基于軟土地基條件下高樁碼頭樁基沉降變形分析

◎ 邱拓荒 福建省港航勘察設(shè)計(jì)院有限公司

在港口工程領(lǐng)域，高樁碼頭較為常見，其受力明確，結(jié)構(gòu)較為輕便，符合軟土地基環(huán)境的使用需求，因而在我國沿海地區(qū)被廣泛應(yīng)用。在軟土環(huán)境當(dāng)中，向碼頭施加一定外力后，會(huì)在每個(gè)樁上產(chǎn)生不同的軸力，進(jìn)而使沉降存在一定差異。

實(shí)際當(dāng)中，若軟土地基出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，會(huì)對碼頭造成一定干擾。其中，最直接的就是地基沉降，會(huì)使整個(gè)碼頭結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，降低碼頭承載力。在我國港口相關(guān)規(guī)范當(dāng)中，沒有針對高樁碼頭建設(shè)的需求，制定出相應(yīng)的樁基沉降標(biāo)準(zhǔn)。本文以南方某港高樁碼頭為研究對象，首先參照其他領(lǐng)域的規(guī)范進(jìn)行沉降理論值的計(jì)算，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)預(yù)測出軟土地基的沉降值。待工程完工后，再測量沉降的實(shí)際數(shù)據(jù)，通過對兩個(gè)數(shù)值的對比，進(jìn)而確定出有效的軟土地基沉降預(yù)測方法。

圖1 高樁碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖

1.工程概況

本次研究以南方某港通用碼頭為研究對象，其結(jié)構(gòu)為高樁梁板式透空結(jié)構(gòu)，碼頭平臺(tái)以船舶荷載與波浪力等水平力作用為主，全長180m，共由兩部分組成。每個(gè)排架之間，相距7.15m。橫向排架內(nèi)，以8個(gè)1m的鋼管為主，由右側(cè)開始，其編號(hào)分別是1～8。整個(gè)樁長度是50m，樁頂高程是6.5m，泥面高程是-13.5m，樁底高程是-53.5m，碼頭斷面如圖1所示。

通過工程地質(zhì)勘察報(bào)告可知，項(xiàng)目所在地區(qū)的地質(zhì)條件為第四系湖積層地質(zhì)單元。在土壤當(dāng)中，以淤泥為主，伴有少量泥炭土等。與地面之間相距5.05±0.55m，相對高差在1.15m左右。該結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度較低，承載能力不高。

2.理論計(jì)算

目前，我國高樁碼頭通常以《高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》為依據(jù)，但其中并未明確樁基沉降的計(jì)算方法。為了提高設(shè)計(jì)的精確度，為后期施工和運(yùn)營提供技術(shù)支持，需要在工程設(shè)計(jì)階段，就要算得較為精確的沉降數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中相應(yīng)的樁基理論計(jì)算公式，對高樁碼頭的樁基進(jìn)行理論計(jì)算。確定樁基沉降時(shí)，主要從兩個(gè)方面出發(fā)，一個(gè)為沉降量，另一個(gè)為沉降差。規(guī)定中要求：對單樁和單排樁、承臺(tái)底地基土不分擔(dān)荷載的樁基，在樁端面的下部，通常會(huì)出現(xiàn)一定的附加應(yīng)力，對其計(jì)算時(shí)，需要使用到明德林解，具體來說，為公式(1)～(3)。地基使用時(shí)，在樁的兩端，存在一定阻力，在這一阻力的作用下使得樁基出現(xiàn)了較大的應(yīng)力。對j樁基分析時(shí)，一方面，應(yīng)計(jì)算自身重力作用下，所帶來的附加應(yīng)力，同時(shí)，還要加入其它樁對其帶來的應(yīng)力。兩者之和，即為總的附加應(yīng)力。高樁碼頭設(shè)計(jì)時(shí)，參照下述公式，計(jì)算樁基的沉降的具體數(shù)值。在分析時(shí)，以單向壓縮分層總和法為主，并以此為基礎(chǔ)，添加了樁身壓縮se。計(jì)算公式如下：

表1 碼頭地層分布表

表2 計(jì)算值與實(shí)測值沉降數(shù)據(jù)對比表

圖2 樁基沉降計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測量對比圖

其中：

σzi表示在整個(gè)影像區(qū)域內(nèi)，以土層1/2厚度為基準(zhǔn)，所出現(xiàn)的所有垂直應(yīng)力和；m表示在計(jì)算點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以1.2倍為直徑，所存在的樁基數(shù)；

Qj表示在j樁基處，受到荷載效應(yīng)的影像時(shí)，樁基所存在的附加荷載（kN）；

Lj表示j樁的長度（m）；

表示j樁存在的阻力，與頂部存在荷載的比值；

Ip,ij表示樁端處，以土層1/2厚度為基礎(chǔ)，所存在的影響常數(shù)；

Is,ij表示樁側(cè)處，以土層1/2厚度為基礎(chǔ)，所存在的影響常數(shù)；

Ψ表示經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，若無經(jīng)驗(yàn)，則選擇為1.0；

Esi表示i土層處，所具有的壓縮模量（MPa）；

Δzi表示i土層處，具體的厚度值（m)；

se表示在樁基處，所存在的壓縮量；

ξe表示在樁基處，所存在的壓縮常數(shù)；

Ec表示在樁身處，所具備的彈性模量；Aps表示截面積。

對于樁頂荷載Q來說，選擇了軸向力，以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對上述公式進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)而推導(dǎo)出沉降量s，具體來說如表2所示。

3.實(shí)際測量

對于本碼頭來說，以軟土地基為主，根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求，應(yīng)在工程結(jié)束后，選擇相應(yīng)位置，確定出永久測量點(diǎn)，以對沉降情況進(jìn)行觀測。

3.1 沉降觀測的原理

沉降測量時(shí)，選用水準(zhǔn)測量的方式，在建筑物上，選擇出特定的監(jiān)測點(diǎn)，通過設(shè)備的直接測量，獲得高程值。以連續(xù)兩側(cè)測量結(jié)果為基準(zhǔn)，做出橫向的對比，進(jìn)而確定高程是否改變，并推導(dǎo)出沉降量。

3.2 基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)

基準(zhǔn)點(diǎn)選擇時(shí)，應(yīng)保證其不會(huì)干擾碼頭的正常運(yùn)行，通常處于30～50m范圍內(nèi)，且在3個(gè)以上。本研究中，在50m處構(gòu)建出三個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

3.3 基準(zhǔn)點(diǎn)的觀測及計(jì)算

以3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)為基準(zhǔn)，通過平差測量的方式，獲得實(shí)際沉降數(shù)據(jù)，并通過相應(yīng)的軟件進(jìn)行運(yùn)算，進(jìn)而得到最終結(jié)果，如圖2所示。

4.計(jì)算結(jié)果對比

由圖2可見，理論計(jì)算的最大沉降為26.1mm，最少沉降為20.32mm，最大沉降差是5.78mm。實(shí)際觀測到的沉降量最大沉降為30.1mm，最小沉降為19.1mm，最大沉降差是11.0mm。

理論計(jì)算與實(shí)際觀測得到的樁基沉降量，趨勢一致，基本接近。說明通過建筑樁基規(guī)范，計(jì)算高樁碼頭樁基沉降是可靠的。通過數(shù)據(jù)得到，理論計(jì)算出來的樁基沉降量更小，更平穩(wěn)。原因在于理論計(jì)算考慮了樁頂荷載對計(jì)算樁周圍的土體產(chǎn)生了附加的應(yīng)力，所以沉降量更小。

5.結(jié)語

本項(xiàng)目參照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中計(jì)算樁基沉降理論計(jì)算公式，對高樁碼頭樁基進(jìn)行了理論計(jì)算。并在工程結(jié)束后，又進(jìn)行了實(shí)際測量。通過對兩個(gè)結(jié)果的對比，能夠得到結(jié)論：

（1）由理論計(jì)算結(jié)果可知，樁基結(jié)構(gòu)使用時(shí)，沉降是不均勻的。在實(shí)測時(shí)，獲得的數(shù)據(jù)也并非線性關(guān)系，兩者基本相同。在高樁碼頭處，通常存在數(shù)十毫米的沉降，若地質(zhì)條件交叉，或者是對沉降要求較高，應(yīng)總體來計(jì)算；

（2）在橫向排架處，存在少量沉降差異，所以，若軸力差異超過一定標(biāo)準(zhǔn)后，因而推導(dǎo)出沉降存在的差異情況；

（3）理論計(jì)算時(shí)，涉及到了地基樁之間的互相交換作用，因而對于結(jié)果來說，非常貼近實(shí)測數(shù)值，所以在高樁碼頭建設(shè)時(shí)，可利用這一理論方法當(dāng)做預(yù)測方法。