软土地基上的高桩码头结构叉桩设计探讨.docx

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软土地基上的高桩码头结构叉桩设计探讨

软土地基上的高桩码头结构叉桩设计探讨

刘彦忠，侯伟

【摘要】摘要：

软土地基上建设的高桩码头结构，在使用期岸坡表面存在冲淤变化或地基条件较差时，部分高桩码头结构只按照传统模式进行前方桩台叉桩的设计可能存在不安全因素，建议按照整体设计模式对叉桩进行复核，复核时考虑岸坡回淤和岸坡变形对叉桩的影响，以确保码头前方桩台结构叉桩使用期的安全。

【期刊名称】港工技术

【年（卷）,期】2018（055）005

【总页数】6

【关键词】软土地基；高桩码头结构；叉桩优化设计；港口

引言

高桩码头结构是我国港口工程的主要结构型式之一，适用于浅层地质条件较差，深层地质条件相对较好的地区，通过打入深层地基中的桩基支撑上部结构承受船舶荷载，大型起重设备荷载，进行码头的正常装卸作业；正是高桩码头结构适应地基的这一特点决定了高桩码头在使用过程中会受到浅层地基土变形对码头结构的影响，而在现行的高桩码头结构设计过程中，还没有一套成熟的计算地基变形与码头结构相互作用的方法，只能借用大型通用有限元软件进行定性分析。

本文将结合早期建设的典型高桩码头，在使用维护过程中发现的叉桩共性损坏问题进行研究，这些叉桩损坏问题按照传统的方式进行维护后仍继续出现，为此需要找出造成损坏的原因，然后对现有码头进行有针对性的维护，对新建码头结构的设计进行优化改进等。

如某港在20世纪70年代末、80年代初建设的高桩码头结构，至今已使用30多年，在码头的维护工作中经常发现码头前方桩台后沿的叉桩出现损坏现象，而且损坏数量偏多，下面将结合这个典型工程分析研究早期建设的高桩码头叉桩出现共性损坏的原因。

1依托工程背景

1.1概况

依托工程为杂货码头，位于有掩护区域，码头顶面高程5.8m，码头前沿设计最大水深-11.0m。

码头结构按照1万t级杂货船设计，结构安全等级为二级。

码头前方桩台安装最大起重量5t的门座式起重机进行装卸作业，允许使用荷载为30kN/m2；码头后方桩台允许使用荷载为50kN/m2；接岸结构挡土墙陆侧允许使用荷载为30kN/m2。

码头桩台单个结构段长度59.5m，宽度为40.8m，其中前方桩台宽13.80m，后方桩台宽27.00m。

前方桩台上部结构采用预应力混凝土连续梁板的结构型式，后方桩台上部结构采用预应力混凝土简支梁板的结构型式；前方桩台直桩为550mm×550mm预应力混凝土空心方桩，斜桩为500mm×500mm预应力混凝土空心方桩；后方桩台桩基为550mm×550mm预应力混凝土空心方桩，桩尖高程约为-21.0m，桩台排架间距均为7.0m。

码头前沿设置550kN系船柱；在靠船构件的海侧安装V500H-1000L型标准反力橡胶护舷（设计压缩变形52.5%时，吸能量为72kN·m，反力为344kN），后更换为φ1200×φ600×1000L圆筒型标准反力橡胶护舷（设计压缩变形50%时，吸能量为970kN·m，反力为370kN），见图1。

1.2码头破坏情况

在依托工程所在区域每年要对已投入使用的码头结构进行普查，普查中发现的问题很多，其中依托工程的桩基较为典型；码头前桩台后排叉桩的桩顶普遍存在断裂破坏情况，损坏率甚至超过90%，其断裂位置为桩身与桩帽交接处，且断裂面附近桩身完好，见图2。

从该码头桩基的损坏情况分析应为钢筋受损造成的损坏，但是通过对这些叉桩进行受力分析发现，如果仅考虑常规的设计荷载，按照设计规范核算都是安全的。

但是如果考虑使用期岸坡回淤和使用期码头及接岸结构的变形，则会发现叉桩桩顶出现了较大的桩身内力，正是较大的桩身内力导致了叉桩的损坏。

2叉桩受力因素分析

叉桩是码头结构的重要组成部分，受力因素多而复杂，最直接的受力因素即为码头结构上所承受的使用荷载；接岸结构是连接码头结构与陆域之间的过渡结构，接岸结构的水平变形也会传递到码头结构上；码头使用过程中的岸坡回淤会和蠕变也会产生附加荷载作用于叉桩上。

因此下面从这四个方面进行受力分析。

2.1码头结构受力

码头上部结构的设计荷载主要包括波浪荷载、水流荷载、船舶荷载、装卸设备荷载、流动机械荷载和堆载荷载等；依托工程位于港区内部，外面有防波堤掩护，所受波浪、水流条件较好，波浪和水流荷载可以忽略；船舶荷载、装卸设备荷载、流动机械荷载和堆载荷载等数值明确，而且码头结构的桩基也是按此进行设计，设计结果也是满足规范要求的，正常情况下码头结构桩基是不应该出现共性损坏问题的，但是通过每年的定期检查还是发现早期建设的部分码头结构桩基，主要是码头前方桩台的叉桩出现桩顶断裂现象（图2）。

按照当时的码头结构设计模式叉桩需要承受水平荷载和垂直荷载，荷载数值明确，离散性小，应不会出现超载现象；通过对受损构件的分析，码头结构叉桩的损坏应为经常性的荷载超限造成的叉桩损坏，那么在码头常规的设计荷载以外还应该存在其它作用荷载，

经过分析，并结合依托工程现状和地质特点，这个荷载应该与岸坡回淤和后方桩台与接岸结构的变形有关，即由于岸坡回淤和后方桩台与接岸结构变形产生的荷载作用于码头前方桩台结构。

2.2接岸结构受力

高桩码头的特点是适用于地基表层土壤强度较差，深层土壤强度相对较好的情况，而接岸结构则一般采用将表层强度较差的土壤进行全部清除或部分清除，也可采用对其进行加固等措施进行利用，并在其上建设挡土墙将码头桩台与陆域相连。

依托工程既是采用将接岸结构岸坡区域的表层软土部分挖除后进行加固，然后在其上建设挡土墙的结构形式。

按照规范要求接岸结构的设计主要是要求其岸坡整体稳定性满足要求，接岸结构与码头结构合理衔接即可，但是对于接岸结构地基土壤的水平变形没有相应的控制要求；接岸结构地基土的水平变形对码头结构的作用主要体现在地基土、表层抛石和抛石顶面挡土墙的水平作用，这些水平作用按照现行规范还无法进行定量的分析计算，只是根据经验进行定性的确定。

根据经验这些水平作用的大小主要决定于接岸结构地基处理方法，依托工程的处理方法为在地基中打设直径200～350mm的砂井，通过接岸结构抛石和初期使用荷载进行预压处理，采用这种方式进行处理的地基，在预压过程中地基土水平变形作用产生的荷载将会作用于码头结构后方桩台中，但因后方桩台全部由直桩组成，其允许变形较大，而前方桩台则由直桩和叉桩组成，其允许变形相对较小，这势必造成后方桩台的变形被前方桩台所约束，相应的后方桩台的变形趋势荷载被前方桩台所承受，使前方桩台在承受原有设计荷载的基础上增加了新的荷载作用，为减少这种作用，在高桩码头接岸结构设计中，规范规定不允许考虑截桩力作用相吻合，但是在接岸结构设计中不允许考虑截桩力，并不代表码头不受接岸结构岸坡变形作用产生的水平力。

因此，在进行码头前方桩台叉桩受力分析时，应考虑码头桩台之间、桩台与接岸结构之间和桩基与地基土之间的相互作用影响。

2.3岸坡回淤

高桩码头桩台下面的岸坡回淤引起的桩土相互作用机理十分复杂，是高桩码头使用问题分析中不可忽略的重要方面；在依托工程区域码头桩台下面的岸坡表面普遍存在回淤现象，有些区域甚至回淤的坡度很陡，回淤的厚度较大，最大厚度高达3.5m，并且大部分回淤体位于码头前方桩台后沿叉桩海侧的坡面上，对于岸坡稳定起有利作用，但是会增加岸坡处附加荷载对桩的作用；岸坡回淤是在现状基础上沉积形成的粘性较大，含水量较高，强度较低的软土，其对叉桩的作用受水位影响较大，且与陆侧沉降作用方向相同，特别是回淤体较厚，陆域沉降较大时，对码头前方桩台后沿叉桩的影响更大，因此在进行码头结构后沿叉桩受力分析时，需要考虑回淤作用的影响。

2.4岸坡蠕变

接岸结构土体在使用荷载和自重的作用下，土体除产生弹性变形外，随着时间的变化还会发生蠕变现象，土体蠕变是指在应力水平不变的条件下，土体随着时间的进行产生应变，而导致土体的变形。

交通运输部天津水运工程科学研究所曾经对依托工程区域某码头接岸结构在自重作用下以及在自重和后方堆场共同作用下，进行一年的蠕变分析后得到：

1）仅在自重作用下时，从土体蠕变应变分布来看，土体蠕变主要出现在堆场下方土体，抛石棱体附近的淤泥和岸坡上陡坡3个位置。

将蠕变计算结果同弹塑性计算结果相比，竖向位移之比约为0.1，侧向位移之比约为0.22，可见土体蠕变对侧向位移的影响更加明显。

2）码头在自重和不同堆载作用下土体的蠕变情况在变形特征上基本相同，蠕变引起的侧向变形主要分布在抛石棱体下方土体和后桩台下方土体，堆载荷载的增大相应也增加了蠕变的位移量，这一点也反映在了竖向的蠕变变形和总位移量上。

依托工程研究的叉桩位于码头前方桩台后沿的施工期开挖卸载区域，其蠕变变形和在总变形中占比较小，所以在进行依托工程后沿叉桩受力分析时不考虑土体蠕变变形对桩基产生的影响。

3受力计算

高桩码头叉桩是用来抵抗码头桩台水平力的重要结构，要弄清叉桩损坏的原因，必须了解叉桩的受力状态，然而影响高桩码头叉桩受力的因素很多，包括码头结构自重荷载、船舶荷载、前方桩台顶面使用荷载、码头桩台下面岸坡回淤荷载、后方桩台堆载荷载和后方堆场堆载荷载等，这些荷载对叉桩受力的影响程度各不相同。

为避免重复分析，统一荷载组合工况，结合高桩码头结构设计组合经验，分别指定不同可变荷载为主导可变，然后再根据其它可能同时出现的不利可变荷载作用结果确定是否参与组合。

按照上述方法确定最不利组合内力后，再将最不利荷载按照上述组合原则同时作用于码头结构进行内力计算，最后按照钢筋混凝土规范对桩基内力进行复核；为便于对计算结果进行分析，将桩基内力控制工况组合计算结果与对应位置桩基能够抵抗承载力复核结果列于同一表格中进行对比。

3.1模型建立

根据依托工程各构件的实际尺寸，结合模型简化原则，利用有限元数值计算方法建立高桩码头结构（包括面板、横梁、轨道梁、纵梁、桩帽、直桩和叉桩）和地基土共同作用的单排架计算模型，计算分析采用三维有限元法。

模型的尺寸为130m×60m×7m。

即沿码头岸线方向取7m范围，岸海方向取130m（码头前沿海侧取50m，码头前沿陆侧取80m），深度方向取60m，码头结构断面计算模型中土体的本构模型采用摩尔库伦模型。

3.2计算结果分析对比

1）持久状况承载能力极限状态

设计使用期最不利组合控制工况：

该工况采用原设计V型橡胶护舷反力；组合时不考虑后方桩台堆载荷载、陆侧堆载荷载和岸坡回淤荷载对前方桩台桩基的影响；计算水位采用极端低水位，位置为向岸斜桩桩顶；拉桩为正，压桩为负。

控制工况叉桩内力组合计算结果见表1。

实际使用期最不利组合控制工况：

该工况除护舷采用圆筒型橡胶护舷反力外，其它均同设计使用期最不利组合控制工况。

控制工况叉桩内力组合计算结果见表2。

2）持久状况正常使用极限状态

持久状况正常使用极限状态最不利组合控制工况同持久状况承载能力极限状态最不利组合控制工况。

设计使用期最不利组合控制工况叉桩内力组合计算结果见表3。

实际使用期最不利组合控制工况叉桩内力组合计算结果见表4。

4结果分析

根据桩基各工况控制组合计算结果分析，依托工程码头前方桩台后沿叉桩控制工况为叉桩中的向岸斜桩，所以本文的分析将主要以向岸斜桩的损坏分析为主。

由表1～表4中各荷载作用下控制工况的桩基内力与桩基对应位置抵抗能力对比结果可知，在承载能力极限状态下和正常使用承载能力极限状态下设计使用期最不利组合控制工况叉桩桩顶内力均能满足承载能力使用要求，但是在实际使用期最不利组合控制工况下叉桩中的向岸斜桩不满足承载能力使用要求。

通过对两种组合工况作用荷载进行比较，在相同组合工况下实际使用期码头前方桩台后沿叉桩所受的作用荷载增加了堆场堆载荷载、岸坡回淤荷载和使用期护舷更换增加的荷载；因此造成码头前方桩台后沿叉桩中向岸斜桩在实际使用期损坏的主要原因应为堆场堆载荷载、岸坡回淤荷载和使用期护舷更换增加的荷载共同作用造成。

按照现行的高桩码头设计计算模式只有护舷更换增加的荷载是计算时需要考虑荷载，而堆场堆载荷载和岸坡回淤荷载，计算复杂，不易定量考虑，所以在现行的设计计算模式中没有考虑，但这些荷载在实际使用中又是实际存在的，因此在后续的设计计算中应考虑这些荷载作用的影响，避免出现类似问题。

为便于对这些荷载的作用进行分析，从中找出主要影响因素，提出改进措施，特将单个荷载的作用结果在这些荷载作用中所占比例进行汇总，见表5，表中占比结果为该荷载作用结果在这些荷载作用结果正值或负值汇总中所占比例。

由表5所列增加荷载作用结果和在这些新增荷载作用结果中所占比例可知，对向岸斜桩内力影响最大的荷载依次是堆场堆载荷载、岸坡回淤荷载和护舷更换增加的荷载。

橡胶护舷更换增加的船舶撞击力荷载在向岸斜桩中增加的最大弯矩和剪力标准值为0.57kN·m和-0.50kN，增加的最大轴力标准值为-16.16kN，通过核算若单纯考虑橡胶护舷反力的增加影响，码头后沿桩基内力仍在承载能力极限状态能够承受的范围内，不会造成码头桩基损坏，这也与码头结构使用阶段允许更换反力略大的橡胶护舷相吻合。

堆场堆载荷载在码头前方桩台后沿向岸斜桩顶部产生的最大弯矩标准值为14.00kN·m，最大剪力标准值为-13.00kN，最大轴力标准值为18.00kN；其中剪力和轴力虽然占比较大，但数值较小，作用方向与岸坡回淤荷载产生的剪力和轴力作用方向相反，特别是轴力为拉桩力，在向岸斜桩桩顶控制内力的计算中起有利作用，只有弯矩作用方向与控制荷载作用产生弯矩的作用方向相同，对向岸斜桩起不利作用，所以堆场堆载荷载作用对码头前方桩台后沿叉桩中向岸斜桩的损坏要根据具体情况而定，针对依托工程向岸斜桩的损坏作用有限。

岸坡回淤荷载作用在码头前方桩台后沿向岸斜桩顶部产生的剪力（最大剪力标准值为20.20kN）虽然不大，但是产生的弯矩（最大弯矩标准值为53.50kN）和轴力（最大轴力标准值为-68.00kN）要远大于堆场堆载荷载，更为不利的是岸坡回淤荷载产生内力的作用方向与其它荷载作用方向相同，加剧了向岸斜桩的损坏，所以岸坡回淤荷载作用应为码头前方桩台后沿叉桩中向岸斜桩损坏的主要荷载。

综上分析造成依托工程码头后沿叉桩中向岸斜桩桩顶损坏的主要原因应为岸坡回淤荷载，其次为橡胶护舷增加的船舶撞击力荷载，堆场堆货荷载作用也造成了该桩不同工况的制值有所增加，只是在码头桩基的控制工况中作用有限，因而不是造成桩基损坏的主要原因。

5结语

综合以上分析和计算，码头前方桩台后叉桩损坏首先由向岸斜桩开始，控制工况组合涉及的荷载为：

结构自重、码头前方桩台堆载荷载、船舶荷载、门机荷载、岸坡回淤荷载和堆场堆载荷载。

叉桩损坏的形式为承载能力极限状态偏心受压破坏和正常使用极限状态偏心受压时裂缝开展偏大。

码头前方桩台后叉桩若按设计使用期荷载整体计算，叉桩结构是安全的，但是若按照实际使用期码头承受荷载进行整体计算，码头结构则不安全。

其主要区别是软土地基上建设的高桩码头在使用期会受到码头桩台下面岸坡回淤荷载和接岸结构陆侧堆载的作用，对于依托工程地质情况，由于使用期接岸结构堆载荷载作用的部分内力与使用荷载作用内力方向相反，不起控制作用，这与传统计算方法是吻合的，但是码头在使用期岸坡回淤较大时应予以重视。

本次研究的依托工程码头桩台下面的岸坡回淤荷载对码头叉桩的作用内力与控制组合内力相叠加，对码头前方桩台向岸斜桩的损坏起到了控制作用，因此建议在这类码头维护工作中应定期对码头桩台下面岸坡上的回淤软土进行清理，以确保码头使用期的安全。

另外虽然在本次研究中选取的依托工程码头叉桩内力与接岸结构堆载荷载作用的部分内力相反，不起控制作用，但是当接岸结构地基土壤较差，岸坡变形较大时设计和维护阶段也应对其应对其予以重视。

为此，提出一下两点建议：

1）高桩码头传统的平面布置一般不考虑岸坡回淤荷载和堆场堆载荷载对码头前方桩台的作用，这对于码头前方桩台下岸坡回淤不大，地质条件相对较好的码头设计时是可行的，但是对于码头桩台下岸坡回淤较大、地质条件较差的地区，应考虑岸坡回淤和地基变形对码头前方桩台下叉桩的不利影响，必要时还需考虑桩土结合的整体模型对码头结构（特别是桩基内力）进行复核。

2）对于已建成的高桩码头，在码头使用阶段进行维护时，除进行传统的维护外，还应重点关注码头岸坡坡面的冲淤变化及岸坡变形情况，必要时需要有针对性的采取维护措施，确保码头使用期的安全。

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