泡沫輕質土在板樁碼頭結構中的應用

陳勇康，李春陽，單恒年

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510290)

近年來，為適應航運業的快速發展和船舶大型化的需要，碼頭朝著深水化、大型化的趨勢發展[1]。板樁碼頭作為一種重要的碼頭形式，具有受力明確、適應變形能力強、整體性好、造價低、環境友好等特點，在實際工程中已大量應用。但當碼頭噸級過大時，板樁碼頭前墻位移、內力顯著增大，不僅影響使用，且導致造價增加。另外，板樁碼頭后方常用的回填材料為塊石、砂等，由于國家環保政策趨嚴，導致近年來市場供應緊張，價格大幅上漲。在此背景下，利用泡沫輕質土不可壓縮、直立性好、密度小等特點，既可以減少填土荷重和對前墻的土壓力，同時也可減少板樁碼頭的水平位移變形和碼頭前沿作業地帶的沉降，使得碼頭的整體穩定性系數增大，提高工程質量[2]。

1 工程概況

碼頭頂面高程為5.6 m，港池前沿設計底高程為-16.0 m。碼頭結構采用鋼管組合板樁結構，前墻采用壁厚24 mm、直徑2 032 mm鋼管樁與Z型鋼板樁組合，頂高程2.0 m。組合板樁上部結構為現澆C40鋼筋混凝土胸墻。錨碇墻采用直徑1 000 mm鋼管樁與Z型鋼板樁組合結構，頂高程2.0 m。前墻與錨碇墻采用鋼拉桿相連，鋼拉桿間距3.35 m，安裝高程為0.5 m，直徑為130 mm。墻后先采用真空聯合堆載預壓，再采用水泥攪拌樁進行二次加固處理。前墻后高程1.0 m以上至路面結構回填泡沫輕質土。碼頭典型斷面見圖1。

圖1 碼頭典型斷面(高程：m；尺寸：mm)

2 模型建立

為研究鋼管組合板樁空間受力特性及與土體的相互作用，采用PLAXIS 3D空間三維有限元數值模擬軟件，分別計算碼頭后方回填泡沫輕質土和中粗砂2種結構，對比研究前墻、錨碇墻、拉桿、PHC樁基等結構的受力特性。

2.1 土體本構模型及參數

為了便于建模，首先將前墻鋼管樁和Z型板樁根據截面等效原則簡化為板樁結構。土體本構模型采用土體硬化模型(hardening soil model)，這是一種高級土體模型，其彈性部分可以分別考慮土體的加載、卸載剛度及土體模量隨應力增加而增大的特性；其塑性部分采用非相關聯流動法則和各向同性的硬化準則，可較好地描述曲線形式的應力-應變關系和土體的剪脹性[3]。計算工況包括堆載預壓、卸載以及開挖回填等，可以考慮加載、卸載應力路徑對土體的影響。

為真實模擬板樁-土體的相互作用，用板單元模擬鋼管組合板樁結構，用實體單元模擬土體和回填材料，在板樁與土體之間加入接觸界面單元，通過選取合適的界面強度因子模擬結構與土體之間的相互作用。用Embedded樁單元模擬后軌道梁PHC樁基，用點對點錨桿單元模擬拉桿[4]。三維有限元模型見圖2。

圖2 三維有限元模型

2.2 土體參數取值

為了便于模型計算，對實際土層進行合理簡化，將土層較薄且參數相近的土層合并，對土層厚度進行適當平均處理，土體參數取值見表1。

表1 土體參數取值

2.3 模型范圍及邊界條件

模型的邊界確定對計算結果和精度均有一定影響。為提高計算效率，在模型的寬度方向選取5倍拉桿間距，取16.75 m。在模型的長度方向，港池前方長度與后方長度對稱，考慮碼頭堆場荷載作用范圍，取180 m。在模型深度方向，從碼頭頂面一直考慮到板樁持力層以下，取40.3 m。綜合考慮計算時間和模型大小，本次模型范圍為16.75 m×180 m×40.3 m。

模型的邊界條件為：約束底面3個方向的位移，4個側面采用法向約束。模型的排水邊界條件為：排水邊界設在頂面[5]，4個側面及底面均為不排水邊界。

2.4 計算條件及計算工況

1)碼頭面荷載：前沿5 m范圍內為20 kN/m2，5～37 m范圍為30 kN/m2，37～90 m范圍為20 kN/m2，90 m范圍外為50 kN/m2。

2)計算水位：極端高水位4.57 m；設計高水位3.24 m；設計低水位0.53 m；極端低水位-0.10 m。

3)地震：本場區內地震動峰值加速度值為0.10g，抗震設防烈度值?、鞫?，設計地震分組為第1組。

計算工況選取施工期、使用期最不利工況，嚴格按照現場施工過程，設定具體工序如下：

1)原泥面3.89 m高程初始應力平衡；

2)場地堆載預壓至5.6 m高程；

3)場地卸載至原泥面3.89 m高程，打設前、后鋼板樁，水泥攪拌樁施工；

4)場地開挖至0 m高程，安裝拉桿，打設PHC樁，現澆軌道梁；

5)墻前港池開挖至-8.4 m高程；

6)墻后回填泡沫輕質土；

7)墻前港池開挖至-16.5m高程(考慮超挖影響及墻前開挖拋石影響)；

8)施加剩余水壓力、系纜力、碼頭面均布荷載；

9)利用強度折減法分析模型整體穩定性。

3 計算結果及對比分析

3.1 泡沫輕質土回填

碼頭后方上部采用泡沫輕質土回填時，模型計算結果見圖3。圖3a)為三維有限元模型計算的使用期最不利工況下整體位移云圖，圖3b)、c)分別為前板樁彎矩和水平位移，圖3d)為PHC樁基軸力。

圖3 泡沫輕質土回填模型計算結果

3.2 中粗砂回填

碼頭后方上部采用中粗砂回填時，模型計算結果見圖4。圖4a)為三維有限元模型計算的使用期最不利工況下整體位移云圖，圖4b)、c)分別為前板樁彎矩和水平位移，圖4d)為PHC樁基軸力。

圖4 中粗砂回填模型計算結果

表2列出了碼頭后方分別回填泡沫輕質土和中粗砂時的三維有限元模型計算結果及對比。

表2 三維有限元數值模擬計算結果對比

本工程泡沫輕質土回填厚度3.75 m，強度≥1.0 MPa，密度為1.05 kg/m3，相比回填中粗砂，降低了板樁墻的側向土壓力，從而改善了板樁結構受力。

根據模型整體位移云圖，土體表層沉降在錨碇結構后側上方處時較大。這是因為此時錨碇板在拉桿作用下會往海側產生水平位移，由于下方錨碇樁的嵌固作用，錨碇板上部水平位移大，下部水平位移小，造成板后的土體向下凹陷。在施工過程中，對此處要加強監測并及時采取有效加強措施，避免發生較大的局部沉降。

從表2的計算結果分析可得，碼頭后方采用泡沫輕質土回填后，土體表層沉降、前墻彎矩、位移、拉桿拉力、PHC樁軸力均有一定程度的降低，碼頭的整體穩定性增大。其中前墻彎矩、PHC樁軸力減小幅度較大，在采用泡沫輕質土回填時，結合現場施工情況，樁基布置和前墻可以有一定的優化空間，進而提高工程整體經濟性。

計算結果表明，采用泡沫輕質土材料對板樁碼頭后方進行回填，可避免傳統回填材料自重較大的缺陷，減少對前板樁墻的土壓力，使結構更為安全[6]。

4 結論

1)國內采用泡沫輕質土的碼頭案例較少，本工程通過PLAXIS 3D三維有限元數值模擬，進行碼頭后方回填泡沫輕質土和中粗砂2種材料的結構計算，并進行了對比分析。

2)采用泡沫輕質土回填，利用其不可壓縮、直立性好、密度小、施工便捷等特點，減小了填土自重和對前墻的土壓力，從而減少了板樁碼頭的水平位移和碼頭前沿作業地帶的沉降，增大了碼頭的整體穩定性，提高了工程質量。

3)泡沫輕質土的應用，有利于助推板樁碼頭大型化發展，并可為類似工程的建設提供參考。