高樁碼頭樁后回淤對樁的影響數值分析

張振超，李慧娣

（1.中航天建設工程集團有限公司，北京 100071；2.中國建筑技術集團有限公司，北京 100013）

引 言

高樁碼頭主要由上部結構的面板和面板下的樁基礎兩部分組成。面板構成碼頭的地面，并把樁基礎連成整體，直接承受作用在碼頭上的水平力和垂直力，并把他們傳給樁基礎，樁基礎再將這些力傳給地基。高樁碼頭適用于軟土地基，具有透空性好、結構輕、減弱波浪效果強、砂石料用量省，且適用于多種工程地質條件等優(yōu)點，因而被廣泛地應用于實際工程中[1]。

高樁碼頭在使用過程中水下泥沙會發(fā)生淤 積[2]，很多高樁碼頭在建成后10 年之內即會出現破損現象，甚至無法正常使用，據我國對使用7～25年的高樁碼頭進行的抽查，結果發(fā)現，有損壞或嚴重損壞的比例高達89 %[3]。高樁碼頭破壞的原因是多方面的，是各種因素綜合作用的結果，其中碼頭水下泥沙淤積的影響是一個重要的但卻被忽視的因素[4]。

實際工程中，高樁碼頭樁后沿淤泥回淤一直是影響結構安全的突出問題[5-6]，對碼頭回淤狀況進行現場勘測也往往受海況、成本等因素制約，面臨著許多現實的困難和挑戰(zhàn)。而對淤泥質高樁碼頭淤泥回淤進行數值模擬研究[7]，不僅會節(jié)省大量的成本，還可以針對極端海況下水下岸淤泥回淤強度進行模擬預報，這對于樁基的設計具有重要的指導意義。

已有的國內外文獻往往單獨考慮碼頭水下岸坡泥沙的主要來源及沖淤總趨勢、淤泥回淤率以及回淤強度、港口淤泥回淤的計算方法等問題[8-11]，對于高樁碼頭后沿回淤分析尚未見報導。本文的出發(fā)點相對而言比較新穎。鑒于此，本文以某國際集裝箱碼頭為例，建立了高樁碼頭與土相互作用的非線性三維有限元數值模型，分析了高樁碼頭樁后回淤前后對碼頭結構的影響。

1 ABAQUS 有限元分析軟件

ABAQUS 以其豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫以及強大的計算功能，在結構與土相互作用的領域得到了廣泛的應用。

在有限元分析過程中，土是巖石風化而成的碎散顆粒的集合體，其本構模型即應力應變關系十分復雜。彈性本構模型主要有：線彈性模型、非線性彈性模型（如鄧肯一張雙曲線模型）、高階的非線性彈性理論模型。彈塑性本構模型主要有：Mohr-Coulomb 模型、劍橋模型、萊特—鄧肯模型、清華彈塑性模型等。每種本構模型均定義或隱含了各自的屈服準則或破壞準則、硬化準則及流動法則。

在以上幾種彈塑性模型中，Mohr-Coulomb模型可以考慮材料等向應變硬化和軟化特性，能較好地描述巖土類材料的材料特性，且參數少，使用方便，在巖土工程界得到了廣泛的應用，因此本文土體選用Mohr-Coulomb模型進行分析。

在簡單應力狀態(tài)下，Mohr-Coulomb屈服準則表示為：

式中：1σ 、2σ 和3σ 分別表示第一、第二和第三主應力；c 和φ 分別表示粘聚力和內摩擦角。

2 工程概況及有限元模型

2.1 工程概況

碼頭結構采用高樁梁板式結構，排架間距 10.5 m。上部結構均為現澆樁帽節(jié)點，預制橫梁和縱向梁系，預制現澆疊合面板結構。由于本工程區(qū)域地質條件十分復雜，其中第15 分段為全直樁，碼頭樁基采用嵌巖樁，每榀排架布置7 根φ2 300 mm 嵌巖樁。圖1 為碼頭斷面（第15 分段）。

圖1 碼頭斷面（第15 分段，1#泊位）

根據相關研究成果，水下岸坡淤積對碼頭結構有重要影響。為了解碼頭水下岸坡淤積情況及為后續(xù)分析淤積體對本工程碼頭結構影響進行計算提供依據，對碼頭水下地形資料進行了分析整理。碼頭從開建之初至今，對碼頭后方的水下地形進行了多次測量。各次測量的觀測時間及對應碼頭后沿水深詳見表1。

表1 碼頭后沿水深歷次觀測結果

根據碼頭后沿水深歷年觀測結果，從2003 年6月至2015 年1 月，對樁后淤泥回淤厚度分為5 種情況，分別為：

1）2003 年6 月，泥面高程為-12 m，淤泥不存在；

2）2006 年8 月，泥面高程為-9 m，淤泥回淤厚度為3 m；

3）2008 年10 月，泥面高程為-6.6 m，淤泥回淤厚度為5.4 m；

4）2012 年5 月，泥面高程為-4.6 m，淤泥回淤厚度為7.4 m；

5）2015 年1 月，泥面高程為-3 m，淤泥回淤厚度為9 m。

2.2 有限元模型

建立一榀排架有限元模型，如圖2 所示。模型中樁徑2.3 m，樁長50 m。土為均質土層，將其簡化為6 層。由于樁的剛度遠大于樁周土體的強度，當樁周土體強度超過屈服極限進入彈塑性階段時，樁基通常仍處于彈性變形階段。因此樁體和承臺所用混凝土材料采用理想彈性模型，土體采用Mohr-coulomb 準則的彈塑性模型。土層基本參數基于實際工程測得的土體力學性能指標，樁和土的參數如表2 所示。

圖2 有限元模型

表2 樁土參數

計算模型靠岸側以及靠海側邊界對x、z 方向均約束，模型底部對x、y、z 方向均約束。在樁與樁周土之間設置滑動接觸面，模擬樁與土的相互作用。模型共67 402 個節(jié)點，共60 707 個單元。碼頭結構和土體單元全部采用八節(jié)點減縮積分單元C3D8R。

水平荷載為36 kN，豎向荷載為135 kN。水平荷載以均布力的形式施加在承臺邊上，方向為垂直于排列方向。豎向荷載以均布力的形式施加在承臺上，方向與樁身方向一致。如圖3 所示。

圖3 單排超長樁模型受力

3 計算結果分析

3.1 泥面高程為-12 m 時樁基最大主應力的分布

圖4 表示泥面高程為-12 m 時樁基最大主應力分布，該情況下樁基最大主應力的模擬結果和實際檢測結果相符合。

根據原設計單位提供高樁碼頭資料，其混凝土水下開裂拉應力為11.288 MPa。由圖4 可以看出，在泥面高程為-12 m 時，樁基最大主應力均滿足抗裂要求。

圖4 泥面高程-12 m 時樁基最大主應力分布

3.2 泥面高程為-9 m 時樁基最大主應力的分布

圖5 表示泥面高程為-9 m 時樁基最大主應力分布。當回淤深度為3 m 時，pile1～pile7 的樁基最大主應力值較原設計狀態(tài)增大。此時，pile6 和pile7的最大拉應力已經非常接近結構的開裂應力。

另外，由圖5 可以看出，樁基拉應力最大值出現在距離樁頂2 m 位置處。且在距離樁頂0～2 m 時，樁基最大拉應力逐漸增大，當大于2 m 時，距離樁頂越遠，樁基最大拉應力逐漸減小。

在距離樁頂41 m 位置，樁基最大拉應力較初始狀態(tài)增大。此位置與樁基接觸的土層為中風化巖。

圖5 泥面高程-9 m 時樁基最大主應力分布

3.3 泥面高程為-6.6 m 時樁基最大主應力的分布

圖6 表示泥面高程為-6.6 m 時樁基最大主應力分布。當回淤深度為5.4 m 時，對比圖5、圖6 可以看出，pile1～pile7 的樁基拉應力最大值增大，且在距離樁頂2 m 位置處，pile4～pile7 的拉應力最大值大于抗裂應力，樁基拉應力已不能滿足抗裂要求，結構開裂。

圖6 泥面高程-6.6 m 時樁基最大主應力分布

3.4 泥面高程為-4.6 m 時樁基最大主應力的分布

圖7 表示泥面高程為-4.6 m 時樁基最大主應力分布。當回淤深度為7.4 m 時，對比圖6、圖7 可以看出，pile1～pile7 的樁基拉應力最大值增大。在距離樁頂2 m 位置處，pile3～pile7 的最大拉應力值大于抗裂應力，樁基拉應力已不能滿足抗裂要求，結構開裂。另外，在距離樁頂41 m 位置處，樁基最大拉應力也明顯增大。所以，隨著回淤深度的增加，樁基最大拉應力值呈現增大的趨勢，使得樁基拉應力不能滿足抗裂要求，結構開裂。

圖7 泥面高程-4.6 m 時樁基最大主應力分布

3.5 泥面高程為-3 m 時樁基最大主應力的分布

圖8 表示泥面高程為-3 m 時樁基最大主應力分布。當回淤深度為9 m 時，對比圖7、圖8 可以看出，樁基拉應力最大值明顯增大，在距離樁頂2 m位置處，pile1～pile7 的最大拉應力值大于抗裂應力，樁基拉應力已不能滿足抗裂要求，結構開裂。

圖8 泥面高程-3 m 時樁基最大主應力分布

3.6 樁基內力在不同回淤深度下的分布

碼頭總長1 500 m，共分4 個泊位，17 個結構分段。2015 年7 月對1#～4#泊位樁基檢測發(fā)現，有114 根樁存在局部開裂。

通過分析，碼頭外部邊界條件同原設計的最大區(qū)別在于碼頭水下岸坡淤積，而淤積體將對碼頭結構產生附加土壓力荷載。因此有必要研究樁基內力的分布規(guī)律。樁基內力在不同回淤厚度下的分布如 表3 所示。

表3 不同回淤深度下內力計算

淤泥回淤對碼頭結構產生附加土壓力荷載，且隨著回淤深度的增大，樁基內力也逐漸增大。由表3 可見，直接影響的主要是pile1～pile5，并通過樁與樁之間的作用，進而傳遞到pile6、pile7，pile7的彎矩增加最明顯，增大了4 倍，可見樁后淤泥回淤對于pile7 的受力最不利。

4 結 語

1）高樁碼頭樁后回淤對樁基內力影響顯著，隨著回淤深度的增大，高樁碼頭樁基最大拉應力和彎矩、軸力也逐漸增大。回淤深度為大于3 m 時，樁基拉應力已不能滿足抗裂要求，導致部分結構開裂，且開裂部位在距離樁頂2 m 位置處。

2）高樁碼頭樁后回淤導致結構安全儲備水平降低，耐久性下降，這類碼頭在運行過程中應定期對碼頭下部及后沿進行清淤，對樁基出現裂縫的應及時進行修復加固。