软土地基上码头岸坡稳定主要影响因素机理研究

李建华

(云南水运规划设计研究院,云南 昆明 650051)

【摘 要】随着我国经济水平迅猛发展,码头数量日趋增加,由于河道、海滩岸线资源有限,越来越多的码头建立在地基土中有软土组成的区域。由于软土地基物理性能差,承载力与抗剪抗压强度低,必须要经过特殊处理才能满足正常码头使用要求。本文在以往工程实践经验以及诸多专家学者研究探讨的基础上,以江苏连云港燕尾港码头工程为实际案例,借助PLAXIS有限元计算软件以及实测数据,对软土地区码头岸坡稳定的一些影响因素展开了细致的研究工作,得出了相应的结论,具有十分重要的理论意义与工程价值。

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关键词 软土地基;连云港燕尾港;PLAXIS有限元计算软件;影响机理

On the Soft Soil Foundation of the Main Factors that Influence the Stability Mechanism Wharfs

LI Jian-hua

(Yunnan Water Transportation Planning and Design Institute, Kunming Yunnan 650051, China)

【Abstract】Along with our country economy fast development, the port number increased, due to the river, beaches,., a growing number of wharf built on the foundation soil in soft soil area. Due to poor physical properties of soft soil foundation, bearing capacity and shear compressive strength is low, must pass through special processing to meet the requirements of normal use terminal. Based on the previous engineering experience, and many experts and scholars, on the basis of research in jiangsu lianyungang dovetail port wharf engineering for the actual cases, using PLAXIS finite element calculation software and the measured data, to some influence factors to the stability of wharfs in soft soil area carried out detailed research work, the corresponding conclusion, has important theoretical meaning and engineering value.

【Key words】Soft soil foundation; Lianyungang Yanwei port; PLAXIS finite element calculation software; Influence mechanism

作者简介:李建华(1976—),男,云南大理人,本科,工程师,主要从事港口航道、岩土工程的设计研究工作。

0 前言

随着现代工业化浪潮以及水运成本低廉的明显优势,进出口贸易对港口码头的依赖性越来越强,同时码头的建立建设是港口发展的重要结构基础,随着相关部门、企业对水运行业的高度重视,大量水运码头林立而起,码头建设用地极为紧张,越来越多的新建码头建在地基承载力较差的区域,同时,内河、海洋沿岸又是软土地基集中的区域,软土分布较为密集,要在软土地基上修建码头,岸坡的稳定是项目开展首先需要落实解决的问题。在以往的工程经验中,常常出现因为软土地基承载能力缺陷而导致的土体变形与不均匀沉降,进而导致结构物、承载桩台的变形与裂缝,影响码头工程的稳定运行和正常使用。据统计,近几年我国国内就已经发生过多次因软土地基码头岸坡失稳而引起的工程质量事故,造成了重大的人员伤亡与经济损失,可见就软土地基的特性,对岸坡受力展开分析,提出科学合理的保证岸坡稳定的工程措施是一个具有十分重要的研究意义。本文以江苏连云港燕尾港区某码头作为实例研究对象,借助PLAXIS有限元计算软件以及实测数据,对影响软土地区码头稳定的一些影响因素展开了细致的研究工作。

1 项目概况

本章将结合连云港港疏港码头工程,对工程中三个项目A、B、C进行具体分析。其中,项目A为围堤附近的地基处理工程,该处理工程可分为195m×150m、195m×150m、160m×150m以及160m×150m共计四个区域,分别标识为A1、A2、A3、A4,总面积约10.50万m3。项目B为A3、A4区围堤对岸的高桩码头工程,其岸线长度约310m。项目C为A1、A2区围堤对岸的高桩梁板式码头工程,其岸线长度约390m,右侧与项目B相邻。

2 施工方案

工程项目B与工程项目C具有相同的码头结构形式,施工工艺大致相同,因此在本文中就一起进行描述,这两个项目的施工顺序主要包括以下步骤:

(1)边坡开挖的施工。

在该阶段,主要按照设计边坡要求(坡长和坡脚),对码头边坡进行开挖。在开挖工程中,必须保证所有开挖点的挖深不超过设计最大允许值(400mm),同时,为减小在边坡开挖过程中因应力骤变产生的边坡土体错位、崩塌,因此可采用分层开挖、边中结合等施工方法,尽量保证码头边坡的结构安全稳定性。

(2)混凝土方桩的施工。

在该过程中,首先采用GPS定位仪对桩基施工坐标进行测设,然后进行方桩施工。本工程项目B的施工方桩型号为550*550mm方桩,工程项目C的施工方桩型号为580*580mm方桩,在打桩过程中,要在桩体的四个角(四个角对角线相互交叉呈90°)设立4台经纬仪,同时在桩头处(桩头受外力处,即地面上端处)设立竖直铅垂陀螺,以保证方桩的施工始终沿着竖直方向,根据设计要求,施工向与竖直向的夹角最大不能超过2.5°。

3 数模计算与分析

3.1 土体的水平位移

将B、C两个项目码头工程在施工期内的土体累计水平位移结果云图分别绘于图1。图中,正方向为迎水面方向。

从图1(a)和图2(b)对比分析可知,在整个施工期内,B项目码头工程受对岸陆域大堆积荷载的作用,最大累计水平位移大概有240mm,产生水平位移最大的区域主要分布在码头岸坡地基中的淤泥层,并随着深度增加、土质变好土质理化性能增强而逐渐减小,而C项目码头工程则无后方堆载影响,最大累计水平位移也仅有200mm左右,远小于其他条件相同下的B项目码头工程。进一步对比分析可知,B、C两个项目码头工程在施工期内的累计水平位移分布基本一致,仅仅是因为堆载不同而引起。

由于B项目码头工程先后有后方堆载以及边坡开挖两个工序,为进一步分析这两个工序的具体影响,将这两个工序完成后的码头累计水平位移计算结果云图依次绘于图2。

对比图2(a)和图3(b)可知,在堆载过程中,B项目码头工程的岸坡土体水平位移已经达到了120mm,在边坡开挖破坏了土体结构后,变形就明显倾向于迎水面侧发展,并连锁导致岸坡与桩基的变形甚至移位,降低了岸坡的稳定性。

3.2 土体内孔隙水压力的变化

前文已分析过,土体在打桩过程中在外力作用下体积发生突变,土体内的孔隙水来不及排出而产生超孔隙水压力,在整个地基土体总应力不变的情况下大幅减小土体的有效应力,本节通过PLAXIS有限元计算软件分析计算打桩过程中码头岸坡孔隙水压力的变化情况,将桩基在打入土体内瞬间的岸坡断面孔隙水压力分布云图点绘于图3。

取岸坡表层点(B点)和桩基上中间点(C点)作为特征点,将这两点在打桩作用时间内的孔隙水压力变化过程曲线图点绘于图4。

在图4中,纵轴表示总孔隙水压力,正值代表正常情况下的土体孔隙水压力,负值则表示打桩过程中产生的超孔隙水压力。分析上图可得出以下结论:

(1)在打桩过程中,外力作用时间内,B、C点都产生了较大的瞬时超孔隙水压力,其中B点的超孔压最大可达-420kPa,而C点的超孔压最大则可达-910kPa,随着与桩体距离逐渐增大,外力逐渐消散,土体中的超孔隙水压力逐渐变为正常值。

(2)进一步分析可知,可知每次打桩的单次时间在1.2s左右,其中,打桩振动的时间持续约0.15s,在这段时间内土体受外力作用剧烈变形,孔隙水压力急剧增大,超孔压值波动明显,而自由振动时间约为1.05s左右,此时外力作用逐渐消散,超孔压值趋于稳定。

(3)根据工程经验与以往研究分析,打桩时受影响的距离一般在10m至15m范围内变化,随着与打桩点绝对距离的增加,振动加速度会呈衰减趋势。由图5对比分析可知,岸坡上土体离打桩点距离约10m左右,其感受到的振幅已明显减弱。

(4)随着打桩点距离的增加,振动变化的时间逐渐滞后。

4 结论

本文针对软土地基码头岸坡稳定影响机理,以江苏连云港燕尾港实例码头,结合PLAXIS有限元计算软件以及实测数据,对相关影响机理做了大量研究,得出以下结论:

(1)对软土地区码头岸坡来说,打桩对岸坡稳定性十分不利,根据实际数据监测结果以及有限元数模模拟计算,在打桩过程中,桩体中点处土体的孔隙水压力可由正常情况下的250 kPa骤升至-910kPa的超孔压,而岸坡表层的孔隙水压力变化值则从0 kPa升至-420kPa,可见随着离打桩点距离增大,外力逐渐消散,孔隙水压力逐渐恢复正常。同时,随着打桩点距离的增加,振动变化的时间也出现逐渐滞后的情况。

(2)边坡开挖对软土地区码头岸坡的稳定性十分不利,根据PLAXIS有限元计算软件建模分析结果,在边坡开挖过程中,整个码头岸坡断面平均水平位移为19.2mm,最大累计位移可达120.8mm,可见边坡开挖会破坏土体结构,并导致变形明显倾向于迎水面侧发展,并连锁导致岸坡与桩基的变形甚至移位,降低了岸坡的稳定性。

(3)在通常情况下,软土边坡滑动面在剪切应力达到滑移破坏前都会产生塑性变形,为防止这一工程事故发生带来的巨大损害,必须及时进行岸坡稳定监测,尤其是在边坡开挖、打桩、后方超堆载等不利作业情况下。

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[责任编辑:汤静]

浏览次数:  更新时间:2015-09-23 14:06:24
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