高桩码头浚深改造有限元研究

何英发，周 超，顾 茜

（1. 华设设计集团股份有限公司 港航设计二所， 江苏 南京 210014；2. 华设设计集团股份有限公司 国土空间及城乡规划研究中心， 江苏 南京 210014）

0 引言

高桩码头是我国应用最为广泛的码头结构形式，其具有结构轻，减弱波浪效果好，用料省，对挖泥超深适应强，适用于软土地基等优点，然而对地面超载的适用性却较差。码头岸坡在浚深及后方堆载的作用下不仅会产生竖向位移，同时会产生水平向位移，使码头结构产生较大的内力，甚至造成结构的破坏，例如基桩与简支横梁出现较大的偏位，局部压应力过大使得很多桩帽发生了劈裂，基桩顶部开裂等破坏形式[1-3]。传统高桩码头计算模型及公式均是假设桩基为主动桩即上部荷载传递至桩基后传递至土体，均无法考虑桩基为被动桩的情况即土体在荷载作用下产生变形，并传递至桩基。[4]随着有限元的发展及普及，建立结构-地基复合模型并研究其相互作用成为可能[5-6]。祝振宇、廖雄华均建立了有限元模型，分析了高桩码头-岸坡体系的变形规律及结构内力变化规律。[7-8]在码头浚深改造之后，随着后方堆载的增加及码头前沿泥面的降低，岸坡土体的平衡状态将再次改变，从而对码头结构的安全产生影响。姚文娟分析了置换加固软弱土层改造方法对改善桩基结构受力的效果。[9]廖雄华建立二维有限元模型，分析了浚深对码头-岸坡体系的影响，[10]李越松用梁单元模拟桩基及纵、横梁分析了堆场区施工钻孔灌注桩加固方案的效果[11]。由于码头-岸坡体系之间的相互作用复杂，二维有限元模型及梁单元不能准确地模拟其相互作用，因此，本文利用有限元软件强大的数值分析能力及方便的后处理能力，建立三维有限元模型，对土体采用应用广泛的弹塑性本构模型Mohr-Coulomb 模型，对堆载区设低桩承台结构及码头前沿设板桩墙两种改造方案的码头-岸坡体系变形及内力变化进行分析，以期对工程实践提供借鉴。

1 加固目的及主要加固方案

高桩码头浚深改造之后，由于泥面的浚深及后方堆载的增加，码头体系整体稳定性降低。码头整体圆弧滑动依照土体强度及岸坡形状不同可分为浅层滑动及深层滑动。[12]同时由于码头-岸坡体系原应力状态被改变，土体位移变形发生改变，将增大对码头结构产生的内力。

为解决上述两种问题，高桩码头浚深改造方案主要有三个：（1）码头前沿设前板桩结构法，[13]即在已有码头前沿建造板桩墙，采用无锚板桩，施工时把板桩墙桩顶打至泥面处，以保证岸坡稳定及港池疏浚作业的安全；（2）在堆载区设传力结构（如钻孔灌注桩或低桩承台结构），以此将堆货荷载传至地基深处，减小对码头结构的影响；（3）设深基础接岸结构挡土墙，阻断土体变形向码头结构的传递。本文将对码头前沿设前板桩结构方案及堆载区设低桩承台两种方案进行分析。

2 工程案例

2.1 基本参数

根据国内某钢厂专用高桩码头建立有限元模型，码头示意图如图1 所示。前桩台宽18 m，由4 根直桩及2 根叉桩支撑，直桩为截面为0.6 m × 0.6 m 的混凝土方桩，桩长26 m，叉桩为0.6 m × 0.6 m 的混凝土方桩，斜度为1:3。后桩台宽19 m，由4 根截面为0.6 m × 0.6 m 的混凝土方桩组成，桩长24 m。后方堆载为35 kPa。原港池高程为▽-7 m，现将其浚深至▽-10 m。后方堆载增至60 kPa。选取码头一榀横向排架，土体纵向选取6 m 宽度建立有限元模型。码头结构、板桩墙及后方低桩承台均采用线弹性本构模型，土体采用Mohr-Coulomb 本构模型，各材料参数如表1 所示。

图1 改造方案示意图

表1 各材料参数

2.2 改造方案

本文模拟4 种改造方案。方案1：不经改造直接将图1 所示的 “开挖1” 及 “开挖2” 两部分挖除，后方堆载由35 kPa 变为60 kPa。方案2：在堆载区域设低桩承台，将图1 所示的 “开挖1” 及 “开挖2” 去除，后方堆载由35 kPa 变为60 kPa。方案3：在前方承台前沿打入板桩墙，墙顶打至泥面处，将图1 所示 “开挖1” 部分去除，后方堆载由35 kPa 变为60 kPa。方案4：在前方承台前沿打入板桩墙，墙顶打至泥面处，在堆载区域设低桩承台，将图1 所示的 “开挖1” 部分去除，后方堆载由35 kPa 变为60 kPa。

2.3 模型建立

由于本文主要研究浚深改造后岸坡变形引起的结构体系的变化，因此，只考虑体系在自重及后方堆载作用下的状态，土体在水位以上采用湿重度，水位以下采用浮重度。为模拟真实的码头-岸坡体系，各改造方案均首先计算原岸坡在自重作用下的应力状态，进行地应力平衡[14]174-176，再计算排架在自重、后方堆载35 kPa 作用下及浚深改造后的应力变形。土体及结构均采用实体单元，二者之间设接触模拟其受力状态。

3 结果分析

3.1 位移结构分析

图2、3、4 分别为按照方案1、方案2、方案3 改造后相较改造前岸坡土体位移增量矢量图。由图2 可以得出浚深后及堆载增加后，后方堆载区域产生较大的向下竖向位移增量，由于码头前沿港池疏浚相当于卸荷作用，港池处主要为向上的位移增量，同时由于泥面开挖，临空面增加及堆载区土体的推挤作用，前、后桩台下方土体有较大的水平向位移增量。由图3 可以得出，设置地桩承台后，后方堆载区域竖向位移增量大幅降低，港池侧向上位移增量与图2 基本一致。由于后方堆载区域的推挤作用变小，前后桩台下方土体水平向位移增量较图2 由4.8 cm 减少至3.0 cm。由图4 可以得出，设置前板桩墙后，后方堆载区域竖向位移增量与图2 基本一致，由于前板桩的阻隔作用，前后桩台下方土体受疏浚卸荷的影响较少，位移方向由朝港池侧倾斜向上变为朝港池侧水平位移，同时位移数值与图2 相差较小。对比图2、图3 中前后桩台的位移，方案1 前后桩台的位移为朝港池侧倾斜向上，方案2 为竖直向上的位移，方案3 为水平位移增量，与土体的位移变化趋势一致。由此可得，港池疏浚主要引起前后桩台下方土体向上的位移增量，而后方堆载增加主要引起前后桩台下方土体水平向位移增量。

图2 方案1 位移增量矢量图

图3 方案2 位移增量矢量图

图4 方案3 位移增量矢量图

3.2 桩基竖向轴力分析

提取图1 所示的桩A、B、C、D、E 的轴力值，如表2 所示。对表2 进行对比得出，由于土体的位移变化对桩产生摩擦，从而对码头桩基轴力产生影响，方案1 和方案2 中，相较改造前，桩A、C、D 轴力减小，而桩B、E轴力增大。方案3 和方案4 中，桩D 轴力相较未改造前相差不大，桩A、B、E 轴力增大，而桩C 轴力减小，与承台倾斜变化一致。

表2 桩基最大轴力值 单位：kN

3.3 桩基弯矩分析

图5 为各桩弯矩值。由图可得，桩A 改造前最大弯矩为桩顶弯矩，方案1 较改造前桩顶弯矩增大，方案2由于低桩承台的作用，土体水平向位移增量减小，弯矩值相较方案1 减小。方案3 桩A 顶点弯矩减小，在桩中部弯矩最大，但依然比方案1 的最大弯矩小20%。由于前桩台倾斜度增大，方案1 及方案2 较改造前，桩B 的桩顶负弯矩及桩基最大正弯矩同时增大。方案3 改造后，桩B、C 的桩顶弯矩及桩最大正弯矩均较方案1和方案2 减小，比改造前有所增大，但增大幅度较小。方案1 与改造前相比，桩基内力变化较大的为后桩台的桩基，桩D、E 均有明显的增加，由于堆载区土体变形对后桩台桩基的推挤作用，相较改造前桩基弯矩变幅最大的为桩E，最大正弯矩增大近一倍，桩顶负弯矩增大近60%。由于方案2 低桩承台减小了堆载区土体对桩基的推挤，桩E 的桩顶最大负弯矩相较方案1 有明显减少，与改造前相当，最大正弯矩比方案1 减少近40%，比改造前仅增大150 kN·m。方案3 对于后桩台桩基内力的改善效果并不明显，与方案1 弯矩值相差不多，而方案4 则对于各桩的弯矩均有明显的改善。

图5 桩弯矩

通过对比各方案各桩弯矩变化，对设置前板桩方案可以减少由于港池疏浚引起的前排桩基弯矩增大，但对减少由于堆载增大引起的后排桩弯矩增大的作用较小。对堆场设置低桩承台等处理措施的方案可有效减少由于堆载增大引起的后排桩基弯矩增大，但对减少由于疏浚引起的前排桩弯矩增大的作用较小。

4 结束语

码头浚深及后方堆载增加后，由于岸坡原平衡状态被破坏，对码头结构安全将产生不利影响，带来桩基弯矩增大、桩台倾斜度增大等问题。港池疏浚主要引起桩台下方土体竖直向上的位移增量，而后方堆载则增加主要引起桩台下方土体水平向位移增量。对设置前板桩方案可以减少由于港池疏浚引起的前排桩基弯矩增大，但对减少由于堆载增大引起的后排桩弯矩增大的作用较小。对堆场设置低桩承台等处理措施的方案可有效减少由于堆载增大引起的后排桩基弯矩增大，但对减少由于疏浚引起的前排桩弯矩增大的作用较小。码头升级改造过程中，应根据不同的因素选择相应的改造措施。