潮位变化对高桩码头桩基承载能力的影响

唐丰礼，孙言茂，黎双邵，刘天韵

（1.中国港湾工程有限责任公司，北京100027；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222；3.天津港湾工程质量检测中心有限公司，天津300222）

潮位变化对高桩码头桩基承载能力的影响

唐丰礼1，孙言茂1，黎双邵2，3，刘天韵2*

（1.中国港湾工程有限责任公司，北京100027；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222；3.天津港湾工程质量检测中心有限公司，天津300222）

根据有效应力原理，以潮位上升引起土层有效应力减小，导致桩基承载能力降低，解释高桩码头单桩竖向静载荷试验过程中，桩顶沉降随潮位上升而持续增加，难以稳定的现象，并对受潮位影响的桩基设计提出合理建议。关键词：高桩码头；桩基；潮位；静载荷试验；承载力

0 引言

高桩码头是一种常用的近岸码头结构形式，通过系列长桩打入地基形成桩基础，承受上部结构传来的荷载[1]。因高桩码头的桩基础临近海岸，处于潮位变动区域，潮位涨落将对桩基性能产生影响，在莫桑比克贝拉渔码头重建工程单桩抗压静载荷试验过程中，桩顶沉降受潮位变化影响明显，处于潮位上升期的加荷级，桩顶沉降持续增加，直到潮位达到最高潮并开始回落后才达到稳定标准。

已有的研究表明周期性潮位涨落将使地基土产生硬化，会增大群桩基础的工后沉降[2-3]，但并不能解释桩顶沉降受潮位影响的试验现象。本文则根据有效应力原理，从单桩抗压静载荷试验结果出发，解释桩顶沉降随潮位上涨而持续增加的原因，进而说明潮位变化对高桩码头桩基承载能力的影响。

1 工程概况

贝拉渔码头重建工程位于莫桑比克贝拉港，码头采用高桩梁板结构，基础为直径1 m的钻孔灌注桩，为验证桩基承载力，对试桩进行单桩抗压静载试验，试桩桩长约52 m，试桩位置处地面标高7.0 m，土层分布和参数见表1。贝拉港潮汐为半日潮，试桩期间潮位在0.4~6.9 m区间变化。

表1 试桩位置处土层分布和参数指标Table 1Soil layer distribution and parameter index at the location of test pile

2 试桩抗压静载荷试验

本工程的试验桩轴向抗压静载荷试验，采用慢速维持荷载法。每级加载后的0、5、10、15、30 min测读桩顶沉降，以后每隔30 min测读1次。每级荷载至少维持120 min，稳定标准为某级荷载作用下，桩顶沉降量小于0.1 mm/h。每级卸载的时间间隔为60 min，卸载至0时应测读180 min。当桩顶总沉降量超过40 mm，且在某级荷载作用下，桩的沉降量为前一级荷载作用下的5倍或Q-S曲线出现可判定极限承载力的陡降段时，终止试验。试验结果见图1和图2。从结果曲线可以看出，抗压静载试验过程中，每隔几级荷载，就会出现较大沉降，并且经过较长时间才会达到稳定标准。试验现场发现，出现这种情况的时候，都是潮位上涨期间。

图1 试桩的Q-S曲线Fig.1Q-S curve of test pile

图2 试桩的S-lg t曲线Fig.2S-lg t curve of test pile

3 潮位对静载荷试验的影响

将潮位随时间变化与试桩静载试验各级荷载加荷过程对应，各级荷载加荷过程时沉降与潮位变化对应曲线如图3所示，可以明显看出，加荷级在潮位上涨时，桩顶沉降显著增大，而且达到稳定的时间较长，越到后面的加荷级，这种趋势越明显，例如第12加荷级9 235 kN级和第14加荷级10 655 kN，在低潮位时桩顶沉降变化较小，但随着潮位的上升，桩顶沉降显著增大，基本在高潮位时达到最大，随着潮位开始下降，桩顶沉降不再增大，达到稳定标准。发生破坏的第16级12 075 kN，也是在潮位上涨过程中桩顶沉降不断增大，最终达到试验破坏标准。而加荷级在潮位下降或低潮时，桩顶沉降较小，而且基本在规范要求的最少加荷维持时间内就达到了稳定标准。从试验结果可以看出，潮位的涨落对试桩桩顶沉降影响很大，从另一方面也说明对试桩桩基的承载性能影响很大。

图3 各级加荷过程时沉降与潮位变化对应曲线Fig.3Corresponding curve of sedimentation and tidal change in the loading process at all levels

4 潮位变化影响试桩沉降的原因分析

从工程概况可知，试桩处地面标高7.0 m，而试桩期间潮位在0.4~6.9 m间变化，当桩基有上覆土层处于潮位变化区间时，潮位的涨落将影响最低潮位面以下土层的有效应力。

根据有效应力原理，有：

在潮位从最低潮位开始上涨Δh时，对最低潮位处，竖向总应力σ并未改变，而孔隙水压力u增加γwΔh，则由式（1）可知，土体竖向有效应力σ′减少γwΔh。由图4可知，最低潮位以下土体每延米的竖向有效应力σ′均减少了γwΔh。

图4 潮位上涨时有效应力变化简图Fig.4Sketch of effective stress variation when the tide rises

在试桩处的土层分布中，有几层较厚的中粗砂层。对砂土层，因其渗透性好，随潮位上涨即发生有效应力的减少。根据文献[4]，砂性土对桩的侧摩阻力主要与垂直于桩侧面的土体水平向有效应力σH′和桩土之间的外摩擦角δ有关，单位面积侧摩阻力可表示为：

式中：k0i为土层的静止土压力系数；σVi′为土层的竖向有效应力。

当桩径为d，砂土层厚度为li，桩径尺寸效应系数为ψsi时，砂土层提供的侧摩阻力为：

由前述可知，当潮位由低潮向高潮变化Δh时，最低潮位以下的砂土层，每延米竖向有效应力的减小值为ΔσVi′=γwΔh，则减小的侧摩阻力为：

因潮位上涨Δh，桩基受浮力而减少的自重为：

则当潮位上涨时，桩基承载能力减小为：

本工程中最低潮位以下的中粗砂层③、⑤、⑥土层厚度和内摩擦角φi见表1，桩径d=1 m，ψsi=（0.8/d）（1/3）[5]，取桩土间外摩擦角δi=0.5φi[6]，潮位从0.4 m上涨到6.9 m时，Δh=6.5 m，代入式（7）~式（9）得单桩损失的承载力为ΔQ=370 kN。

同理，当潮位从6.9 m回落到0.4 m时，桩基承载力也恢复了ΔQ=370 kN。

诚然，以上的计算公式属于理想化的模式，尤其对深层的中粗砂层⑤、⑥，侧摩阻力值降低因其他因素的影响未必如此大，但因潮位上涨而引起土体有效应力减小，造成侧摩阻力降低，进而导致桩基承载力降低的总体趋势还是存在，由计算结果可知，在没有达到破坏荷载之前，随着潮位上涨，桩的承载力不断减小，在上涨过程中施加的试验荷载级，桩顶沉降因桩的承载力不断变小而无法保持稳定，直到潮位达到最大并开始回落。而在潮位下降时施加的试验荷载级，因桩的承载力在逐渐恢复，因而比较容易达到稳定标准。

5 对高桩码头桩基设计的建议

在港口工程桩基规范中，砂土对桩基的单位面积侧摩阻力值与标准贯入击数有关，设计采用的标准贯入击数一般通过现场的SPT试验获得。对于高桩码头中有上覆土层位于潮位变化区间的桩基，潮位的变化将引起土层内有效应力的变化，也将引起标贯击数的变化。一般情况下，设计者获得的标准贯入击数并未考虑潮位涨落的影响。因此，对于上覆土层位于潮位变化区间的桩基设计，应当对SPT试验提供的数据进行修正或要求提供最高潮位时的标准贯入击数作为设计依据，才能保证设计出的桩基符合实际情况并满足沉降和承载力要求。

6 结语

1）对有上覆土层处于潮位涨落区间的高桩码头桩基，潮位上涨将引起最低潮位以下土体有效应力降低，造成土层对桩的侧摩阻力减小，导致桩的承载能力在潮位上涨时出现降低。

2）对上部覆土层位于潮位涨落区间的高桩码头桩基设计，根据标准贯入击数确定砂土层的单位侧摩阻力值时，应对试验提供的数据进行修正或采用最高潮位时的标准贯入击数做为设计依据。

[1]王元战.港口与海岸水工建筑物[M].北京：人民交通出版社，2013：174-175. WANG Yuan-zhan.Portandcoastal hydraulic structures[M]. Beijing:China Communications Press,2013:174-175

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[5]JTS 167-4—2012，港口工程桩基规范[S]. JTS 167-4—2012,Codeforpilefoundationofharborengineering[S].

[6]GB 50007—2011，建筑地基和基础设计规范[S]. GB 50007—2011,Code for design of building foundation[S].

Influence of tide variation on pile foundation bearing capacity of high-piled wharf

TANG Feng-li1,SUN Yan-mao1,LI Shuang-shao2,3,LIU Tian-yun2*
（1.China Harbour Engineering Company Ltd.,Beijing 100027,China; 2.CCCC Tianjin Port Engineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China; 3.Tianjin Port Engineering Quality Testing Center,Tianjin 300222,China）

Based on the principle of effective stress,the decrease of soil effective stress caused by the rising tide,resulting in reduced the bearing capacity of pile,which can explain the phenomena that the settlements of pile top had risen steadily and stabilized difficulty during the vertical static load test of single pile,and the sensible suggestions are put forward to the design of piles influenced by tide.

high-piled wharf;pile foundation;tide level;static load test;bearing capacity

U656.113；TU473.11

A

2095-7874（2017）07-0040-04

10.7640/zggwjs201707009

2016-11-18

唐丰礼（1975—），男，吉林人，硕士，高级工程师，主要从事港口工程设计建设工作。*通讯作者：刘天韵，E-mail：386461238@qq.com