

對于樁頂荷載Q來說，選擇了軸向力，以這些數據為基礎，對上述公式進行運算，進而推導出沉降量s，具體來說如表2所示。

3.實際測量

對于本碼頭來說，以軟土地基為主，根據相關規定要求，應在工程結束后，選擇相應位置，確定出永久測量點，以對沉降情況進行觀測。

3.1 沉降觀測的原理

沉降測量時，選用水準測量的方式，在建筑物上，選擇出特定的監測點，通過設備的直接測量，獲得高程值。以連續兩側測量結果為基準，做出橫向的對比，進而確定高程是否改變，并推導出沉降量。

3.2 基準點的布設

基準點選擇時，應保證其不會干擾碼頭的正常運行，通常處于30～50m范圍內，且在3個以上。本研究中，在50m處構建出三個監測點。

3.3 基準點的觀測及計算

以3個監測點為基準，通過平差測量的方式，獲得實際沉降數據，并通過相應的軟件進行運算，進而得到最終結果，如圖2所示。

4.計算結果對比

由圖2可見，理論計算的最大沉降為26.1mm，最少沉降為20.32mm，最大沉降差是5.78mm。實際觀測到的沉降量最大沉降為30.1mm，最小沉降為19.1mm，最大沉降差是11.0mm。

理論計算與實際觀測得到的樁基沉降量，趨勢一致，基本接近。說明通過建筑樁基規范，計算高樁碼頭樁基沉降是可靠的。通過數據得到，理論計算出來的樁基沉降量更小，更平穩。原因在于理論計算考慮了樁頂荷載對計算樁周圍的土體產生了附加的應力，所以沉降量更小。

5.結語

本項目參照《建筑樁基技術規范》中計算樁基沉降理論計算公式，對高樁碼頭樁基進行了理論計算。并在工程結束后，又進行了實際測量。通過對兩個結果的對比，能夠得到結論：

（1）由理論計算結果可知，樁基結構使用時，沉降是不均勻的。在實測時，獲得的數據也并非線性關系，兩者基本相同。在高樁碼頭處，通常存在數十毫米的沉降，若地質條件交叉，或者是對沉降要求較高，應總體來計算；

（2）在橫向排架處，存在少量沉降差異，所以，若軸力差異超過一定標準后，因而推導出沉降存在的差異情況；

（3）理論計算時，涉及到了地基樁之間的互相交換作用，因而對于結果來說，非常貼近實測數值，所以在高樁碼頭建設時，可利用這一理論方法當做預測方法。