基于软土地基条件下高桩码头桩基沉降变形分析

◎ 邱拓荒 福建省港航勘察设计院有限公司

在港口工程领域，高桩码头较为常见，其受力明确，结构较为轻便，符合软土地基环境的使用需求，因而在我国沿海地区被广泛应用。在软土环境当中，向码头施加一定外力后，会在每个桩上产生不同的轴力，进而使沉降存在一定差异。

实际当中，若软土地基出现沉降现象，会对码头造成一定干扰。其中，最直接的就是地基沉降，会使整个码头结构产生裂缝，降低码头承载力。在我国港口相关规范当中，没有针对高桩码头建设的需求，制定出相应的桩基沉降标准。本文以南方某港高桩码头为研究对象，首先参照其他领域的规范进行沉降理论值的计算，在设计环节预测出软土地基的沉降值。待工程完工后，再测量沉降的实际数据，通过对两个数值的对比，进而确定出有效的软土地基沉降预测方法。

图1 高桩码头结构断面图

1.工程概况

本次研究以南方某港通用码头为研究对象，其结构为高桩梁板式透空结构，码头平台以船舶荷载与波浪力等水平力作用为主，全长180m，共由两部分组成。每个排架之间，相距7.15m。横向排架内，以8个1m的钢管为主，由右侧开始，其编号分别是1～8。整个桩长度是50m，桩顶高程是6.5m，泥面高程是-13.5m，桩底高程是-53.5m，码头断面如图1所示。

通过工程地质勘察报告可知，项目所在地区的地质条件为第四系湖积层地质单元。在土壤当中，以淤泥为主，伴有少量泥炭土等。与地面之间相距5.05±0.55m，相对高差在1.15m左右。该结构抗剪强度较低，承载能力不高。

2.理论计算

目前，我国高桩码头通常以《高桩码头设计与施工规范》为依据，但其中并未明确桩基沉降的计算方法。为了提高设计的精确度，为后期施工和运营提供技术支持，需要在工程设计阶段，就要算得较为精确的沉降数据。本项目参照《建筑桩基技术规范》中相应的桩基理论计算公式，对高桩码头的桩基进行理论计算。确定桩基沉降时，主要从两个方面出发，一个为沉降量，另一个为沉降差。规定中要求：对单桩和单排桩、承台底地基土不分担荷载的桩基，在桩端面的下部，通常会出现一定的附加应力，对其计算时，需要使用到明德林解，具体来说，为公式(1)～(3)。地基使用时，在桩的两端，存在一定阻力，在这一阻力的作用下使得桩基出现了较大的应力。对j桩基分析时，一方面，应计算自身重力作用下，所带来的附加应力，同时，还要加入其它桩对其带来的应力。两者之和，即为总的附加应力。高桩码头设计时，参照下述公式，计算桩基的沉降的具体数值。在分析时，以单向压缩分层总和法为主，并以此为基础，添加了桩身压缩se。计算公式如下：

表1 码头地层分布表

表2 计算值与实测值沉降数据对比表

图2 桩基沉降计算结果与实际测量对比图

其中：

σzi表示在整个影像区域内，以土层1/2厚度为基准，所出现的所有垂直应力和；m表示在计算点的基础上，以1.2倍为直径，所存在的桩基数；

Qj表示在j桩基处，受到荷载效应的影像时，桩基所存在的附加荷载（kN）；

Lj表示j桩的长度（m）；

表示j桩存在的阻力，与顶部存在荷载的比值；

Ip,ij表示桩端处，以土层1/2厚度为基础，所存在的影响常数；

Is,ij表示桩侧处，以土层1/2厚度为基础，所存在的影响常数；

Ψ表示经验常数，若无经验，则选择为1.0；

Esi表示i土层处，所具有的压缩模量（MPa）；

Δzi表示i土层处，具体的厚度值（m)；

se表示在桩基处，所存在的压缩量；

ξe表示在桩基处，所存在的压缩常数；

Ec表示在桩身处，所具备的弹性模量；Aps表示截面积。

对于桩顶荷载Q来说，选择了轴向力，以这些数据为基础，对上述公式进行运算，进而推导出沉降量s，具体来说如表2所示。

3.实际测量

对于本码头来说，以软土地基为主，根据相关规定要求，应在工程结束后，选择相应位置，确定出永久测量点，以对沉降情况进行观测。

3.1 沉降观测的原理

沉降测量时，选用水准测量的方式，在建筑物上，选择出特定的监测点，通过设备的直接测量，获得高程值。以连续两侧测量结果为基准，做出横向的对比，进而确定高程是否改变，并推导出沉降量。

3.2 基准点的布设

基准点选择时，应保证其不会干扰码头的正常运行，通常处于30～50m范围内，且在3个以上。本研究中，在50m处构建出三个监测点。

3.3 基准点的观测及计算

以3个监测点为基准，通过平差测量的方式，获得实际沉降数据，并通过相应的软件进行运算，进而得到最终结果，如图2所示。

4.计算结果对比

由图2可见，理论计算的最大沉降为26.1mm，最少沉降为20.32mm，最大沉降差是5.78mm。实际观测到的沉降量最大沉降为30.1mm，最小沉降为19.1mm，最大沉降差是11.0mm。

理论计算与实际观测得到的桩基沉降量，趋势一致，基本接近。说明通过建筑桩基规范，计算高桩码头桩基沉降是可靠的。通过数据得到，理论计算出来的桩基沉降量更小，更平稳。原因在于理论计算考虑了桩顶荷载对计算桩周围的土体产生了附加的应力，所以沉降量更小。

5.结语

本项目参照《建筑桩基技术规范》中计算桩基沉降理论计算公式，对高桩码头桩基进行了理论计算。并在工程结束后，又进行了实际测量。通过对两个结果的对比，能够得到结论：

（1）由理论计算结果可知，桩基结构使用时，沉降是不均匀的。在实测时，获得的数据也并非线性关系，两者基本相同。在高桩码头处，通常存在数十毫米的沉降，若地质条件交叉，或者是对沉降要求较高，应总体来计算；

（2）在横向排架处，存在少量沉降差异，所以，若轴力差异超过一定标准后，因而推导出沉降存在的差异情况；

（3）理论计算时，涉及到了地基桩之间的互相交换作用，因而对于结果来说，非常贴近实测数值，所以在高桩码头建设时，可利用这一理论方法当做预测方法。