２０１０年１１月 水运工程 Ｐｏｒｔ＆Ｗａｔｅｒｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＮＯＶ．２０１０ 第１１期总第４４７期 Ｎｏ．１１ ＳｅｒｉａｌＮｏ．４４７ 边载作用下高桩码头 桩基承载力性能及加固研究 姚文娟 ，高敏 ，程泽坤 ，陈 杰 （１．上海大学土木工程系， 上海２０００７２；２．中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海２０００３２） 摘要：码头接岸结构中的桩基础，经常受各种形式的边载作用。边我效应会导致桩基承受额外的附加力，还会产生桩身 弯矩增大桩的水平位移，这些都可能导致桩体材料因为强度不足局部破坏或者结构局部失稳破坏。利用三维非线性有限元方 法，研究了承受边载作用的排桩的特性，揭示了桩身侧摩阻力、桩身弯矩变化的规律。另外，基于工程实例通过合理经济地 置换加固软弱土层，研究了在改变土层性质的情况下排桩的承栽特性。分别对桩身侧摩阻力、桩身弯矩进行了分析，结果表 明，置换加固土层可以达到有效的作用。 关键词：边载；侧摩阻力；置换加固；三维有限元 中图分类号：ＴＵ ４７３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２—４９７２（２０１０）１１—００６６—０５ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｌｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｏｆ ｐｉｌｅｓ ｉｎ ｌｏｎｇ－ｐｉｌｅｄ ｗｈａｒｆ ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ ｔｏ ｓｉｄｅ ｌｏａｄｓ ＹＡ０ Ｗｅｎ－ｊｕａｎ ＧＡＯ Ｍｉｎ‘，ＣＨＥＮＧ Ｚｅ—ｋｕｎ ，ＣＨＥＮ Ｊｉｅ’ （１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ ＣＭ１ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００７２，Ｃｈｉｎａ； ２．ＣＣＣＣ Ｔｈｉｒｄ Ｈａｒｂｏｒ Ｃｏｎｓｕｌｔａｎｔｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｐｉｌｅｓ ｉｎ ｌｉｎｋ—ｂａｎｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｗｈａｒｆ，ｏｆｔｅｎ ｓｕｂｊｅｃｔ ｔｏ ｍｕｌｔｉｆｏｒｍ ｓｉｄｅ ｌｏａｄｓ．Ｔｈｅ ｌｏａｄｓ ｍａｙ ｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｐｉｌｅ ｂｅａｒ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈ ｍａｙ ｂｅ ｌａｒｇｅ ｅｎｏｕｇｈ ｔｏ ｏｖｅｒｓｔｒｅｓｓ ｔｈｅ ｐｉｌｅ’Ｓ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃａｕｓｉｎｇ ｆｒａｃｔｕｒｅｓ ｏｒ ｐｅｒｈａｐｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｌｅ．Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｗａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｐｉｌｅｓ ｓｕｂｊｅｃｔｅｄ ｔｏ ｓｉｄｅ ｌｏａｄｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｖａｒｙｉｎｇ ｌａｗ ｏｆ ｔｈｅ ｓｋｉｎ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｐｉｌｅ ｗａｓ ｐｏｓｔｅｄ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔ，ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｒＯＷ ｐｉｌｅｓ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ ｏｆ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｎａｔｕｒｅ ｂｙ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｔｏ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ ｔｈｅ ｓｏｆｔ ｃｌａｙ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌｌｙ．Ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｔｈｅ ｓｋｉｎ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｍｅｎｔ ｏｆ ｐｉｌｅｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ， ｗｈｉｃｈ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｗｏｕｌｄ ｈａｖｅ ａ ｇｏｏｄ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｄｅ ｌｏａｄｓ；ｓｋｉｎ ｒｆｉｃｔｉｏｎ；ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ——ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ；ｔｈｒｅｅ——ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｉｆｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ 在港口工程、海洋工程等领域，高桩码头等 涉及到桩基工程的结构物得到广泛应用，丁作船 起的土体变形等产生的边载效应 ］。这些荷载会 导致桩周土体产生较大的竖向位移，以及土体的 水平侧压力作用，导致桩基承受额外的附加力， 码头作为其中的一种形式广泛存在。工作船码头 接岸结构中的桩基除了承受桥面传来的竖向荷载， 经常还承受施工荷载、坝基以及由于抛填作用引 收稿日期：２０１０－０１—２７ 减小桩的承载能力ｌ５＿ 。另外，还会产生桩身弯矩 增大导致桩体强度不足局部破坏或者结构失稳破 作者简介：＃ｇＲＡ￣（１９５７－－），女，博士，教授，主要从事工程结构的力学特性、重大水利水运工程的新型结构及疑难问 题研究。 第１１期 姚文娟，等：边载作用下高桩码头桩基承载力性能及加固研究 ．６７． 坏『９＿砌。国内外的学者对桩基码头进行了大量的研 究 ，但大多数的研究都是基于一定的简化和假 设，虽然现场实测是最符合实际的方法，可往往 需要高昂的费用，测试对象比较单一，不具有普 遍性。有限元法能很好地模拟桩土之间的相互作 用，又能不受时间对实际工程进行普遍性的 研究，具有明显的优势。鉴于此，笔者利用三维 非线性有限元方法，研究了承受边载作用的排桩 的特性，揭示了桩身侧摩阻力、桩身弯矩变化的 规律；另外基于工作船码头工程实例，针对工程 实例中出现的工程事故，以及工程采用的软土置 换，结合数值模拟分析进一步研究了事故的原因。 １数值模型 １．１本构模型 桩身材料本构模型为线弹性体，土体为弹塑 性材料，假定服从Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服准则。为了 说明桩土问的相对滑动，在桩土界面处设置接触 对，采用摩擦罚函数算法。桩土问的接触采用的 是类似于Ｇｏｏｄｍａｎ单元的无厚度接触单元，在设 置好接触对以后，程序会自动生成接触面单元， 不需另外设置。在桩土接触面上，定义桩为主面 （ｍａｓｔｅｒ—ｓｕｒｆａｃｅ），土为从面ｆｓｌａｖｅ—ｓｕｒｆａｃｅ）。接触 单元需设置法向和切向特性，这里主要设置摩擦 系数 ，其中／ｘ＝ｔａｎｔ￣。ＡＢＡＱＵＳ提供了多种塑性本 构模型＿ｌ４１，在笔者研究中，根据摩尔一库伦模型定 义［１５】，相关参数包括：内摩擦角 ，粘聚力Ｃ，膨 胀角 。黏性土常常表现出较小的剪胀性，即剪 胀角 一０；对于砂性土可近似采用 ＝ 一３０。进行 计算”６１，当 ≤０时，取０＝０。 １．２排桩数值模型 计算模型包含２个排架，每个排架由３根桩基 组成，桩基之间通过混凝土浇筑的横梁连接而成， 排架与排架之间亦通过横梁连接而成。排架均为 ＰＨＣ管桩打入桩，桩长为３６ ｍ，桩径为０．８ ｍ，自 由端长为１２ ｍ，排桩为３根单桩，问距８ ｍ。 有限元模型如图１所示，桩侧土体取水平向 为０．６倍桩长，桩端以下土体取１倍桩长。桩采用 Ｃ３Ｄ８Ｒ单元，土体采用Ｃ３Ｄ８单元模拟。网格靠 近桩体较密，网格大小、单元数根据模型试算取 最优值。土体两侧约束水平位移，底部约束水平 位移和竖向位移。在排桩右侧土体表面施加大小 为１５０ ｋＰａ的均布荷载。桩和土体参数见表１。 ａ）局部土体三维有限元模型 ｂ】桩基局部放大模型 ｃ）２排群桩平面布置 图１有限元模型 表１桩和土体参数 ・６８・ 水运工程 博 ２０１０正 ０ 桩侧摩阻力／ｋＮ ．目 簿 ２ ４ ６ ８ ｍ 目Ⅱｖ盐蜉赤 ｍ 加 如 为验证本构模型选择以及模型的合理性，选 ３００．２ｏ０－１００ ０ ｌ０ｏ ２ｏ０ ３ｏｏ 取南通某桥梁工程实例进行模拟。图２为轴向力 作用下桩的沉降曲线，由图２可知，尽管数值模 拟的桩顶沉降位移与实测值有一定的误差，然而 趋势基本一致，可见，基于合理本构模型的选择， 数值模拟能得到比较满意的结果。 轴向荷载ｎ ０ ２ ０００ ４ ０００ ６ ０００ ８ ０００ ｌ０ ｏ０Ｏ】２ ０００ 图２桩的荷载位移曲线 Ⅲ／犍＿珂恒僻 卅 ２排桩承载特性分析 ４ 挖 加 勰 图３是桩２和桩５桩顶沉降随边载变化的曲 线。由图３可知，当桩基受边载作用时，桩２桩 顶沉降Ｓ＝３３．６ ｍｍ，桩５桩顶沉降Ｓ＝１０．１ １Ｔｌｌｎ，由 于桩４远离边载，在边载作用的桩顶沉降明显小 于桩２，边载效应也小。可见在该边载作用下未进 入工作状态的桩已有很大沉降，应考虑予以减小。 图３边载一沉降曲线 桩身侧摩阻力对于桩的承载力是至关重要的 因素，在计算中必须给予精确的定量分析。图４ 为前排桩１、桩２和后排桩４、桩５的桩侧摩阻力 分布曲线。由图４知，以中桩为例，对于前排桩， 总侧摩阻力为一１ ０４１ ｋＮ；对于后排桩，总侧摩阻 力为一４５９ ｋＮ。可见前排桩由于距离边载近，边载 效应大，更容易因承受过大额外荷载而发生材料 或者结构破坏。 桩身弯矩也是群桩设计中的一个至关重要的 因素，因此在计算中也必须给予精确的定量分析。 图５为前排桩１、桩２和后排桩４、桩５桩身弯矩 图４桩身侧摩阻力分布曲线 分布曲线。由图５知，以中桩为例，对于前排桩， 桩２最大桩身弯矩为７９０ ｋＮ・ｍ。对于后排桩， 桩５最大桩身弯矩为４７７ ｋＮ・ｍ。可见前排桩由于 距离边载近，边载效应大，边载引起的土体侧向 位移大，桩身承受的弯矩更大，更容易因承受过 大弯矩而发生材料或者结构破坏。 星褪 恒 蛙 ４ ０ 加 勰 桩身弯矩，０ ・ｍ】 ０ ２５０ ５００ ７５０ １ ０００ 图５桩身弯矩分布曲线 ３软土置换加固分析 基于工程实例排桩承载特性的分析，包括对 桩２的边载一沉降曲线分析，桩身的侧摩阻力分 析以及桩身弯矩分析，对于该地质情况的群桩还 未进入工作状态时已经有了较大的竖向位移和很 大的附加力，因此必须通过有效的手段来减少上 述几项，保证桩在工作时能起到最大的功效。考 虑到经济效果，通过置换软弱土层来进行，进而 起到加固土层、减少土体沉降的作用，减少桩身 负摩阻力以及桩身弯矩。 ３．１置换区域分析 为确定最佳的置换区域，通过多组数值模拟， 来确定合理的置换区域。这里选取其中的两组数 据进行对比分析，如图１所示，第１组置换区域 为４轴右侧Ｂ轴上部的桩侧土体，即平面为１８ ｍ× １８ ｍ，竖向为２４ １ＴＩ的区域；第２组置换区域为在 第１１期 姚文娟，等：边载作用下高桩码头桩基承栽力ｌ陛能及加固研究 ．６９． 第１组基础上， 轴左侧桩侧土体也进行置换， 即平面为３０ ｍ×１８ ｎｌ、竖向为２４ １ＴＩ的区域。为了 比较两组的置换效果，选择桩侧摩阻力和弯矩进 行对比分析。 图６和图７分别为两组不同置换方式的桩身侧 摩阻力分布曲线和桩身弯矩分布曲线，由图可知， 两种置换方式下桩身侧摩阻力和桩身弯矩分布相差 均不大。第１种置换方式下，最大负摩阻力分别 为一１１７ｋＮ，－２８ｋＮ；总侧摩阻力为＿２７８ｋＮ，一１７８ｋＮ， 最大桩身弯矩分别为１ １２ ｋＮ・Ｉｎ，４６ ｋＮ・ｍ。第２种 置换方式下，最大负摩阻力分别为一１０３ ｋＮ，－３１ ｋＮ； 总侧摩阻力为一２４０ ｋＮ，一１０５ ｋＮ；最大桩身弯矩分 别为１１０ ｋＮ・ｍ、３４ ｋＮ・ｍ。第２组置换方式是在第 １组的基础上加大置换区域，第１组置换方式已经 ｑｕｖ世 亦 能满足工程需要。 ０ ｍ 加 柏 Ｏ ２ 桩侧摩阻力／ｋＮ ．２０ｏ 一１００ ０ ｌｏ０ ２００ 囊 ２０‘ ２４ 图６侧摩阻力分布 桩身弯矩／０ｏＪ－Ⅱｌ１ ０ ５０ １ｏｏ 星 艇 －ｆ１ｊ葚 希 图７桩身弯矩分布 ３．２第１组置换方式加固前后承载性能对比分析 图８为抛石置换软弱土层，加固前后的桩２ 和桩５桩顶随边载变化的沉降曲线。由图可知， 桩顶沉降分别由加固前的３４．１ ｍｍ和１０．１ ＦｆｌＩｎ减 小到７．５ ｍｍ和４＿３ ｍｍ，可见置换软弱土层后， 桩顶沉降明显减小，避免桩基因为桩顶沉降过大 或不均匀沉降而导致材料破坏或者结构失稳破坏。 边载＾ ５０ １００ １５０ ２００ ｛４ 羹 鸾ｓ １０ １２ ｂ）桩５ 图８加固前后边载一沉降曲线 图９为抛石置换软弱土层，加固前后的桩２ 和桩５桩身侧摩阻力分布曲线。由图可知，经过 抛石置换软弱土层后，对于桩２和桩５，桩侧负摩 阻力均有大幅度的减小，桩身总摩阻力大幅度增 大，桩身承载能力明显提高。对于桩２，土体加固 前后，桩身最大负摩阻力分别为－２７５ ｋＮ，一１ １６ ｋＮ， 总侧摩阻力分别为一１ ０４１ ｋＮ，一２７６ ｋＮ，明显减 小。对于桩５，土体加固前后，桩身最大负摩阻力 分别为一８３ ｋＮ，－２７ ｋＮ，总侧摩阻力分别为－４５９ ｋＮ， 一１７３ ｋＮ，可见土层置换起到了很有效的作用，避 免了桩基因为承受过大的额外荷载而发生材料或 者结构破坏。 桩侧摩阻力／ｋＮ 一３００—２００—１００ ０ １００ ２００ ３０ｏ 匍罡 ｌ宣 最 ＿Ｈ ２４ 图９桩身侧摩阻力分布 图１Ｏ为置换软弱土层，加固前后的桩２和桩 ５桩身弯矩分布曲线。由图可知，经过置换软弱土 层后，对于桩２和桩５，桩身弯矩均有大幅度的减 小。对于桩２，土体加固前后桩身最大弯矩分别为 ・７０・ 水运工程 ２０１０盎 Ｏ ４ 挖 ∞ 桩身弯矩，０ －ⅡＯ ２００ ４００ ６００ ８００ １ ０００ 墨 幂 希 图１０桩身弯矩分布 ７９０ ｋＮ・ｍ和１１２ ｋＮ・ｍ，明显减小。对于桩５， 土体加固前后桩身最大弯矩分别为４７７ ｋＮ・ｍ和 ４６ ｋＮ・ｍ，明显减小。可见土层置换起到了很有效 的作用，避免了桩基局部因为承受过大的弯矩而 发生材料或者结构破坏。 由以上分析可知，土层置换加固后对于减小桩 身沉降和桩身负摩阻力，增大桩身总侧摩阻力，减 小桩身弯矩，起到了很好的效果，进而提高了桩身 的承载能力，减小了桩基因为承受过大的附加力或 局部弯矩而发生材料破坏或者结构破坏的可能性。 ４结论 １）对于常见的工作船码头，由于桩基在施工 荷载、坝基等边载作用下会产生较大的额外附加 力，因此在进行施工时应合理安排施工过程，特别 对于软土地基抛石段上坝基的建设，要使用合理的 施工方法，尽量减少桩基承受额外的附加力。 ２）额外附加力的产生主要是因为边载作用下 导致桩周软弱土体沉降固结，可以通过置换加固 软弱土层，减少土层沉降。通过对两种置换区域 的比较分析，置换后排桩右侧的桩侧土体（即平 面为１８ ｍｘｌ８ ｍ，竖向为２４ ｍ的区域）为较合理 方案。该区域的置换不仅能满足桩基承载要求， 还能减小施工量，加快施工进程，减少造价。 ３）加固土层对于减少桩顶竖向位移和桩身负 摩阻力，提高桩身承载力以及减少桩身弯矩均有 很明显的效果。通过置换加固软弱土层，桩基沉 降可减少６０％，桩侧总摩阻力可提高７０％以上， 特别是桩身弯矩，可减小８０％之多，避免了桩基 因不均匀沉降或者局部承载过大而发生材料或者 结构破坏的可能性。 参考文献： ［１】谢雄耀，黄宏伟．深水港码头高承台桩土共同作用数值 模拟分析【ＪＪ＇岩土工程学报，２００６，２８（６）：７１５～７２２． 【２］聂如松，冷伍明，律文田．软基台后路基填土对桥台桩 基侧向影响的试验研究［Ｊ］＿岩土工程学报，２００５，１２（２７）： １ ４８７－１ ４９０． ［３】Ｌｅｅ Ｃ Ｊ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｄｏｗｎｄｒａｇ ｏｎ ｐｉｌｅｓ ａｎｄ ｐｉｌｅ ｇｒｏｕｐｓ ｉｎ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ ｓｏｕｌ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｇｅｏ—ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，２００４，１３００）：９０５—９１４． ［４Ｊ Ｔａｅｉｒｏｇｌｕ Ｅ，Ｒｈａ Ｃ Ｓ，Ｗａｌｌａｃｅ Ｊ Ｗ．Ａ ｒｏｂｕｓｔ ｍａｃｒｏｅｌｅｎｌｅｆｌｔ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｓｏｉｌ—ｐｉｌｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｃｙｃｌｉｃ Ｌｏａｄｓ［Ｊ１．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｇｅｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＡＳＣＥ，２００６，１３２（１ ０）：１ ３０４—１ ３１４． ［５］谢耀峰，王云球．码头桩基负摩擦力的模型试验研究【Ｊ】． 建筑结构，２００４，（１２）：２９—３０，４１． Ｉ６】杨庆，孔纲强，郑鹏一，等．堆载条件下单桩负摩阻力模 型试验研究『Ｊ】．岩土力学，２００８，２９（１０）：２ ８０５－２ ８１０． 【７］ Ｃｏｍｏｄｒｏｍｏｓ Ｅ Ｍ．Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｆｏｒ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙ ｌｏａｄｅｄ ｐｉｌｅ ｇｒｏｕｐｓ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｆｏｒ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎｄ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２００５，２９：５９７— 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