基于沉樁作用下高樁碼頭岸坡穩(wěn)定可靠度的研究

龔長(zhǎng)偉

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的快速發(fā)展，我國(guó)很多港口的普通碼頭開始無(wú)法滿足大型船舶?？啃枨?，大型高樁碼頭因此在我國(guó)各地大量興建，本文以黃驊港兩座碼頭興建過程中存在的現(xiàn)象總結(jié)了沉樁對(duì)高樁碼頭岸坡穩(wěn)定可靠度的負(fù)面影響，本文通過兩座碼頭的施工對(duì)基于沉樁作用下高樁碼頭岸坡穩(wěn)定可靠度分析進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

關(guān)鍵詞：沉樁；高裝碼頭；岸坡

中圖分類號(hào)：U656.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）08-0144-02

近年來(lái)我國(guó)很多港口的普通碼頭開展了高樁碼頭興建，這是由于高樁碼頭在穩(wěn)定性、便利性方面具備明顯優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，許多高樁碼頭在沉樁沉樁過程中造成樁基失穩(wěn)、滑坡等現(xiàn)象，而為了盡可能減少此類現(xiàn)象、保證高樁碼頭順利竣工，正是本文圍繞基于沉樁作用下高樁碼頭岸坡穩(wěn)定可靠度開展具體研究的原因所在。

1 沉樁對(duì)高樁碼頭岸坡穩(wěn)定可靠度的不利影響

結(jié)合實(shí)際調(diào)研，本文首先確定了高樁碼頭沉樁施工對(duì)岸坡穩(wěn)定可靠度帶來(lái)的不利影響，這種不利影響可以概括為以下四個(gè)方面。

1.1 促進(jìn)土體結(jié)構(gòu)滑動(dòng)應(yīng)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壓力，為了確保地面有足夠的抵抗壓力的強(qiáng)度，需要對(duì)承受建筑物的地面進(jìn)行加固，在地基上沉樁，將大部分建筑的重力轉(zhuǎn)移至地下較深的位置，提升地基的應(yīng)力水平。沉樁屬于高樁碼頭施工的第一個(gè)且比較重要的環(huán)節(jié)，過程中必然會(huì)對(duì)樁位處的原狀土造成破壞，進(jìn)而導(dǎo)致樁基周圍土體內(nèi)部空隙水壓升高，這是由于樁隨著錘擊，不斷深入原狀土，樁體對(duì)原狀土的擠壓導(dǎo)致樁周土體應(yīng)力不斷增加，沉樁時(shí)間快則四十分鐘，慢則兩個(gè)小時(shí)，這么短的時(shí)間無(wú)法實(shí)現(xiàn)飽和土體的排水固結(jié)，結(jié)合摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則、太沙基有效應(yīng)力原理，可以確定在沉樁施工與水文地質(zhì)環(huán)境的共同作用下，高樁碼頭岸坡土壤結(jié)構(gòu)將不斷發(fā)生變化，這種變化會(huì)直接影響碼頭岸坡及護(hù)岸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。結(jié)合近年來(lái)進(jìn)行的實(shí)際施工的調(diào)研不難發(fā)現(xiàn)，沉樁引發(fā)岸坡基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)重塑的情況在高樁碼頭施工中屢見不鮮，由此必須高度重視沉樁帶來(lái)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響。

1.2 加劇壓縮現(xiàn)象發(fā)生概率

一般情況下，高樁碼頭岸坡沉樁施工前要進(jìn)行排水處理，如施工單位未進(jìn)行排水處理，樁碼頭岸坡沉樁施工很容易出現(xiàn)壓縮問題，這一問題帶來(lái)的岸坡結(jié)構(gòu)可靠度與穩(wěn)定性影響同樣需要得到關(guān)注。為避免高樁碼頭岸坡沉樁施工出現(xiàn)壓縮現(xiàn)象，施工單位必須高度重視排水處理環(huán)節(jié)，同時(shí)具體施工前做好施工地水文地質(zhì)相關(guān)勘察，以此落實(shí)針對(duì)性較強(qiáng)的處理措施，即可有效減小或避免沉樁對(duì)高樁碼頭岸坡穩(wěn)定可靠度造成的負(fù)面影響。

1.3 導(dǎo)致土體穩(wěn)定性降低

假定沉樁過程中總應(yīng)力是不變的，高樁碼頭岸坡沉樁施工必然造成樁體周圍原狀土土體結(jié)構(gòu)的擠壓，這種擠壓將不可避免的造成土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和強(qiáng)度下降。而如果沉樁速度過快，則樁周圍土體將出現(xiàn)超孔隙水壓力大范圍提升的情況，因沉樁施工速度過快則會(huì)使孔隙水壓力無(wú)法及時(shí)消散，高樁碼頭岸坡將出現(xiàn)變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成岸坡失穩(wěn)。值得注意的是，沉樁速度過快帶來(lái)的影響在軟黏土岸坡中的表現(xiàn)更為顯著，施工單位應(yīng)通過制度約束避免這種施工行為的出現(xiàn)。此外，經(jīng)過學(xué)界的廣泛試驗(yàn)、實(shí)踐驗(yàn)證，可以確定孔隙水壓力屬于衡量高樁碼頭岸坡穩(wěn)定可靠度最重要指標(biāo)。

1.4 加劇了土體振動(dòng)速度

除上述內(nèi)容外，土體受樁、錘撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)影響將產(chǎn)生振動(dòng)加速度，由此帶來(lái)的滑動(dòng)力矩增大將大幅將土體強(qiáng)度，這一影響在靈敏度較高的飽和砂土中極為顯著，對(duì)高樁碼頭岸坡穩(wěn)定可靠度的影響極大。但相較于上文提及的土體結(jié)構(gòu)擠壓，由于樁、錘撞擊產(chǎn)生的振動(dòng)在瞬間發(fā)生，這就使土體的振動(dòng)加速度以交替方式形成，這樣會(huì)使土體產(chǎn)生振動(dòng)加速度對(duì)高樁碼頭岸坡穩(wěn)定可靠度產(chǎn)生的負(fù)面影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于孔隙水壓力帶來(lái)的影響。

2 基于沉樁作用下高樁碼頭岸坡穩(wěn)定可靠度分析

2.1 對(duì)超孔隙水壓力分布狀況進(jìn)行簡(jiǎn)要分析

由于沉樁會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)完成將樁身相同體積的土擠向周圍的物理過程，樁周圍的土體受到擠壓作用，會(huì)出現(xiàn)豎向和水平平移的現(xiàn)象，由此會(huì)發(fā)生重塑和擾動(dòng)作用。眾所周知，在沉樁過程中，樁周圍的土體會(huì)形成四個(gè)區(qū)域，即完全損傷區(qū)、塑性影響區(qū)、彈性影響區(qū)和忽略不計(jì)的區(qū)域。實(shí)踐研究結(jié)果表明，樁周圍土體的橫向移動(dòng)幾乎可以忽略不計(jì)，主要研究方向是樁周圍土體的縱向移動(dòng)。我負(fù)責(zé)施工的兩座碼頭，共沉樁5475根，包括預(yù)應(yīng)力混凝土方樁，預(yù)應(yīng)力大直徑管樁及鋼管樁，沉樁結(jié)束后，配合科研單位對(duì)樁周圍的土體進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)樁周圍土體中存在超孔隙水壓力分布，該結(jié)果能夠通過小孔擴(kuò)張理論得到證實(shí)。一般將沉樁過程認(rèn)作是軸對(duì)稱擴(kuò)張，因此根據(jù)軸對(duì)稱理論能夠求出樁周圍土體中超孔隙水壓力增量。研究發(fā)現(xiàn)，塑性影響區(qū)的超孔隙水壓力增量與計(jì)算半徑呈對(duì)數(shù)關(guān)系，超孔隙水壓力增量在樁和樁周土體的交界處達(dá)到最大值，在縱向，隨著樁中心距離的加大，超孔隙水壓力增量會(huì)不斷減弱；而彈性影響區(qū)的超孔隙水壓力增量與計(jì)算半徑呈反比關(guān)系，且彈性影響區(qū)的超孔隙水壓力增量很小，幾乎可以忽略不計(jì)。因此，在分析超孔隙水壓力增量對(duì)岸坡穩(wěn)定可靠度影響的過程中，只需考慮塑性影響區(qū)內(nèi)超孔隙水壓力增量對(duì)岸坡穩(wěn)定性的影響[1]。

2.2 對(duì)土體應(yīng)力狀況進(jìn)行簡(jiǎn)要分析

通過研究表明沉樁后的超孔隙水壓力和樁周土體應(yīng)力分布具有空間性的特點(diǎn)，并且隨著深度的變化，凈孔隙水壓力逐漸減小。在沉樁的初始階段，超孔隙水壓力增量會(huì)隨著深度的增加而增大，在地質(zhì)均勻的土體中，超孔隙水壓力增量隨深度的增長(zhǎng)較為明顯的線性關(guān)系，在地質(zhì)不均勻的土體中，此類現(xiàn)象會(huì)弱化。由于沉樁時(shí)，多種形式的力施加在樁周土體內(nèi)，在多力作用下，必然增加樁周土體內(nèi)的超孔隙水壓力，當(dāng)有效應(yīng)力大于樁周土體的抗拉程度時(shí)，樁周土體會(huì)液化，液化到達(dá)一定程度后，樁周圍土體會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，土體開裂會(huì)就導(dǎo)致超孔隙水壓力的急速擴(kuò)大[2]，這也就是通常所說的水裂現(xiàn)象，即由高孔隙水壓力導(dǎo)致樁周土體壓力降低引發(fā)的土體開裂現(xiàn)象。對(duì)水裂現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入分析可知，超孔隙水壓力不是無(wú)限擴(kuò)大的，而是存在一定的限制，這是因?yàn)槌紫端畨毫Φ脑黾优c樁周土體的初始應(yīng)力以及沉樁過程中產(chǎn)生的附加力存在一定關(guān)系。在沉樁過程中，橫向裂縫和縱向裂縫不可能同時(shí)存在，因此，超孔隙水壓力在水平方向上距離樁的半徑處于最小值狀態(tài)。若最終的計(jì)算結(jié)果顯示，超孔隙水壓力值超過水裂控制值，應(yīng)取橫向開裂的值[3]。

3 實(shí)例驗(yàn)證

在全面了解了沉樁對(duì)高樁碼頭岸坡穩(wěn)定的影響程度后，針對(duì)黃驊港某港口的碼頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入分析。首先要簡(jiǎn)單了解該港口的具體情況，港口一共有四個(gè)五萬(wàn)噸的多用途泊位，且碼頭結(jié)構(gòu)為高樁板梁式結(jié)構(gòu)，碼頭的全長(zhǎng)為1284米，寬為60米，碼頭通過3座引橋與陸域連接，此外，碼頭面高程+6.00m，前沿設(shè)計(jì)的水深為-15.3米。該港口后承臺(tái)采用預(yù)應(yīng)力混泥土方樁，前承臺(tái)采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁作為碼頭基樁，且每個(gè)榀排架下都有十三根樁，需要注意的是，該港口使用的管樁直徑為1200毫米，每根樁長(zhǎng)都在45-55米范圍內(nèi)。施工前深入分析在沉樁過程中影響該港口岸坡穩(wěn)定可靠度的具體因素。根據(jù)該港口的沉樁工作過程和具體的施工條件、施工效率可知，每天沉樁16-20根。在沉樁過程中不會(huì)再同一斷面上連續(xù)沉樁，以此避免因?yàn)槌翗端俣冗^快造成岸坡變形、樁基斷裂的情況。設(shè)定打樁船再次沉樁時(shí)，樁周孔隙水壓力已經(jīng)部分消散，由此可以分析得出，該港口在沉樁過程中最危險(xiǎn)的情況時(shí)在打入第三根樁時(shí)。而在具體的計(jì)算結(jié)果中也顯示出，此時(shí)可靠度指標(biāo)相對(duì)降低，失效概率增大，由此可知，隨著沉樁密度的增加，安全系數(shù)也會(huì)隨之下降，在沉樁施工的擾動(dòng)下，岸坡存在變形和滑動(dòng)的可能。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高樁碼頭岸坡沉樁施工很容易對(duì)岸坡穩(wěn)定可靠度造成負(fù)面影響。而在此基礎(chǔ)上，本文涉及的提升土體結(jié)構(gòu)滑動(dòng)應(yīng)力、引發(fā)壓縮現(xiàn)象、引發(fā)變形和失穩(wěn)、土體產(chǎn)生振動(dòng)加速度等研究?jī)?nèi)容，則證明了研究具備的較高實(shí)踐價(jià)值。因此，在相關(guān)領(lǐng)域的理論研究和實(shí)踐探索中，本文內(nèi)容能夠發(fā)揮一定程度的參考作用。

參考文獻(xiàn)

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