打桩对高桩码头岸坡稳定的影响分析

打桩对高桩码头岸坡稳定的影响分析

为了获得良好的水深条件，高单元码头通常建在海岸和河流的边缘陡峭的斜坡上。设计期间，由于不适当的施工方法和其他原因，设计期间未考虑的不利因素是不可预测的。虽然采用了足够大的安全因素，但仍然存在不稳定感。如南京的新生圩码头、上海张华浜码头,打桩时都发生了严重的变形;安徽荻港由于没有考虑打桩的影响,结果已打好的几百根桩随岸坡下滑,造成500万元的经济损失;建在高灵敏度软土上的舟山20万t油码头系缆墩,由于施工时打桩速度过快,一天连续打了13根桩,使桩产生了1m的位移,码头岸坡发生滑移使一个系缆墩完全滑入海中,损失惨重。对我国已产生过大变形或失稳的大量岸坡工程实录的研究表明,在高桩码头打桩施工过程中,岸坡稳定受到桩基施工的极大威胁,因打桩引起失效的占很高的比例。因此打桩是高桩码头岸坡稳定分析中必须考虑的重要因素。目前国内外对打桩时岸坡稳定性的研究还不多,JTJ250—1998《港口工程地基规范》在土坡和地基稳定验算时提到施工期打桩时的岸坡稳定,但没有给出码头桩基施工时岸坡稳定分析方法,仍然按持久状况下圆弧滑动法计算岸坡稳定,只是要求在计算打桩岸坡稳定时对抗力分项系数γR取较大值。实际工程中也有在圆弧滑动法计算时采用土的快剪指标来计算施工期的岸坡稳定,这些都不能反映真实情况对岸坡稳定的影响。本文研究了高桩码头打桩过程中孔隙水压力的分布,根据岸坡稳定分析的极限平衡条分法建立极限状态方程,考虑了打桩施工产生的孔隙水压力对岸坡稳定的不利影响,根据打桩实际的施工速度考虑孔隙水压力的消散程度,计算并比较了两种情况下可靠度指标的变化,为实际工程提供一定的参考。1桩周围土体被挤开,土壤中的高温打桩对岸坡稳定主要产生两方面的不利影响,一是打桩期间会引起桩周土体内孔隙水压力的急剧上升,从而导致土的有效应力的降低,另外,打桩引起的振动加速度也会在土中产生对岸坡稳定不利的惯性力作用。工程实践和模型实验发现在打桩作用下,桩周围一定范围内的土体会发生一定程度的扰动和重塑。桩周土体被挤开,同时桩对土的挤压将导致桩周土体的应力增加,饱和土体在几个小时的沉桩过程中来不及排水固结,土体不可压缩,根据太沙基有效应力原理和摩尔-库伦破坏准则,在总应力不变时,孔隙水压力的增加会导致土体有效应力的降低,当打桩产生的超孔隙水压力影响范围内的土体抗剪强度也降低,进而导致土坡的抗滑力(矩)减小,岸坡的变形和滑动往往由于打桩而诱发。如果打桩速度过快,桩周围土体中的超孔隙水压力大范围内升高而来不及消散,特别是软黏土岸坡,更加容易造成岸坡变形和失稳。另外,桩在锤的撞击下对土体产生振动,由此产生振动加速度,增大了滑动力矩,特别是灵敏度高的饱和砂土,振动还会降低土体的强度,但与沉桩挤土相比,振动的作用是瞬时的,打桩完毕,振动就停止了,而且振动产生的影响是正负交替作用的,因此打桩引起的超孔隙水压力是影响码头岸坡稳定的最主要因素。本文主要考虑这一因素的影响。2桩周土体应力和孔隙水压力沉桩挤土的物理过程是在很短时间内将与桩身同体积的土挤向周围,桩周围的土体受到挤压产生水平和竖向位移,并产生扰动和重塑,在打桩过程中,桩周土体会形成4个典型区域,如图1所示。研究表明,这种变形处于球穴扩张和圆柱孔扩张的模式之间,并且土体位移主要发生在径向。通过研究打桩后桩周围土体的应力分布来研究桩周围土体中超孔隙水压力分布,这一过程可以用无限土体中的小孔扩张理论来模拟。一般把沉桩过程模拟为在无限土体中一个圆柱形孔的平面应变轴对称扩张问题,可得到这两个区域土体的总超孔隙水压力增量。用斯开普顿孔隙应力系数Af表示的超孔隙水压力增量为:塑性区超孔隙水压力增量弹性区超孔隙水压力增量式中:R为塑性区半径,r为小孔半径,即为桩的半径。当桩为方形时取折算半径;d为计算半径;E为土体压缩模量;μ为土的泊松比;cu为土的不排水抗剪强度。可见塑性区超孔隙水压力增量Δu与成对数关系,塑性区超孔隙水压力在桩土界面处最大,并沿径向与桩中心轴的距离呈对数衰减,弹性区的超孔隙水压力增量Δu与d2成反比,且该区域由打桩引起的超孔隙水压力增量很小,几乎接近于零。由于码头同一个排架平面内相邻的桩距一般不会大于2倍塑性区半径太多,因此在考虑打桩孔隙水压力的增加对岸坡稳定的影响时,可只考虑塑性区内超孔隙水压力的影响,即式(1)。打桩后桩周土体应力和孔隙水压力的分布具备空间性,大量实测资料和离心模型试验结果表明,原来的净孔隙水压力u0沿深度变化很小,而打桩后瞬时桩周围的超孔隙水压力△u随深度的增加而增加,在均质土体中,这种增长几乎呈线性关系。打桩时桩周围存在较高的土压力,导致超孔隙水压力的急剧增长,当有效应力减小到超过土体的抗拉强度时,桩周土体便会出现裂缝,这时超孔隙水压力达到最大。这种由高孔隙水压力使土中有效应力降低导致出现土体裂缝的现象通常被称为“水裂”作用。从产生水裂的原因和现象可以看出,超孔隙水压力不会无限制地随土体应力的增大而增加,它与土体的初始应力和小孔扩张产生的附加应力有关。如果假定土体的抗拉强度为cu/2,打桩之前土体竖向有效应力为土体的有效上覆压力σv′=ρ′gH,则侧向有效应力为σv′=K0ρ′gH,K0为静止侧压力系数。沉桩前后土体的应力和孔隙水压力的作用建立各个方向力的平衡条件,可得到土体竖向开裂和水平向开裂的初始超孔隙水压力应分别满足以下两式:竖向开裂条件水平向开裂条件式中:K0为静止侧压力系数;ρ′为土的有效密度;H为计算点的深度。由于竖向裂缝和水平向裂缝不可能同时出现,所以在水平方向上距离桩d处竖直方向深度H处的超孔隙水压力不能大于上述公式计算出的最小值。实际应用中取两者中的较小值作为沉桩后桩周产生“水裂”作用的控制条件:如果计算出的超孔隙水压力值超过“水裂”的控制条件所确定的值,则取后者。3单元结构对岸壁稳定性的评价3.1靠性分析极限状态方程根据边坡稳定计算中最常用的简化Bishop条分法得到的岸坡稳定安全系数:建立打桩作用下的岸坡稳定可靠性分析极限状态方程:式中:Wi为土条的自重;bi为土条宽度;ci′和φi′为土条有效抗剪强度指标;ui为孔隙水压力,此处考虑了打桩的影响。为简便起见,考虑土性参数为随机变量模型,随机变量c和φ互相关,由于参数ρg变异性较小,因此将其作为定值处理。根据极限状态方程按JC法建立可靠度指标β的计算公式。3.2标准化正态坐标系ox1xxn的最u4个正态随机变量的变化可靠度指标β采用国际结构安全委员会(JCSS)推荐的方法,称为JC法。设X={X1,X2,…,Xn}为相互独立的正态随机变量,极限状态方程为n维空间坐标系OX1X2…Xn中的一个曲面,引入标准化正态随机变量:μXi,σXi分别为随机变量Xi的均值和方差。可靠度指标是标准正态坐标系中原点到极限状态曲面的最短距离Op*。图2为3个正态变量的情况。极限状态曲面的法线对各个坐标的方向余弦为:由方向余弦可得:由式(13)得到验算点坐标:因为P*是极限状态曲面上的一点,有:联立求解式(9)~(11),可得到可靠度指标β及相应的验算点X*。3.3药物模型的建立1)相关参数独立化。先将互相关的随机变量X={c′,φ′}T矩阵变换转化为相互独立的参数U={Uc,Uφ}:式中:A是正交阵,列向量为X={c′,φ′}T的协方差矩阵Cc,φ的标准化正交特征向量,其中2)求极限状态方程对随机变量的偏导数。3)按照(9)~(11)式求解可靠度指标β。4桩型对可靠度的影响将打桩工程中孔隙水压力分布的研究与岸坡稳定可靠性分析结合起来,编制了打桩作用下高桩码头岸坡稳定可靠性分析程序,程序功能如下:1)子程序1根据岸坡信息构造滑弧,计算土条信息;2)子程序2计算沉桩部位的孔隙水压力;3)子程序3处理随机变量参数;4)主程序:根据极限状态方程计算该滑弧对应的可靠度指标,按固定模式法搜索概率最危险滑面并计算相应的可靠度指标。南通某港口共有3个2万吨级集装箱泊位,为高桩板梁式码头结构,桩基布置如图3所示。码头全长900m,宽44m,后设引桥与陆域连接。码头面高程6.0m,码头前沿设计水深-10.0m。采用直径650mm的预应力混凝土管桩,桩长42~55m,排架间距10m。每榀排架下共11根桩。分别计算了不考虑打桩影响(括号内数据)与考虑打桩影响的岸坡稳定安全系数及可靠度指标,根据工程情况在3个泊位上各选1个断面,一共选取了3个断面进行计算。由于打桩速度是影响打桩时岸坡稳定可靠度的一个重要因素,根据工程中打桩船打桩的实际情况,考虑打桩船工作效率以及施工条件,打桩船在一个台班的8h内最多能在同一个断面打3根桩,由于同一个台班内打桩间隔时间较短,一般不超过1h,因此可以忽略同一个台班内打入桩的桩周孔隙水压力的消散。为防止打桩速度过快发生岸坡变形导致桩基断裂,施工中一般不在同一断面上连续打桩,因而打桩船再次打桩时可认为前一个台班打入桩的桩周孔隙水压力已部分消散,按消散超孔隙水压力的50%计算,因此最危险的情况是第3个台班打入第3根桩的时候。计算结果见表1。3个断面的不考虑打桩影响时的安全系数差异反映了岸坡自然条件的差异,根据计算结果可以看出考虑打桩影响后安全系数明显降低,与之对应,可靠度指标也降低,失效概率增大,其中#2泊位对比最为明显,安全系数降低了0.35,可靠度指标降低0.505,与不考虑打桩作用相比降低了17%,而失效概率则增加了0.5%。另外计算中发现随着打桩密度的增加,安全系数下降得多,可靠度指标减小得也多。其中#3泊位打完第9根桩时安全系数仅有1.103,对应的滑弧圆心位置及半径见图4。而港口工程地基规范规定最小安全系数为1.1,因此打桩时该岸坡处于濒临滑移的状态,在打桩施工的扰动下岸坡存在变形和滑动的可能。5打桩工程中的水压力稳定性分析打桩会对岸坡稳定产生不利影响,可靠度分析能够反映土性参数变异性对岸坡稳定的影响,虽然打桩施工对于整个工程的建