CDM法加固高桩码头岸坡离心模型试验研究

韦武昌 许胜才 洪思源 杨立功

摘要：高桩码头是码头常用结构型式之一，因其适用于软土地基而在众多河口、海岸地区广泛采用。然而高桩码头在后方软土地基自重及堆载的作用下会产生明显的侧向变形，给码头结构造成严重的损伤。通过离心模型试验研究了采用深层水泥搅拌法（CDM）加固情况下，码头后方在堆载作用下岸坡变形机理、高桩码头承载及变形模式，进而研究加固体对高桩码头岸坡变形的影响。研究结果表明：经CDM加固后，加固体起到了挡土墙的作用，使岸坡水平位移减小，坡顶隆起量增大，但加固体下部侧向膨胀变形增大;综合来看，CDM法加固使高框码头承载力得到显著提高。

关 键 词：高桩码头; 岸坡; 深层水泥搅拌法（CDM）; 离心模型试验

中图法分类号： U656.1+13

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.04.027

0 引 言

高樁码头作为码头的一种型式，其前方连接港池，后方与陆地相连。高桩码头前方有船舶、波浪作用，后方也经常有堆载作用，因此，随着高桩码头长时间运用，其下方岸坡会发生较大变形，进而影响码头桩基、码头结构甚进而影响高桩码头的安全运行[1-5]。为了减少高桩码头结构位移，从早期的叉桩布置[2]、梁板式码头设计 [3]到斜顶桩设置[6]，高桩码头设计逐渐得到优化、成熟，其承载力、稳定性及变形特性都得到大幅度提高。另外，除了对码头结构本身的优化措施外，还有水泥搅拌桩对码头地基进行加固[7-9]、振动砂桩加固[10]，也提高了高桩码头的承载力。

高桩码头除了承担竖向荷载，还要承担波浪、船舶、货场堆载、岸坡变形等直接或间接的水平荷载[11-12]。水平荷载作用下，除了需要解决岸坡上高桩码头承载力问题，还需要解决其整体稳定性。目前，一些码头的初始设计能够满足其承载及变形需求，但随着长时间的运用，码头受到各种因素影响，其承载性能及抵抗变形性能（尤其是在水平荷载作用下）会逐渐降低，因此对码头结构本身进行加固或对地基土体进行加固是解决上述问题的一个有效措施。

高桩码头后方堆载对于地基土体是竖向荷载，但对于高桩码头是水平荷载。堆载使得地基土体产生竖向变形，同时，土体水平方向也发生变形，进而挤压高桩码头。本文通过离心模型试验研究在码头结构与后方堆场之间进行深层水泥搅拌法（CDM）加固的条件下，高桩码头岸坡变形特性及承载性能的变化。

1 模型试验设计

1.1 结构与加固体模型布置

高桩码头结构原型为钢筋混凝土结构，模型中采用铝合金材料代替，加固体原型为水泥搅拌桩，试验采用石膏代替。结构中各构件及水泥搅拌桩基本上均为受弯构件，因此，离心模型制作按照抗弯刚度相似准则设计。模型布置见图1。

模型比尺为1∶100，按此设计地基土层、高桩码头结构模型及加固体模型。首先进行地基土层模型的制作，地基土层分两层，上层为高岭土，下层为标准砂。土层模型制作完成后用固结仪在模型箱内进行预压固结（见图2（a），在土层模型顶部布置加载板，然后通过固结仪对加载板预加荷载，进而实现对土体模型的固结），固结完成后进行削坡（见图2（b））。削坡后在边坡上布置桩位，桩位处打桩孔，然后将高桩码头结构模型压入土层模型，码头桩基穿过高岭土层下端进入砂土层内（原型桩长24 m，高岭土层内21 m，进入砂土层3 m）。码头模型安装完成后，在码头后方按照加固体模型尺寸在土层模型内开槽，然后将配置好的石膏浆体（水、石膏、砂子按比例配置）灌入槽内并进行养护。高桩码头岸坡加固模型布置如图1所示，模型共两个，两个模型区别是有无加固体。安装完成后的模型如图3所示。

1.2 模型加载布置

无加固体原型中码头后方堆载设计值为50 kPa。为研究高桩码头结构及岸坡的破坏模式，模型中码头后方堆载150 kPa（有加固体时堆载值为300 kPa）。加载板尺寸为0.58 m×0.18 m，每级加载0.6 kN，通过加载装置施加竖向荷载，如图4所示。加载设备的油缸驱动加载杆，进而驱动与加载杆相连的加载板，实现对码头后方的加载。

为研究在堆载作用下加固体对岸坡变形的影响，荷载板未放置在加固体的垂直上方（见图1），荷载板竖向并完全作用在地基土层上。为防止竖向加载过程中加载板周围土体向上隆起，将荷载板与承载板之间压上堆载垫块。堆载垫块平面尺寸为0.580 m×0.095 m，重31.6 N，即堆载垫块下有0.574 kPa压力。

1.3 传感器布置

试验中对高桩码头承台位移（竖向位移、水平位移）、桩侧土压力进行测量。竖向位移传感器（LVDT）布置在承台板中心，水平位移传感器布置在承台板前边缘中心。在地基土体预固结完成后、码头结构模型安装前，在桩身被动侧布置土压力传感器，土压力传感器布置在中部一根桩的正前方，距离桩身表面1 cm，最深处的传感器与桩底竖向距离4 cm，传感器的竖向间距4 cm，如图1所示。

1.4 水位模拟

为与实际情况相吻合，在结构模型安装完成之后，在坡底加水直至达到设计水位。实际坡顶标高-1 m，坡底标高-9 m，设计水位标高-3 m，水深6 m，模型中水高6 cm（模型比尺1∶100）。

2 试验结果分析

2.1 高桩码头结构位移

加载前后，有无加固体的高桩码头承台、地基土体变形如图5～6所示。从图5～6中可以看出：加载结束后，荷载板下土体发生下陷，进而荷载板下土体侧向挤压边坡土体致使边坡、承台发生很大变形。由于整个加载过程中是在不排水条件下进行的，加载过程中整个地基土体体积不变，荷载板下土体向下的变形导致边坡土体前移、上拱，进而使承台发生向海侧、向上的位移。对比同一个标记点处结构位移可以看出，加载前后，有无加固体的情况下，后承台均发生一定程度的竖向及水平向位移。

对比图5与图6可以看出：无加固体时，岸坡土体在加载处产生较大沉降，土体产生较大水平位移，坡顶土体有较大隆起。由于没有加固体隔挡，坡顶土体至加载处呈坡形变化，在坡顶处形成尖顶，坡顶附近的土体也产生多处较大裂缝，边坡土体呈隆起破坏模式。相应边坡上的码头结构也因坡顶土体的隆起产生转动，码头结构基桩产生很大的转动变形。有加固体时，岸坡土体在加载处产生较大沉降，此处土体产生剪切破坏。由于有加固体约束，加载处土体平推加固体，加固体发生倾斜，整个岸坡土体也产生较大水平位移，岸坡土体呈平移式破坏。相应岸坡上的码头结构在土体平移变形作用下也产生了较大水平位移，基桩发生了较大倾斜变形。由于结构模型材料为铝合金，试验中结构虽未发生破坏，但其产生了很大变形，实际状态下（混凝土结构）基桩可能已经折断。

2.1.1 高桩码头后承台竖向位移

在码头后方堆载情况下，后承台竖向位移随堆载大小的变化如圖7所示。其中，位移正值表示承台向上位移。在没有加固体的情况下，高桩码头后方堆载极限值为120 kPa，此时对应的后承台竖向位移约0.6 mm，当堆载大于120 kPa时，后承台竖向位移迅速变大。在有加固体的情况下，高桩码头后方堆载极限值为180 kPa，此数值对应的后承台竖向位移约为0.6 mm，当堆载大于180 kPa时，后承台竖向位移迅速增大。对比有无加固体的后台竖向位移还可以看出：当堆载小于极限值时，有加固体的后承台竖向位移发展较慢，位移速率较低。如果取堆载极限值的0.5倍作为设计值，当堆载小于设计值时，有加固体的后承台竖向位移很小，并且变化并不明显，只有当堆载大于设计值时，后承台竖向位移才变化稍快。而对于无加固体的情况，当堆载小于极限值时，后承台竖向位移随堆载大小基本呈线性变化。当堆载大于极限值时，无加固体的地基土体迅速丧失承载力，后承台位移迅速变化，而有加固体地基土体虽然也丧失承载力，但受加固体影响，地基土体不会迅速破坏，后承台竖向位移变化稍缓。

试验结果表明：在有、无加固体的情况下，虽然后承台的极限竖向位移大致相同，但有加固体时，后承台的堆载承载力大幅度提高，相对于无加固体，提高幅度为50%。加固体能很大程度上抵抗后方堆载所导致的土体水平向变形，从而限制岸坡、后承台位移发展。

2.1.2 高桩码头后承台水平位移

有、无加固体时，后承台水平位移随码头后方堆载大小变化如图8所示。后承台水平位移变化规律与竖向位移变化规律大致相同。无加固体时，后承台堆载极限值为120 kPa，此时对应的后承台水平位移为4 mm;有加固体时，后承台堆载极限值为180 kPa，此时对应的后承台水平位移为4 mm。

因此，从有、无加固体的后承台竖向、水平向位移随码头后方堆载大小变化规律可看出，对于本次试验条件下的高桩码头后承台极限堆载承载力分别为180，120 kPa，有加固体的后承台堆载承载力提高了50%。

2.2 岸坡土体变形

有、无加固体情况下，岸坡变形如图9～10所示。图中箭头大小代表位移量的大小，箭头越大，位移量越大，箭头方向代表土体位移方向。无加固体的情况下，在坡顶竖向荷载作用下，坡顶土体产生向下位移，岸坡土体沿着坡度方向产生斜向下位移，由于有模型箱约束作用，坡底上部土体产生向上位移，下部土体产生向下位移。整个斜坡顶面均产生向上隆起与水平位移，坡顶处隆起量与水平位移量均较大。在土层分界处（高岭土土层与标准砂土层），上部土体基本均产生向下位移，但位移量较小，且在水平向的中部位置的分界面处有一定量水平错动。对于饱和砂土层，由于固结比较充分，其密实度较高，在坡顶荷载作用下，经过上部高岭土土层的荷载分散作用，砂土层中附加应力相对较低，其变形更小。

有加固体时，在坡顶荷载作用下，坡顶土体产生向下位移并侧向挤压加固体，坡顶荷载板以下土体产生竖直向下和水平向位移，但水平向位移量要明显小于无加固体的情况。因此，在坡顶土体竖向与水平向位移共同作用下，加固体有旋转倾覆的趋势，此情况下，加固体斜向下挤压岸坡土体，斜坡靠近坡顶的一半土体位移方向较无加固体情形更接近竖向，但位移量较无加固体情况小。在高岭土层与砂土层分界面处，斜坡土体有“反射”趋势，由于底部砂土层不易变形，斜坡靠近坡顶的一半土体位移到达分界面处时不能按原来轨迹继续移动，转而挤压斜坡靠近坡底的一半土体，使此处土体产生斜向上的位移。因此，在整个斜坡顶面均向上隆起，但在坡底处隆起量较大，坡顶处隆起量较小。土层分界面处，除了斜坡下半部分土体，其余各处土体均有一定量的向下或斜向下位移，但在坡顶以下的分界面上，土体位移量较坡底大。对于底部标准砂土层，同样由于充分固结，其位移量较小。

因此，对比有无加固体情况可以发现，有加固体时，坡顶、斜坡及坡底土体隆起量较无加固体大，水平位移量较无加固体小。从机理上看，有加固体时，加固体能有效限制坡顶荷载的水平向扩散，其在一定程度上相当于挡土墙作用，从而也能有效降低岸坡水平向位移。对于饱和土体，由于其不可压缩性，水平位移的降低势必造成隆起量的增加，因此，有加固体时坡顶隆起量较大。

2.3 坡顶桩土压力

坡顶桩（图1中最右侧一排桩）桩侧土压力如图11所示。从图11中可以看出：除了桩身下部的大部分区域，有加固体时桩侧土压力均小于无加固体的情况，这表明加固体阻止了后方堆载时土体应力的水平向扩散，起到了遮挡作用。在桩身下部，有加固体时桩侧土压力基本上大于无加固体的情况，这是由于加固体的存在，使荷载大部分向下传递，土体以竖向变形为主，加之不排水作用，土体在加固体下部侧向膨胀变形较大，从而剧烈挤压桩身下部。

另外，对比图11（a）～（c）可以看出，有加固体时，相对于无加固体时桩侧土压力降低幅度随深度逐渐减小。这表明，加固体对侧向土体的约束作用随深度增加而逐渐减小。

3 结 论

（1） 有加固体时，高桩码头后方堆场的承载力将会大幅度提高。在本文试验条件下，其承载力提高幅度约50%。而且相同堆载大小时，有加固体的承台竖向、水平向位移都显著降低。

（2） 有加固体时，岸坡坡顶土体水平位移受加固体约束，土体水平位移量较无加固情形小。加固体的存在可以有效控制岸坡变形，降低甚至消除岸坡滑移风险。

（3） 加固体能有效约束上部土体的侧向变形，但在深处，土体应力、变形都会较无加固体时显著增大，因此，在深层土体内的码头桩基受到的堆载影响也会较大。

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（编辑：郑 毅）

Centrifugal model test of high-piled wharf slope reinforced by CDM method

WEI Wuchang1，XU Shengcai1，HONG Siyuan2，YANG Ligong3

（1.Hezhou University，Hezhou 542899，China; 2.Litai Construction Co.Ltd.，Nanchang 330038，China; 3.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，M.O.T.，Tianjin 300456，China）

Abstract：

High-piled wharf is the most commonly used wharf type in estuary and offshore area，because it is appropriate for soft ground.Under the action of self-weight of the soft ground and loading behind the high-piled wharf，the high-piled wharf will generate obvious lateral displacement，thus the pier structure will be seriously damaged and the safety of the high-piled wharf will also be threatened.Based on a centrifugal model test of wharf structure reinforced by CDM （cement deep mixing） method and without reinforcement，the deformation mechanism of bank slope，displacement pattern and bearing capacity of the high-piled wharf were clear，and the influences of the CDM method on bank slope deformation of the high-piled wharf were studied.The results showed that by using CDM method，the reinforcing body plays a role of retaining wall，thus the horizontal displacement of bank slope decreased and slope top had more heaving deformation，while soil body under the reinforcing body expand laterally.In general，the bearing capacity of the high-piled wharf reinforced by CDM was enhanced observably.

Key words：

high-piled wharf;bank slope;CDM method;centrifugal model test