潮位變化對(duì)高樁碼頭樁基承載能力的影響

唐豐禮，孫言茂，黎雙邵，劉天韻

（1.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京100027；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222；3.天津港灣工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，天津300222）

潮位變化對(duì)高樁碼頭樁基承載能力的影響

唐豐禮1，孫言茂1，黎雙邵2，3，劉天韻2*

（1.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京100027；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222；3.天津港灣工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，天津300222）

根據(jù)有效應(yīng)力原理，以潮位上升引起土層有效應(yīng)力減小，導(dǎo)致樁基承載能力降低，解釋高樁碼頭單樁豎向靜載荷試驗(yàn)過(guò)程中，樁頂沉降隨潮位上升而持續(xù)增加，難以穩(wěn)定的現(xiàn)象，并對(duì)受潮位影響的樁基設(shè)計(jì)提出合理建議。關(guān)鍵詞：高樁碼頭；樁基；潮位；靜載荷試驗(yàn)；承載力

0 引言

高樁碼頭是一種常用的近岸碼頭結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)系列長(zhǎng)樁打入地基形成樁基礎(chǔ)，承受上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)的荷載[1]。因高樁碼頭的樁基礎(chǔ)臨近海岸，處于潮位變動(dòng)區(qū)域，潮位漲落將對(duì)樁基性能產(chǎn)生影響，在莫桑比克貝拉漁碼頭重建工程單樁抗壓靜載荷試驗(yàn)過(guò)程中，樁頂沉降受潮位變化影響明顯，處于潮位上升期的加荷級(jí)，樁頂沉降持續(xù)增加，直到潮位達(dá)到最高潮并開始回落后才達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

已有的研究表明周期性潮位漲落將使地基土產(chǎn)生硬化，會(huì)增大群樁基礎(chǔ)的工后沉降[2-3]，但并不能解釋樁頂沉降受潮位影響的試驗(yàn)現(xiàn)象。本文則根據(jù)有效應(yīng)力原理，從單樁抗壓靜載荷試驗(yàn)結(jié)果出發(fā)，解釋樁頂沉降隨潮位上漲而持續(xù)增加的原因，進(jìn)而說(shuō)明潮位變化對(duì)高樁碼頭樁基承載能力的影響。

1 工程概況

貝拉漁碼頭重建工程位于莫桑比克貝拉港，碼頭采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)為直徑1 m的鉆孔灌注樁，為驗(yàn)證樁基承載力，對(duì)試樁進(jìn)行單樁抗壓靜載試驗(yàn)，試樁樁長(zhǎng)約52 m，試樁位置處地面標(biāo)高7.0 m，土層分布和參數(shù)見(jiàn)表1。貝拉港潮汐為半日潮，試樁期間潮位在0.4~6.9 m區(qū)間變化。

表1 試樁位置處土層分布和參數(shù)指標(biāo)Table 1Soil layer distribution and parameter index at the location of test pile

2 試樁抗壓靜載荷試驗(yàn)

本工程的試驗(yàn)樁軸向抗壓靜載荷試驗(yàn)，采用慢速維持荷載法。每級(jí)加載后的0、5、10、15、30 min測(cè)讀樁頂沉降，以后每隔30 min測(cè)讀1次。每級(jí)荷載至少維持120 min，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為某級(jí)荷載作用下，樁頂沉降量小于0.1 mm/h。每級(jí)卸載的時(shí)間間隔為60 min，卸載至0時(shí)應(yīng)測(cè)讀180 min。當(dāng)樁頂總沉降量超過(guò)40 mm，且在某級(jí)荷載作用下，樁的沉降量為前一級(jí)荷載作用下的5倍或Q-S曲線出現(xiàn)可判定極限承載力的陡降段時(shí)，終止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。從結(jié)果曲線可以看出，抗壓靜載試驗(yàn)過(guò)程中，每隔幾級(jí)荷載，就會(huì)出現(xiàn)較大沉降，并且經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種情況的時(shí)候，都是潮位上漲期間。

圖1 試樁的Q-S曲線Fig.1Q-S curve of test pile

圖2 試樁的S-lg t曲線Fig.2S-lg t curve of test pile

3 潮位對(duì)靜載荷試驗(yàn)的影響

將潮位隨時(shí)間變化與試樁靜載試驗(yàn)各級(jí)荷載加荷過(guò)程對(duì)應(yīng)，各級(jí)荷載加荷過(guò)程時(shí)沉降與潮位變化對(duì)應(yīng)曲線如圖3所示，可以明顯看出，加荷級(jí)在潮位上漲時(shí)，樁頂沉降顯著增大，而且達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)，越到后面的加荷級(jí)，這種趨勢(shì)越明顯，例如第12加荷級(jí)9 235 kN級(jí)和第14加荷級(jí)10 655 kN，在低潮位時(shí)樁頂沉降變化較小，但隨著潮位的上升，樁頂沉降顯著增大，基本在高潮位時(shí)達(dá)到最大，隨著潮位開始下降，樁頂沉降不再增大，達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)生破壞的第16級(jí)12 075 kN，也是在潮位上漲過(guò)程中樁頂沉降不斷增大，最終達(dá)到試驗(yàn)破壞標(biāo)準(zhǔn)。而加荷級(jí)在潮位下降或低潮時(shí)，樁頂沉降較小，而且基本在規(guī)范要求的最少加荷維持時(shí)間內(nèi)就達(dá)到了穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，潮位的漲落對(duì)試樁樁頂沉降影響很大，從另一方面也說(shuō)明對(duì)試樁樁基的承載性能影響很大。

圖3 各級(jí)加荷過(guò)程時(shí)沉降與潮位變化對(duì)應(yīng)曲線Fig.3Corresponding curve of sedimentation and tidal change in the loading process at all levels

4 潮位變化影響試樁沉降的原因分析

從工程概況可知，試樁處地面標(biāo)高7.0 m，而試樁期間潮位在0.4~6.9 m間變化，當(dāng)樁基有上覆土層處于潮位變化區(qū)間時(shí)，潮位的漲落將影響最低潮位面以下土層的有效應(yīng)力。

根據(jù)有效應(yīng)力原理，有：

在潮位從最低潮位開始上漲Δh時(shí)，對(duì)最低潮位處，豎向總應(yīng)力σ并未改變，而孔隙水壓力u增加γwΔh，則由式（1）可知，土體豎向有效應(yīng)力σ′減少γwΔh。由圖4可知，最低潮位以下土體每延米的豎向有效應(yīng)力σ′均減少了γwΔh。

圖4 潮位上漲時(shí)有效應(yīng)力變化簡(jiǎn)圖Fig.4Sketch of effective stress variation when the tide rises

在試樁處的土層分布中，有幾層較厚的中粗砂層。對(duì)砂土層，因其滲透性好，隨潮位上漲即發(fā)生有效應(yīng)力的減少。根據(jù)文獻(xiàn)[4]，砂性土對(duì)樁的側(cè)摩阻力主要與垂直于樁側(cè)面的土體水平向有效應(yīng)力σH′和樁土之間的外摩擦角δ有關(guān)，單位面積側(cè)摩阻力可表示為：

式中：k0i為土層的靜止土壓力系數(shù)；σVi′為土層的豎向有效應(yīng)力。

當(dāng)樁徑為d，砂土層厚度為li，樁徑尺寸效應(yīng)系數(shù)為ψsi時(shí)，砂土層提供的側(cè)摩阻力為：

由前述可知，當(dāng)潮位由低潮向高潮變化Δh時(shí)，最低潮位以下的砂土層，每延米豎向有效應(yīng)力的減小值為ΔσVi′=γwΔh，則減小的側(cè)摩阻力為：

因潮位上漲Δh，樁基受浮力而減少的自重為：

則當(dāng)潮位上漲時(shí)，樁基承載能力減小為：

本工程中最低潮位以下的中粗砂層③、⑤、⑥土層厚度和內(nèi)摩擦角φi見(jiàn)表1，樁徑d=1 m，ψsi=（0.8/d）（1/3）[5]，取樁土間外摩擦角δi=0.5φi[6]，潮位從0.4 m上漲到6.9 m時(shí)，Δh=6.5 m，代入式（7）~式（9）得單樁損失的承載力為ΔQ=370 kN。

同理，當(dāng)潮位從6.9 m回落到0.4 m時(shí)，樁基承載力也恢復(fù)了ΔQ=370 kN。

誠(chéng)然，以上的計(jì)算公式屬于理想化的模式，尤其對(duì)深層的中粗砂層⑤、⑥，側(cè)摩阻力值降低因其他因素的影響未必如此大，但因潮位上漲而引起土體有效應(yīng)力減小，造成側(cè)摩阻力降低，進(jìn)而導(dǎo)致樁基承載力降低的總體趨勢(shì)還是存在，由計(jì)算結(jié)果可知，在沒(méi)有達(dá)到破壞荷載之前，隨著潮位上漲，樁的承載力不斷減小，在上漲過(guò)程中施加的試驗(yàn)荷載級(jí)，樁頂沉降因樁的承載力不斷變小而無(wú)法保持穩(wěn)定，直到潮位達(dá)到最大并開始回落。而在潮位下降時(shí)施加的試驗(yàn)荷載級(jí)，因樁的承載力在逐漸恢復(fù)，因而比較容易達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

5 對(duì)高樁碼頭樁基設(shè)計(jì)的建議

在港口工程樁基規(guī)范中，砂土對(duì)樁基的單位面積側(cè)摩阻力值與標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)有關(guān)，設(shè)計(jì)采用的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)一般通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的SPT試驗(yàn)獲得。對(duì)于高樁碼頭中有上覆土層位于潮位變化區(qū)間的樁基，潮位的變化將引起土層內(nèi)有效應(yīng)力的變化，也將引起標(biāo)貫擊數(shù)的變化。一般情況下，設(shè)計(jì)者獲得的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)并未考慮潮位漲落的影響。因此，對(duì)于上覆土層位于潮位變化區(qū)間的樁基設(shè)計(jì)，應(yīng)當(dāng)對(duì)SPT試驗(yàn)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正或要求提供最高潮位時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，才能保證設(shè)計(jì)出的樁基符合實(shí)際情況并滿足沉降和承載力要求。

6 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)有上覆土層處于潮位漲落區(qū)間的高樁碼頭樁基，潮位上漲將引起最低潮位以下土體有效應(yīng)力降低，造成土層對(duì)樁的側(cè)摩阻力減小，導(dǎo)致樁的承載能力在潮位上漲時(shí)出現(xiàn)降低。

2）對(duì)上部覆土層位于潮位漲落區(qū)間的高樁碼頭樁基設(shè)計(jì)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)確定砂土層的單位側(cè)摩阻力值時(shí)，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正或采用最高潮位時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)做為設(shè)計(jì)依據(jù)。

[1]王元戰(zhàn).港口與海岸水工建筑物[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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[3]周浩，張寧寧，凌海蓉.潮位對(duì)樁基礎(chǔ)沉降影響的研究[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，25（4）：5-7. ZHOU Hao,ZHANG Ning-ning,LING Hai-rong.Study on the effect of tidal level on settlement of pile foundation[J].Journal of Yancheng Institute of Technology:Natural Science Edition, 2012,25(4):5-7.

[4]閆澍旺，董偉，劉潤(rùn)，等.海洋采油平臺(tái)打樁工程中土塞效應(yīng)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（4）：703-709. YAN Shu-wang,DONG Wei,LIU Run,et al.Study of influence of soil plug on driving piles of offshore oil drilling platform[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(4):703-709.

[5]JTS 167-4—2012，港口工程樁基規(guī)范[S]. JTS 167-4—2012,Codeforpilefoundationofharborengineering[S].

[6]GB 50007—2011，建筑地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)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

唐豐禮（1975—），男，吉林人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事港口工程設(shè)計(jì)建設(shè)工作。*通訊作者：劉天韻，E-mail：386461238@qq.com