基于沉桩作用下高桩码头岸坡稳定可靠度的研究

龚长伟

摘 要：随着经济与社会的快速发展，我国很多港口的普通码头开始无法满足大型船舶停靠需求，大型高桩码头因此在我国各地大量兴建，本文以黄骅港两座码头兴建过程中存在的现象总结了沉桩对高桩码头岸坡稳定可靠度的负面影响，本文通过两座码头的施工对基于沉桩作用下高桩码头岸坡稳定可靠度分析进行简要论述。

关键词：沉桩；高装码头；岸坡

中图分类号：U656.1 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）08-0144-02

近年来我国很多港口的普通码头开展了高桩码头兴建，这是由于高桩码头在稳定性、便利性方面具备明显优势，但在实际调研中发现，许多高桩码头在沉桩沉桩过程中造成桩基失稳、滑坡等现象，而为了尽可能减少此类现象、保证高桩码头顺利竣工，正是本文围绕基于沉桩作用下高桩码头岸坡稳定可靠度开展具体研究的原因所在。

1 沉桩对高桩码头岸坡稳定可靠度的不利影响

结合实际调研，本文首先确定了高桩码头沉桩施工对岸坡稳定可靠度带来的不利影响，这种不利影响可以概括为以下四个方面。

1.1 促进土体结构滑动应力提升

由于地面建筑物如果要建在地面上，地面要需要承受較大压力，为了确保地面有足够的抵抗压力的强度，需要对承受建筑物的地面进行加固，在地基上沉桩，将大部分建筑的重力转移至地下较深的位置，提升地基的应力水平。沉桩属于高桩码头施工的第一个且比较重要的环节，过程中必然会对桩位处的原状土造成破坏，进而导致桩基周围土体内部空隙水压升高，这是由于桩随着锤击，不断深入原状土，桩体对原状土的挤压导致桩周土体应力不断增加，沉桩时间快则四十分钟，慢则两个小时，这么短的时间无法实现饱和土体的排水固结，结合摩尔-库伦破坏准则、太沙基有效应力原理，可以确定在沉桩施工与水文地质环境的共同作用下，高桩码头岸坡土壤结构将不断发生变化，这种变化会直接影响码头岸坡及护岸结构的稳定性。结合近年来进行的实际施工的调研不难发现，沉桩引发岸坡基础结构重塑的情况在高桩码头施工中屡见不鲜，由此必须高度重视沉桩带来的结构稳定性影响。

1.2 加剧压缩现象发生概率

一般情况下，高桩码头岸坡沉桩施工前要进行排水处理，如施工单位未进行排水处理，桩码头岸坡沉桩施工很容易出现压缩问题，这一问题带来的岸坡结构可靠度与稳定性影响同样需要得到关注。为避免高桩码头岸坡沉桩施工出现压缩现象，施工单位必须高度重视排水处理环节，同时具体施工前做好施工地水文地质相关勘察，以此落实针对性较强的处理措施，即可有效减小或避免沉桩对高桩码头岸坡稳定可靠度造成的负面影响。

1.3 导致土体稳定性降低

假定沉桩过程中总应力是不变的，高桩码头岸坡沉桩施工必然造成桩体周围原状土土体结构的挤压，这种挤压将不可避免的造成土体结构稳定性和强度下降。而如果沉桩速度过快，则桩周围土体将出现超孔隙水压力大范围提升的情况，因沉桩施工速度过快则会使孔隙水压力无法及时消散，高桩码头岸坡将出现变形，严重时会造成岸坡失稳。值得注意的是，沉桩速度过快带来的影响在软黏土岸坡中的表现更为显著，施工单位应通过制度约束避免这种施工行为的出现。此外，经过学界的广泛试验、实践验证，可以确定孔隙水压力属于衡量高桩码头岸坡稳定可靠度最重要指标。

1.4 加剧了土体振动速度

除上述内容外，土体受桩、锤撞击产生的振动影响将产生振动加速度，由此带来的滑动力矩增大将大幅将土体强度，这一影响在灵敏度较高的饱和砂土中极为显著，对高桩码头岸坡稳定可靠度的影响极大。但相较于上文提及的土体结构挤压，由于桩、锤撞击产生的振动在瞬间发生，这就使土体的振动加速度以交替方式形成，这样会使土体产生振动加速度对高桩码头岸坡稳定可靠度产生的负面影响远远低于孔隙水压力带来的影响。

2 基于沉桩作用下高桩码头岸坡稳定可靠度分析

2.1 对超孔隙水压力分布状况进行简要分析

由于沉桩会在较短的时间内完成将桩身相同体积的土挤向周围的物理过程，桩周围的土体受到挤压作用，会出现竖向和水平平移的现象，由此会发生重塑和扰动作用。众所周知，在沉桩过程中，桩周围的土体会形成四个区域，即完全损伤区、塑性影响区、弹性影响区和忽略不计的区域。实践研究结果表明，桩周围土体的横向移动几乎可以忽略不计，主要研究方向是桩周围土体的纵向移动。我负责施工的两座码头，共沉桩5475根，包括预应力混凝土方桩，预应力大直径管桩及钢管桩，沉桩结束后，配合科研单位对桩周围的土体进行受力分析，发现桩周围土体中存在超孔隙水压力分布，该结果能够通过小孔扩张理论得到证实。一般将沉桩过程认作是轴对称扩张，因此根据轴对称理论能够求出桩周围土体中超孔隙水压力增量。研究发现，塑性影响区的超孔隙水压力增量与计算半径呈对数关系，超孔隙水压力增量在桩和桩周土体的交界处达到最大值，在纵向，随着桩中心距离的加大，超孔隙水压力增量会不断减弱；而弹性影响区的超孔隙水压力增量与计算半径呈反比关系，且弹性影响区的超孔隙水压力增量很小，几乎可以忽略不计。因此，在分析超孔隙水压力增量对岸坡稳定可靠度影响的过程中，只需考虑塑性影响区内超孔隙水压力增量对岸坡稳定性的影响[1]。

2.2 对土体应力状况进行简要分析

通过研究表明沉桩后的超孔隙水压力和桩周土体应力分布具有空间性的特点，并且随着深度的变化，净孔隙水压力逐渐减小。在沉桩的初始阶段，超孔隙水压力增量会随着深度的增加而增大，在地质均匀的土体中，超孔隙水压力增量随深度的增长较为明显的线性关系，在地质不均匀的土体中，此类现象会弱化。由于沉桩时，多种形式的力施加在桩周土体内，在多力作用下，必然增加桩周土体内的超孔隙水压力，当有效应力大于桩周土体的抗拉程度时，桩周土体会液化，液化到达一定程度后，桩周围土体会出现开裂现象，土体开裂会就导致超孔隙水压力的急速扩大[2]，这也就是通常所说的水裂现象，即由高孔隙水压力导致桩周土体压力降低引发的土体开裂现象。对水裂现象产生的原因进行深入分析可知，超孔隙水压力不是无限扩大的，而是存在一定的限制，这是因为超孔隙水压力的增加与桩周土体的初始应力以及沉桩过程中产生的附加力存在一定关系。在沉桩过程中，横向裂缝和纵向裂缝不可能同时存在，因此，超孔隙水压力在水平方向上距离桩的半径处于最小值状态。若最终的计算结果显示，超孔隙水压力值超过水裂控制值，应取横向开裂的值[3]。

3 实例验证

在全面了解了沉桩对高桩码头岸坡稳定的影响程度后，针对黄骅港某港口的码头结构进行了深入分析。首先要简单了解该港口的具体情况，港口一共有四个五万吨的多用途泊位，且码头结构为高桩板梁式结构，码头的全长为1284米，宽为60米，码头通过3座引桥与陆域连接，此外，码头面高程+6.00m，前沿设计的水深为-15.3米。该港口后承台采用预应力混泥土方桩，前承台采用预应力混凝土管桩作为码头基桩，且每个榀排架下都有十三根桩，需要注意的是，该港口使用的管桩直径为1200毫米，每根桩长都在45-55米范围内。施工前深入分析在沉桩过程中影响该港口岸坡稳定可靠度的具体因素。根据该港口的沉桩工作过程和具体的施工条件、施工效率可知，每天沉桩16-20根。在沉桩过程中不会再同一断面上连续沉桩，以此避免因为沉桩速度过快造成岸坡变形、桩基断裂的情况。设定打桩船再次沉桩时，桩周孔隙水压力已经部分消散，由此可以分析得出，该港口在沉桩过程中最危险的情况时在打入第三根桩时。而在具体的计算结果中也显示出，此时可靠度指标相对降低，失效概率增大，由此可知，随着沉桩密度的增加，安全系数也会随之下降，在沉桩施工的扰动下，岸坡存在变形和滑动的可能。

4 结语

综上所述，高桩码头岸坡沉桩施工很容易对岸坡稳定可靠度造成负面影响。而在此基础上，本文涉及的提升土体结构滑动应力、引发压缩现象、引发变形和失稳、土体产生振动加速度等研究内容，则证明了研究具备的较高实践价值。因此，在相关领域的理论研究和实践探索中，本文内容能够发挥一定程度的参考作用。

参考文献

[1]贺家树.钻孔植入桩施工技术在高桩码头中的应用[J].中国港湾建设，2017，37（07）：85-89.

[2]陈航，付亮.高桩码头超长钢管桩沉桩施工技术[J].中国水运（下半月），2017，17（05）：176-179+182.

[3]张晟溥.高桩码头大管桩沉桩施工技术[J].科技与创新，2017，（06）：150-151.