后方超载作用下钢板桩码头变形处理措施

肖玉芳

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

钢板桩码头结构具有节能、环保、挡土性好、有效减少土方开挖、施工速度快等优点。随着港口的发展，码头结构形式呈多样化，钢板桩结构在港口工程中也被广泛运用，但钢板桩码头在使用不当情况下，后方土体因超载发生变形对码头结构的影响不容忽视，特别是在软土区更加明显。码头后方在超载作用下，土体会产生显著水平变形，进而使桩基础和钢板桩发生明显的侧向变形，严重时可导致结构发生破坏[1-2]。

1 工程实例

1.1 码头结构方案

码头采用钢板桩结构，顶面高程+5.4 m，设计底标高-5.7 m，单锚板桩结构形式，采用AZ36-700N钢板桩，板桩材质为S430GP，顶高程+2.0 m，墙底高程-25.0～-31.0 m。钢板桩上部结构为现浇C40钢筋混凝土胸墙，胸墙宽2.48 m。拉杆钢材屈服强度不小于550 MPa，抗拉强度不小于750 MPa，间距2.1 m。码头拉杆高程为+1.5 m，直径为φ70 mm。锚碇结构采用现浇C40钢筋混凝土锚碇墙，墙厚600 mm，高4.0 m，顶高程4.0 m，底高程+0.0 m，下设0.4 m厚碎石基础和0.1 m水泥砂浆垫层，墙前回填10～100 kg块石，墙后回填中粗砂，码头墙前25 m范围内打排水板，进行真空预压软基处理。码头结构断面见图1。

1.2 码头施工现状及存在问题

图1 码头结构断面图Fig.1 Cross-section of wharf structure

码头已完成胸墙、前后轨道梁浇筑，后方区域已回填至交工标高+4.7 m，剩余铺面未进行铺设。根据现场沉降位移观测数据，码头整体往海侧存在不同程度的位移，其中胸墙往海侧最大位移为9.3 cm，后轨道梁往海侧最大位移为22 cm，锚碇墙往海侧最大位移34 cm，锚碇墙最大沉降49 cm。

1.3 原因分析

根据施工现场反馈的情况，引起码头主要构件发生沉降位移的主要因素有：

1）码头墙前水域局部出现超挖

港池设计底标高-5.7 m，局部区域疏浚实际已开挖至-6.7 m左右，水深超挖约1 m。

2）连续暴雨排水不畅

发生土体变形期间，连续一个多月大暴雨。3）码头后方上砂石料

在暴雨期间，码头后方存在持续上砂石料现象，堆料位于后轨往后附近区域，呈长条形堆放，堆高约8 m。

2 施工过程模拟分析

由于现场码头后方堆载过高，超出原设计规定范围，普通的二维模型及规范计算方法已经不能适用。

2.1 有限元模型

基于大型岩土三维有限元模型软件PLAXIS，建立三维有限元模型进行分析[3]。

2.2 模型范围

考虑结构的连续性和对称性，选择码头横向31.5 m的范围，考虑前板桩和锚定系统的影响范围，选择码头前沿线海侧40 m，后方80 m范围，模型计算底标高选择-80 m。

2.3 单元选择

为了能够真实反映桩和土之间接触界面的性质，土体采用实体单元来模拟，对于钢板桩结构通过等效刚度的方法采用壳单元模拟，赋予其线弹性属性，并在板桩前后加入界面单元模拟接触的实际性质。接触面单元通过特定的数值模型，模拟不同材料之间的相互滑移、脱离等力学现象。对于结构与土之间的界面，按照一般的工程经验，取同深度土层材料强度的2/3作为接触面单元的强度。对于锚定墙也采用壳单元模拟，并设置接触界面。对于轨道梁下的桩采用Embedded桩进行模拟。

2.4 边界条件

模型的位移边界条件：四个侧面约束其法向位移，底面约束其三个方向的位移。排水边界条件：底面及四个侧面均为不排水边界，顶面为排水边界。

2.5 土体参数

根据勘察报告，模型中所采用的土层及相应参数见表1。

2.6 施工过程的模拟

为了真实、准确地分析板桩码头的稳定性以及各构件的变位和内力情况，采用有限元软件PLAXIS对施工过程进行模拟，码头有限元三维模型见图2。

表1 土体参数表Table 1 Soil parameters

图2 码头有限元三维模型Fig.2 Finiteelement 3D model of thewharf

1）原泥面+4.7 m处开始初始地应力平衡。

2）打设钢板桩及PHC桩。

3）锚碇墙、胸墙、张拉锚杆等施工。

4） 码头前开挖至-5.7 m。

5） 码头前开挖至-6.7 m（超挖1 m）。

6）码头后轨道梁及锚碇墙之间堆砂，三角形砂堆最高处8 m。

7）码头后方卸载。2.7 计算结果

结构位移计算结果与现场变形对比见表2，结构内力汇总见表3。

表2 结构位移计算结果与现场变形对比表Table 2 Comparison of structural displacement resultsand site deformation

表3 结构内力统计表（标准值）Table 3 Statistical table of structural internal force(standard value)

2.8 计算结果分析

1）结构段位移沉降变化趋势与测量结果基本吻合，但锚定板沉降和位移有差异，可能存在局部地基破坏。

2）钢板桩受力在设计允许范围内。3）拉杆受力在设计允许范围内。

4）锚碇墙受力在设计允许范围内。

5）前轨PHC桩基本已超出极限承载力，后轨基本未超出极限承载力。

2.9 钢板桩强度复核

根据JTS 167-3—2009《板桩码头设计与施工规范》[4]，对钢板桩的单宽强度进行复核，钢板桩满足强度要求。

2.10 规范计算结果对比分析

通过规范计算对比，对钢板桩弯矩等结构内力，PLAXIS模拟计算结果略小于规范计算值，但很接近，PLAXIS三维模拟的结果可为变形后处理措施的确定提供指导。

3 处理措施

根据分析结果，提出以下处理措施，实施过程中可根据开挖及检测具体情况进行方案的合理调整。

3.1 处理措施原则

满足结构安全和使用要求，尽量降低码头结构的处理费用，同时兼顾施工可行性。

3.2 处理措施

基于钢板桩可用的前提下，对钢板桩及胸墙偏位的调整是关键，也是重点，处理需要采取以下主要措施：

1）钢板桩偏位的调整。弯矩没有超过极限承受弯矩的范围，需进行偏位调整，钢板桩偏位通过墙前回填和墙后开挖进行调整。开挖后进行锁口检查，如锁口完好，调整偏位后可继续使用。

2）胸墙。尽量少凿除，根据钢板桩偏位调整情况，凿除面层以调整前沿线。

3）轨道梁及PHC桩：前轨轨道梁需要全部凿除，经检测，如果PHC桩完整性检测为I类桩，考虑利用；如果PHC桩完整性检测为II类桩，考虑进行补桩处理。

4）钢拉杆：拉杆内力未达到极限值，经检测合格，重新调直后使用。防腐材料如果损坏，需重做。

5）锚碇墙：虽然发生了较大的位移，但分析结果显示，此变位属于墙体整体平动和转动，弯矩并不是很大，因此开挖检测后如没有倾斜，没有开裂，可以使用；如开裂、倾斜需要调整修复。沉降比较大的，可以通过加高处理。如挖开后发现锚碇墙基础破坏，需局部进行换填处理。

3.3 施工工序

处理措施的主要施工工序见图3。

处理过程中，加强沉降位移观测，同时加强对现有码头结构的保护[5]。

4 处理过程中检测数据分析

在变形处理施工过程中，根据钢板桩及锁扣、钢拉杆，PHC桩和锚定墙的检测结果，钢板桩及锁扣外观均完好，未出现锁扣损坏现象；钢拉杆的单节杆体长度、杆体直径、杆体弯曲（每米）、接头处拉杆轴线偏移检测结果与PLAXIS三维模拟结论基本吻合。

5 结语

钢板桩码头受力比较复杂，很难通过简单计算对钢板桩、锚碇墙及轨道梁桩基础等构件之间共同耦合作用进行系统分析。本文对码头后方在超载作用下，考虑了港池超挖、连续大暴雨排水不畅、码头后方超载堆载砂石料等重要影响因素对钢板桩及桩基础的影响，对土体的侧向运动挤压桩基和钢板桩变形，建立PLAXIS三维有限元模型，实现不同构件在模型下的整体分析，分析结果更具对比性，可为类似工程处理提供参考。

图3 主要施工顺序Fig.3 Key construction sequence