高桩码头体系被动桩特性分析

张 青

(大连交通大学土木与安全工程学院，辽宁大连 116000)

1 概述

在码头实际工程中，停靠船舶需要必须的水深，而码头后方须与陆地交通相联，因此必须对码头前方进行开挖，并把其后方进行回填来满足此要求。这种前挖后填的施工方式必然引起天然岸坡的原有平衡状态的破坏，产生岸坡变形，进而使码头桩基的正常使用受到不良影响。在这种情况之下，除承受面板传来的使用荷载外，码头桩基还承受变形边坡施加的土压力作用，其受力状态非常之复杂。常见由于没有处理好边坡与码头共同作用问题而发生的断桩、裂桩、侧移过大等问题，严重影响了码头的正常使用。对于高桩码头而言，岸坡变形导致桩侧受到土压力，且难以确定其分布方式，又由于土体变形受桩的数量、形状、布置等条件的制约，所以，要分析其受力状态，就需将码头和岸坡体系看成一个整体来考虑［2-5］。

故而考虑到地基土弹塑性特性、桩土接触界面非连续性、桩土共同作用，本文建立了高桩码头与岸坡体系的有限元模型，研究在岸坡变形的作用下码头结构的工作性状。

2 高桩码头与岸坡相互作用体系被动桩特性分析

本文参照一工程概况，建立了高桩码头与岸坡相互作用体系有限元模型，考虑桩土共同作用，采用Mohr-Coulomb本构模型描述地基土的弹塑性性质，并通过设置Coulomb接触对来模拟桩土接触非线性。地基土的土层参数指标如表1所示。有限元分析模型如图1所示。

表1 土层的力学参数

图1 码头与岸坡体系有限元模型

码头岸坡在无桩参与和有桩参与两种模式下的水平位移分布见图2。不难看出，无桩模式中，在挡土墙前方一定深度处产生最大侧移，有桩模式中，侧移最大值的分布位置在坡脚位置。相对于无桩模式，有桩模式最大水平位移处的土体侧移明显减小，桩体的参与使码头岸坡的水平位移重新分布，阻碍了码头岸坡侧移的遮帘作用。由于边坡侧移出现，基桩将受到不平衡土压力的作用，从而导致桩体产生附加内力。

图2 码头体系水平位移分布情况

图3为码头岸坡在无桩和有桩两种模式下的等效塑性应变分布。不难看出，无桩模式中有明显的潜在滑动面存在，并且在挡土墙正下方一定位置和墙趾处的塑性区很明显。在桩基参与的情况下，塑性区的分布位置以及形式明显变化，具体表现为坡脚处出现了最大塑性变形，塑性区的分布范围明显减小。显然，桩基起到了阻止滑动面产生的抗滑作用，从而桩体在滑动面位置处将存在土体剪切作用。

图3 码头体系等效塑性应变分布情况

图4为群桩桩身两侧土压力分布。不难看出，桩身两侧的土压力分布曲线都呈现出两头小、中间大的形式。对比桩土体系等效塑性应变分布图可见，塑性应变较大处，桩身土压力也较大，显然此处的桩土相互作用较强。由于桩身两侧的土压力大小、分布不一致，分析其受力条件知，存在的土压力差将使桩体产生弯矩和剪力。尤以岸坡后右边桩的土压力差异最为明显，这是因为此处岸坡土体变形最大，从而导致桩土相互作用程度较强。

图5为群桩向海侧的位移分布。可见各桩身水平位移分布形式均表现为沿桩身逐渐增大，在桩顶处达到最大值。左边桩的侧移较大，而其他桩的侧移大小和分布基本相同。群桩顶部与码头面板整体相连，故桩顶位移一致，又因左边桩相对侧移最大，从而结构排架将向海侧倾斜。

图4 群桩桩侧不平衡土压力分布图

图5 群桩桩身水平位移分布

群桩轴力分布见图6。因高桩码头结构朝海侧倾斜，群桩轴力由左到右有了显著调整，即前方桩基受压，后方桩基受拉，形成受拉区域。右边桩桩基轴力曲线上存在一个中性点，从中性点往下桩基受压，中性点往上桩基受拉。码头桩基因结构前倾而使得后方桩基出现受拉现象，显然对码头的安全不利。这与前述桩身侧移现象相一致。

群桩桩基弯矩分布形式如图7所示。不难看出，边桩弯矩沿桩身先增大后减小，其最大值在桩身中部出现，其他桩的弯矩变化规律均表现为沿桩身逐渐增大，桩顶处最大。这与前述桩侧不平衡土压力的分布现象对应。从各桩弯矩具体数值可见，岸坡变形导致的桩基弯矩不可忽视。产生的附加弯矩易使混凝土开裂，威胁码头安全，在实际工程中应注重这些部位的抗弯保护。

如图8所示为码头面板内力分布情况。从图中可见，码头面板内力和弯矩分布呈锯齿状。内力在桩顶与码头面板连接处发生突变，其值较大。在相应连接处，面板后方受压、前方受拉。面板弯矩分布曲线不对称，而是呈现向海侧倾斜的趋势，弯矩最大值产生在连接坡前边桩的地方，这是因为桩排架向海侧倾斜致码头面板内力向海侧调整。受岸坡变形影响，码头面板中产生的内力更大。

图6 群桩桩身轴力分布

图7 群桩桩身弯矩分布情况

图8 码头面板内力分布情况

3 结论

通过弹塑性有限元数值计算分析，针对岸坡变形作用下高桩码头的工作性状进行了分析与讨论，得到如下结论:

1)岸坡侧向变形将会导致码头结构产生较大的侧移和内力，设计中应予以考虑。2)岸坡侧向变形导致码头结构前倾，使得结构侧移和产生附加内力。其中码头桩基侧移沿桩身呈逐渐增大的分布形式，并在桩顶处达到最大值;桩基轴力表现出明显的向海侧调整过程，主要表现为坡前边桩承受较大压力，坡后边桩受拉，最大拉力出现在桩顶处;坡后边桩弯矩沿桩体先增大后减小，其他桩基弯矩沿桩身呈现逐渐增大的变化趋势，在桩顶处达到最大值;码头面板内力呈现锯齿状分布，其中面板与桩顶连接处为内力最值分布位置，码头面板前方相应位置受拉，后方受压，弯矩分布呈向海侧倾斜形状。

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