CDM法加固高桩码头软土岸坡的有限元分析

王元战，刘少增，李青美,龙俞辰

(1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，天津 300072；3.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州 510220)

CDM法加固高桩码头软土岸坡的有限元分析

王元战1,2，刘少增1,2，李青美1,2,龙俞辰3

(1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，天津 300072；3.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广州 510220)

天津港曾多次发生岸坡变形导致高桩码头构件损伤的工程案例，现有的工程实践表明，CDM基础是加固高桩码头岸坡的有效方法。文章基于ABAQUS建立高桩码头的岸坡-CDM-结构三维有限元模型，分析采用CDM加固岸坡的效果。通过对比加固前后的岸坡土体位移、桩基变形和桩基内力，验证CDM方法加固高桩码头岸坡的有效性。为提高CDM加固高桩码头岸坡的实际应用，对不同CDM加固深度下的加固效果进行研究，结果表明，随CDM加固深度的增加，高桩码头桩帽-横梁处的剪力和弯矩、桩身最大拉应力均先减小后增大，存在最优加固深度。

高桩码头；岸坡变形；CDM；有限元；加固深度

高桩码头是港口工程中常见的结构型式，主要由桩基、上部结构、靠船构件和接岸结构等部分组成，具有结构轻、对超深适应性强、减弱波浪效果好、材料用量少等优点[1]，在软土层较厚的天津港应用十分普遍。

近几年来，在对天津港高桩码头软土岸坡变形的监测中发现，在最靠近接岸结构处3排桩基的桩帽和横梁均出现较大错位和破损，存在严重的安全隐患[2]。已有的研究表明，在岸坡稳定的条件下，高桩码头岸坡变形是导致高桩码头结构变位及破损的主要原因[3-4]。同时，经过调查发现，高桩码头桩基的变形损坏与接岸结构型式也有很大关系[2,5-6]：天津港7～8段、9～11段、12～13段以及21段码头采用的是斜顶桩、钢板桩与帽梁组成的深层支护挡土结构，桩基变形破损相对较少；16～18段、22～24段和25～26段高桩码头采用的是抛石棱体和浅层挡土墙组合的型式，基桩的变形破损相对较多，破损程度也比较严重；采用CDM基础扶壁式挡土墙的东突堤南侧码头、南疆煤码头及CDM基础重力式沉箱结构的东突堤北侧码头(35～36段)没有岸坡变形引起的结构损坏问题。

本文结合天津港原25～26段高桩码头，借助ABAQUS软件，建立高桩码头岸坡-结构的三维有限元模型，计算在后方堆货荷载作用下的岸坡土体水平位移图及码头桩基变形和内力；建立高桩码头岸坡-CDM-结构的三维有限元模型，采用不同深度的CDM加固码头岸坡时，计算在后方堆货荷载作用下的岸坡土体水平位移图及码头桩基变形和内力，并分析不同深度的CDM体对岸坡变形及桩基受力的影响。

1 工程概况

天津港原25～26段高桩码头前、后承台横向排架间距为7 m。码头前方承台采用连续梁板式高桩承台结构，后方承台采用简支梁板式高桩承台结构。与矩形截面相比，T型截面刚度较大，抗弯能力更强，混凝土的用量也少很多。因此，本文选取T形截面的CDM结构对码头岸坡进行加固，加固深度H取22 m。T型CDM搅拌体的加固断面图和平面图如图1～2所示。

图1 CDM搅拌体加固断面图 图2 CDM搅拌体加固平面图Fig.1 CDM reinforcing section diagram Fig.2 CDM reinforcing plan diagram

2 有限元模型建立

本文选取一榀高桩码头横向排架作为研究对象，利用ABAQUS软件建立高桩码头岸坡-CDM-结构体系的三维有限元模型(图3)。其中，模型计算边界左右长105 m，上下44.2 m，模型上表面为自由约束，底部为固定约束，四周为水平位移约束。为了下文分析方便，将后方承台结构的桩基进行了编号(图4)。

图3 高桩码头有限元几何模型 图4 码头桩基编号Fig.3 Finite element model of high-pile wharf Fig.4 Piles′ number

考虑到在荷载作用下，高桩码头结构与土体可能发生位移错动，需要在地基土和码头桩基之间设置摩擦接触来模拟桩土相互作用。由于码头混凝土结构的刚度远远大于地基土体的刚度，故将桩基结构的接触面定义为主接触面，将地基土的接触面定义为从接触面。在接触面上，法向方向的接触行为采用硬接触；切向方向接触模型采用各向同性的库伦摩擦模型，并且采用允许滑移的罚刚度算法，摩擦系数为0.4。在CDM搅拌体和地基土之间设置摩擦接触，摩擦系数取为0.6。地基土自下而上分别为粉质粘土、粘土、淤泥质粘土和杂填土，采用理想弹塑性模型进行模拟。码头结构和CDM搅拌体采用线弹性模型进行模拟(表1)。

表1 物理和力学性质指标Tab.1 Physical and mechanic parameters

3 计算结果及分析

3.1 T型CDM加固效果分析

图5～6分别为T型CDM搅拌体加固前后的岸坡土体水平位移图，单位为m。可以看出：加固前，岸坡土体水平位移主要集中在抛石棱体下方的地基土中，最大值为3.84 cm(向海测)；加固后，岸坡土体主要集中分布在CDM搅拌体的背侧，最大值为3.32 cm(向海测)。通过对比加固前后的岸坡水平位移云图，可以看出，T型CDM搅拌体能够在一定程度上阻挡岸坡土体的向前运动，进而减小了岸坡土体对码头桩基的影响。

图5 岸坡水平位移图(加固前) 图6 岸坡水平位移图(加固后)Fig.5 Horizontal displacement of slope before reinforcing Fig.6 Horizontal displacement of slope after reinforcing

图7～8分别为T型CDM搅拌体加固前后的后方承台桩基水平位移图，单位为m。由图7～8可以看出，未采用CDM搅拌体加固时，受岸坡土体变形影响，后方承台桩基的水平位移主要集中在后排桩基中部，最大值为3.68 cm(向海测)，与岸坡最大水平位移的最大值相近；采用CDM搅拌体加固后，后方承台桩基水平位移最大值为2.87 cm(向海测)，位于后排桩基底部。通过对比加固前后的岸坡水平位移云图，可以看出，T型CDM搅拌体能明显地减小岸坡土体对码头桩基的影响。

图7 岸坡土体水平位移图(加固前) 图8 岸坡水平位移图(加固后)Fig.7 Horizontal displacement of slope before reinforcing Fig.8 Horizontal displacement of slope after reinforcing

图9～10分别为T型CDM搅拌体加固前，后方承台桩基的桩身拉压应力图和剪应力，单位为kPa。图9～10表明，采用T型CDM搅拌体加固前，高桩码头桩基结构最内侧桩基顶部的应力最大，是码头桩基结构受力的关键部位。其中，桩基最大拉压应力出现在桩基与抛石棱体坡面交界处，最大值分别为12.84 MPa和16.33 MPa，最大拉应力超过C40混凝土材料抗拉设计值，桩基易开裂；桩基最大剪应力出现在后2排桩基桩帽与横梁的连接处，最大值分别为1.54 MPa(指向陆侧)和1.42 MPa(指向海侧)，由于桩帽-横梁连接处只是采用少量钢筋拉结进行搭接，抗剪、抗弯性能较弱，容易剪坏和拉坏。

图9 加固前桩身拉压应力图 图10 加固后的桩身拉压应力图Fig.9 Normal stress of piles before reinforcing Fig.10 Normal stress of piles after reinforcing

图11～12分别为T型CDM搅拌体加固后，后方承台桩基的桩身拉压应力图和剪应力图，单位为kPa。桩身最大拉压应力图依旧出现在最内侧1排桩基的顶部位置，但最大值已有明显减小，为1.04 MPa；最大压应力出现在相邻桩基的顶部，最大值为6.16 MPa，较加固前也减小了很多。

图11 加固前的桩身剪应力图 图12 加固后的桩身剪应力图Fig.11 Shear stress of piles before reinforcing Fig.12 Shear stress of piles after reinforcing

加固后，桩基最大剪应力出现在倒数第2～3排桩基桩帽与横梁的连接处，最大值分别为0.904 MPa(指向陆侧)和0.497 MPa(指向海侧)，与加固前的剪应力相比，减小了很多。

通过对比加固前后的岸坡水平位移、后方承台桩基的水平位移、桩身拉压应力图和剪应力图，可以看出，T形CDM搅拌体能够很好地减少岸坡变形及其对码头桩基不利影响。

3.2 CDM加固深度对桩基结构的影响

前文只是考虑了在加固深度为22 m时的加固效果分析，验证了T型CDM搅拌体在减小高桩码头岸坡变形，控制岸坡变形对码头桩基结构不利影响的有效性和可行性。在此基础上，进一步考虑不同加固深度对加固效果的影响。

图13～15分别为T形截面CDM加固体在不同加固深度H下的各个桩基在桩帽-横梁连接处的轴力图、剪力图和弯矩图。图13表明，各个桩基的桩帽-横梁连接处的轴力N的变化幅值与轴力值相比较小，基本可认为与加固深度的关系不大。图14表明，桩基PILE-3～PILE-6连接处的剪力Q随着加固深度H的增大，变化很小；桩基PILE-2连接处的剪力随加固深度H的增大，先略微减小后略微增大，大小基本控制在50 kN以内；桩基PILE-1随加固深度H的变化最大，当加固深度H从14 m增大到28时，桩基PILE-1在连接处的剪力从最初的103.1 kN先减小为0后反向增大到37.73 kN，变化幅度达140.83 kN。图15表明，各桩基在桩帽-横梁连接处的弯矩M随着加固体加固深度H的变化规律与剪力Q的基本一致，不同的只是数值和变化幅度。

图13 桩帽-横梁连接处的轴力图14 桩帽-横梁连接处的剪力图15 桩帽-横梁连接处的弯矩Fig．13Axialforceincap⁃beamconnectionFig．14Shearingforceincap⁃beamconnectionFig．15Momentincap⁃beamconnection

综上所述，改变加固体的加固深度对高桩码头后方承台各桩基在桩帽-横梁连接处的轴力的影响并不大，但对剪力和弯矩的影响则十分明显，存在一个最优的加固深度，对于本工况，该最优深度为18～20 m。

图16～17表示T型CDM搅拌体加固深度不同时的桩身最大拉应力和最大压应力，由图中曲线可以看出，当加固体入土深度为22 m时，桩身最大拉应力达到最小，此时桩身最大拉应力为1.042 MPa。对于本计算工况，桩身最大拉应力对应的最优深度为22 m。

图18为CDM搅拌体的最大拉压应力随加固深度的变化曲线。随着加固体深度的增大，CDM搅拌体的最大压应力逐渐增大，最大拉应力则维持在0.2～0.4 MPa。

图16 桩身最大拉应力变化曲线Fig．16Tensionstressofpiles图17 桩身最大压应力变化曲线Fig．17Compressionstressofpiles图18 CDM搅拌体的最大拉压应力变化曲线Fig．18TensionandcompressionstressofCDM

3 结论

本文通过有限元技术模拟分析高桩码头桩基-CDM-岸坡之间的相互作用，发现CDM基础可以明显地减小岸坡变形及其对桩基的不利影响，验证了CDM法加固高桩码头岸坡的有效性。同时，随着CDM加固深度的增加，桩帽-横梁处的剪力和弯矩以及桩身最大拉应力均呈现先减小后增大的变化规律，CDM加固体存在最佳的加固深度。在本文的计算工况中，对于T形截面的CDM结构，当高桩码头构件损坏模式为桩帽-横梁相互错位时，主要注重桩帽-横梁连接处内力，对应的最优加固深度为18～20 m；当高桩码头构件损坏模式为桩身拉坏时，主要注重桩身最大拉应力，对应的最优加固深度为22 m。

[1]王元战, 卢永昌. 港口与海岸水工建筑物[M]. 北京: 人民交通出版社, 2013.

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Finite element analysis of reinforcing soft slope of high-pile wharf using CDM method

WANGYuan-zhan1,2,LIUShao-zeng1,2,LIQing-mei1,2,LONGYu-chen3

(1.StateKeyLaboratoryofHydraulicEngineeringSimulationandSafety,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.CollaborativeInnovationCenterforAdvancedShipandDeep-seaExploration,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;3.CCCC-FHDIEngineeringCo.,Ltd.,Guangzhou510220,China)

Several structure components damage of high-pile wharf caused by slope deformation were found in Tianjin port. Current engineering practices claimed that the Cement Deep Mixing (CDM) was an effective method of slope reinforcement. In this paper, three-dimension finite element models of high-pile wharf considering slope-CDM-structure interaction were established to analyze the reinforcement effect of CDM. By comparing the displacement of slope, the deformation and internal force of piles, the positive effect of the slope reinforcement using CDM method was verified. To enhance the practical application of CDM method of reinforcing high-pile wharf slope, the effects of CDM reinforcement in the different depth were studied. With the increasing of CDM reinforcement depth, the shearing force and moment in cap-beam connections and the maximum tensile stress of the pile start to decrease and then increase, presenting an optimal reinforcement depth.

high-pile wharf; slope deformation; CDM; finite element; reinforcing depth

U 656.1+13；TB 115

：A

：1005-8443(2017)04-0387-05

2016-12-06;

：2017-03-27

国家自然科学基金(51679166)；国家自然科学基金创新研究群体科学基金(51321065)；交通运输部交通建设科技项目(2013328224070)

王元战(1958-)，男，河北省人，教授，博士生导师，主要从事港口、海岸及近海工程结构设计理论与计算方法、岩土力学及土与结构相互作用机理和数值模拟方法、结构动力学等方面的研究工作。

Biography：WANG Yuan-zhan(1958-), male, professor.