后方土体淤积下高桩码头桩基变形规律分析

张 栋， 张 龙， 刘欣昕， 程星燎

(1.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 江苏 南京 210029； 2.中国人民解放军 91112部队，浙江 宁波 315046； 3.南京瑞迪建设科技有限公司， 江苏 南京 210029)

1 研究背景

高桩码头桩基不仅直接承担上部作业荷载，同时需抵抗后方土体岸坡的侧向变形及负摩阻力作用[1-2]。随着后方岸坡土体不断淤积，码头桩基与岸坡土体相互影响，土体内出现遮帘效应与土拱效应[3]，岸坡淤积过程中的欠固结土体所产生的水平推力和负摩阻力[4]使桩身产生弯矩和变形，严重时会导致高桩码头结构出现断裂破坏。

针对有桩的岸坡稳定性验算，《水运工程地基设计规范》[5]规定不宜计入桩的抗滑作用，而后方岸坡土体对桩基的受力变形状态有较大影响。王鹏等[6]通过模型试验研究发现，岸坡变形作用下，框架码头后桩会产生较大弯矩，影响码头结构安全性与整体稳定性。李荣庆等[7]研究了淤积作用下高桩码头基桩的受力变形特征，认为淤积作用下桩顶弯矩最大，向岸侧倾斜桩最容易受到破坏。Yan等[8]将离心机试验与数值模型相结合，分析了斜坡上方高桩码头的侧向承载性能，发现在荷载与岸坡土体的作用下，竖直桩和向岸侧斜桩的顶部均出现较大弯矩。Xie等[9]分析了高桩码头在不同斜率岸坡下的结构变形特性，并建立公式表述了侧向荷载与结构变形的关系。张钧堂等[10]通过单排架模型试验研究了排架桩身的变形及受力特性，认为桩身弯矩值随荷载的增加而逐渐增大，土体滑动位置的桩身弯矩较大。

码头桩基对后方土体岸坡起着较明显的加固作用[11]，不同的桩间距、桩边长、桩长等参数对岸坡的稳定加固效果也不同[12]。位于斜面土体的高桩码头桩基同时承受上部构件传递的竖向荷载和岸坡土体的水平荷载[13]，不能简单参照单桩结构的承载特性[14]，且因为上部结构对桩顶的约束，单桩结构的理论求解[15]也难以直接应用。高桩码头的结构计算多将码头结构简化为平面上的杆系单元进行求解[16-17]，同样采用单排架结构模型实验和数值模拟[17-19]的方法进行研究，不能反映结构的三维特性。另外大部分研究没有考虑岸坡淤积导致的泥面高程变化过程对高桩码头桩基及上部结构变形规律的影响[20]。

本文采用实例工程为研究对象，建立了高桩码头-岸坡的整体结构段及单排架两种数值模型，对码头结构和岸坡土体的受力机理和相互作用方式进行了模拟分析，揭示了码头桩基在后方土体淤积进程中的变形规律。

2 工程概况

某高桩码头共有2个结构段，各结构段均为8个排架，排架间距为7.0 m，平台每榀排架布置7根600 mm×600 mm的预应力钢筋混凝土方形桩基。码头建造于1986年，2004年调查发现岸侧叉桩上方横梁和桩帽出现明显的开裂或断裂现象，于2008年对破损构件进行维修加固，但在2012年调查中发现位于岸侧的桩帽、横梁又出现结构性破坏现象。另外2016年调查发现，码头后方输煤栈桥各排架均出现不同程度的向岸侧倾斜，最大倾角已达3°。通过现场调查发现，码头后方淤积泥面高度已经超出竣工图纸中设计泥面约4.5 m，码头排架结构断面形式如图1所示。

图1 某高桩码头排架结构断面示意图 图2 码头-岸坡计算模型

3 计算模型

3.1 模型建立

本文分别基于FLAC3D建立高桩码头-岸坡整体结构段及单排架结构两种分析模型，如图2所示。码头结构及岸坡土体均采用三维实体单元模拟，并在码头桩基及周围土体间建立接触单元。模型顶部不添加约束，侧面采用法向约束，底面采用固定约束。为模拟岩土体的弹塑性特征，采用摩尔库伦模型计算码头岸坡土体，码头结构采用弹性模型计算。计算中通过改变相应单元计算参数模拟码头建筑过程[21]，岸坡淤积过程通过激活上部土体单元模拟，并将土体长期淤积过程简化为三层土体淤积(每层淤积厚度为1.5 m)，每层淤积完成后，分析整体位移变化特征。

整体结构段模型将码头结构段整体包含在计算范围内，为减小计算边界的影响，模型取码头结构段边缘左、右两侧各30 m作为计算边界，模型总宽度为111 m，码头结构段长度为51 m，处于模型中间位置。单排架模型选取码头单个排架作为研究对象，模型以排架中心向两侧各取3.5 m作为左右侧边界，模型总宽度为7 m。整体结构段模型中间排架桩基与边缘排架桩基由于处在桩群的不同位置，变形规律必定有所区别，单排架由于受模型范围所限，计算结果也会有所不同。为分析不同模型计算结果的差异，两种分析模型前、后边界均距码头平台前、后边沿60 m，模型底边界为桩底下方30 m处，并采用相同的计算参数及模拟步骤分析岸坡淤积过程中高桩码头桩基变形规律。

3.2 计算参数

由于码头修建时期较早，混凝土等级采用旧规范中的规定，码头上部结构除轨道梁为300#混凝土外，其余均为250#混凝土，码头桩基为400#混凝土，对应现行标准混凝土等级分别为C28、C23和C38，各标号混凝土参数依据《水运工程混凝土结构设计规范》(JTS 151—2011)[22]取值。码头工程位置地层属于海滨相沉积层，码头持力层为砂砾层，其余均为淤泥质黏土层，将黏土层粗略地划分为4层，各土层计算参数取值见表1。

表1 码头地层各土层物理性能参数

4 结果与分析

图3、4 分别为岸坡淤积作用下码头-岸坡整体竖向位移及水平位移分布云图。由图3、4可以看出，岸坡淤积后码头-土体整体表现为竖向(Z方向)沉降和底层向前沿(X方向)滑动两种位移特征，第3层淤积完成后，岸坡最大地表沉降量为89.7 mm；后方土体堆积导致深层土体向前沿滑动，深层土体的最大水平位移为20.8 mm，码头后方土体的水平位移明显小于两侧土体，体现了高桩码头桩基对岸坡土体变形的遮幕作用。

图3 码头-岸坡整体竖向位移分布云图 图4 码头-岸坡整体水平位移分布云图

将码头桩基由前沿向后沿方向(X轴负向)依次编号为1#～7#。随着后方土体淤积厚度D的不断增大，桩基水平位移也不断增大。图5给出了不同土体淤积厚度下整体结构段模型中间排架(类型A)、整体结构段模型边缘排架(类型B)和单排架模型(类型C)的7#、6#及5#桩基水平位移随高程变化情况。由图5可知，7#、6#及5#桩基的水平位移最大值在15～20 mm范围内，最大水平位移位置约在桩顶以下8～20 m范围内(桩顶高程为2 m)，与岸坡土体变形规律相符合；淤积过程中，桩顶位移明显小于桩身下部位移，由于桩身弯曲，此时桩顶必定出现较大弯矩及应力集中现象，表明在岸坡淤积过程中，码头结构受力最不利位置处于桩顶附近，该结果与码头实际结构破坏位置较为吻合；不同岸坡淤积程度下，3种类型桩基的水平位移变化规律基本一致。

图5 淤积进程中不同类型排架中7#、6#及5#桩基的水平位移随高程变化情况

图6为岸坡淤积后不同类型的各桩基桩身水平最大位移及对应高程。由图6可见，最大淤积厚度下(D=4.5 m)，类型A和类型C各桩基最大水平位移及相应位置高程计算结果较为接近，类型B与类型C相应桩基计算结果差值相对较大，说明单排架模型计算结果与整体结构段模型中间排架计算结果更为接近。对比同一排架下各桩基水平位移计算结果可知，向前沿倾斜桩基的最大水平位移大于相应的向岸侧倾斜桩基的最大水平位移。由于码头下方土体最大水平位移位于码头后沿线附近，因此同为直桩的3#、4#、5#桩基中，5#桩基的最大水平位移最大。

图6 岸坡淤积后不同类型的各桩基桩身水平最大位移及对应高程

码头后方岸坡淤积后，土体变形对码头结构影响可分为两个方面，一方面土体的沉降对码头桩基产生的负摩阻力使码头结构发生沉降；另一方面深层土体对码头桩基施加横向推力，导致码头结构水平方向产生位移。图7、8分别为岸坡淤积进程中，码头类型A排架各桩基桩顶的位移及位置高程变化。由图7可看出，各桩顶在淤积进程中均以竖向位移为主，水平位移相对较小，从图7中斜率判断，各桩顶在各淤积阶段的水平位移增量不断增大；由图8可看出，各桩顶高程在淤积进程中保持同一直线位置，说明码头上部结构在岸坡淤积进程中发生整体竖向位移，相对变形不明显。综合分析图7、8可知，码头后沿竖向位移大于前沿竖向位移，在岸坡淤积进程中，码头整体向后方略微倾斜，同时在土体滑动作用下，整体存在向前沿方向的水平位移。

图7 岸坡淤积进程中各桩基桩顶位移变化(类型A)

图8 岸坡淤积进程中各桩基桩顶位置高程变化(类型A)

在相同的计算参数及模拟步骤条件下，采用整体结构段及单排架两种模型对各桩基位移计算的结果具有相同的变化规律。单排架模型(类型C)与整体结构段模型中间排架(类型A)各桩基位移计算结果的偏差相对较小，最大偏差为5.46%，与整体结构段模型边缘排架(类型B)各桩基位移计算结果的最大偏差为12.18%，单排架模型与整体结构段模型中间、边缘排架各桩基位移的计算偏差如表2所示。综合对比表2中各计算结果偏差数值可知，选取单个结构段作为计算范围的单排架模型计算岸坡淤积进程中高桩码头桩基的变形规律是可行的，特别值得一提的是单排架模型与整体结构段模型中间排架的计算结果非常接近。本次计算中，单排架模型实体单元数量为整体结构段模型的11.8%，接触单元数量为整体结构段模型的12.5%，所需计算量较整体结构段模型大为减少，但如需反映不同位置排架的变形差异，则仍需采用整体结构段模型进行计算。

表2 单排架模型与整体结构段模型中间、边缘排架各桩基位移的计算偏差 %

5 结 论

针对后方土体淤积进程中高桩码头桩基的变形问题，分别建立了码头结构和岸坡的整体结构段及单排架两种数值模型，分析桩基在后方土体淤积进程中的变形规律及不同模型下的计算偏差，得出以下结论：

(1)土体的水平滑动导致桩基顶部水平位移明显小于桩身下部位移，由于桩身弯曲，桩顶必定出现较大的弯矩及应力集中现象，表明码头结构受力最不利位置处于桩顶区域；码头后方淤积对向前沿倾斜的桩基影响更为明显，对于距淤积位置较远的桩基影响相对较小。

(2)码头上部结构无明显相对变形，结构整体以竖向位移为主，由于码头后沿竖向位移大于前沿竖向位移，码头整体向后方岸侧倾斜，同时在土体滑动作用下，整体存在向前沿方向的水平位移。

(3)采用单排架模型能够较为准确地分析岸坡淤积进程中高桩码头桩基的变形规律，并显著提高计算效率，但如需反映不同位置排架的变形差异，则仍需采用整体结构段模型进行计算。

另外，研究岸坡淤积对码头结构状态的影响时，应考虑结构的应力状态、桩基弯矩等因素进行综合分析，同时需结合现场监测数据及进一步的理论研究逐步完善分析方法。