软土固结的负摩阻力对斜顶桩接岸结构影响

徐大彬，蓝妹元，王 煌，李子晗，冯 章

（1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司水环境与城建工程分公司 河湖治理一室，成都610000；2.深圳市水务规划设计院股份有限公司南宁分公司 水环境工程所，南宁530000；3.深圳市水务规划设计院股份有限公司 水务工程院，广东 深圳518000）

1 概述

上海洋山深水港是我国首个远离大陆， 在微小岛屿链上建设的港口，其码头型式为高桩梁板码头，后方的挡土结构采用斜顶桩板桩承台接岸结构 （以下简称“斜顶桩接岸结构”），如图1。该结构通过混凝土承台将斜顶桩、板桩、支撑桩刚性嵌固形成整体［1-3］，在码头施工期陆域抛填结束后， 接岸结构后方23～26 m的高回填土会对软土地基产生大面积堆载作用， 导致桩周土体因固结产生的沉降量大于桩基本身下沉量， 从而在桩身一定范围内产生向下的摩阻力，即负摩阻力。 负摩阻力会对桩基产生下拉荷载，影响桩基的承载性能［4］。

图1 上海洋山港典型斜顶桩接岸结构

斜顶桩接岸结构自诞生以来， 已有负摩阻力研究主要针对支撑桩和单桩进行实测分析， 并采用经验公式估算下拉荷载。 肖俊华等［5］通过对比观测两根支撑桩及自由单桩上的轴力分布， 进而推算中性点位置及负摩阻力分布；刘兹胜［6］对一根自由单桩进行应变观测， 计算得到轴力后估算中性点深度为0.62～0.68L（L为桩长），并指出负摩阻力的产生和发展需经历一个时间过程，即时间效应；程泽坤［7］在分析现场试桩实测数据的基础上， 结合有限元模拟和有效应力法［8］来计算负摩阻力及下拉荷载。

已有研究对实际工程具有很好的指导价值。 然而， 目前软土固结对接岸结构的负摩阻力影响研究仍较缺乏。为对我国今后深水建港积累经验，本文拟采用有限元仿真技术， 以洋山港一期工程斜顶桩接岸结构作为原型，通过简化边界条件建立数学模型，分析施工期抛填成陆后各桩负摩阻力随软土固结发展的规律，进而以原型观测验证数模结果。由于有限元Abaqus软件具有丰富的单元库和材料模型库，同时对土体的非线性求解问题能得到较为精确的解答，因此选择该软件作为本文的数值分析工具。

2 数学模型的建立

2.1 模型描述

计算模型以洋山港一期工程的斜顶桩接岸结构作为原型，并对地基的边界条件进行适当简化。由相关资料［1，9］可知：接岸结构桩基皆为钢管桩，靠海侧的4根斜顶桩桩长60m， 直径1.7m， 斜度3.5∶1， 桩距5m；中间密排板桩桩长54m，直径1.7m，桩距1.8m，共11根桩； 后方4根支撑桩桩长54m， 直径1.2m， 间距5m。 由于软弱地基在高回填的堆载作用下主要发生竖向沉降（一维变形），故建立结构和土体的平面应变数学模型，如图2。

图2 斜顶桩接岸结构计算模型

该模型的计算边界为108，63m，模型两侧固定水平位移，底边固定水平、竖向位移，并将软土底部设置为排水边界。网格划分时饱和软土采用4结点的渗流/变形耦合单元（CPE4P），其余构筑物均采用4结点的平面应变单元（CPE4R），划分结果如图3。 在计算中，承台和桩的模型选择线弹性模型，土体模型选择摩尔-库伦弹塑性模型， 并在桩-土接触位置设置滑动接触面，模拟桩-土的相互作用，摩擦系数取为tanφ［10］（φ为土体内摩擦角）。 参考工程相关设计报告中地质章节和文献资料［11-13］，接岸结构各构筑物计算参数取值如表1。

图3 计算模型网格划分

表1 数学模型中主要构筑物计算参数

2.2 分析过程

分析过程分3步进行：第1步为*Geostatic分析步，进行初始应力场的平衡；第2步为*soils，Load分析步，将回填土体重力瞬时施加于软土表面； 第3步为*soils，Consolidation分析步，模拟饱和软土固结。拟定计算时长为3年（共1095d）。

3 计算结果分析

3.1 模型位移场

计算结束后，模型位移场如图4～图6（水平位移以向岸侧为正，竖向位移以向上为正）。 计算结果表明：随下卧软土层固结，上部回填土体产生位移，进而引起接岸结构向海倾斜。

图4 软土固结完成后模型整体位移场

图5 软土固结完成后模型水平位移场

图6 软土固结完成后模型竖向位移场

由图6看出，接岸结构桩周土体沉降量大于桩体下沉量，即土体发生了相对桩基的竖向位移，会在各桩表面产生负摩阻力。

3.2 固结过程

饱和软土固结过程实质是超孔压消散的过程［14］。模型中软土厚度为26.67m， 固结结束后软土不同深度处超孔压变化如图7。 计算结果表明，饱和软土中超孔压消散随时间发展近似呈指数型衰减， 其消散过程可大致分为3个阶段：瞬时固结阶段（瞬时施加堆载，孔隙水来不及排出）、主固结阶段（约前460d内，在堆载作用下孔隙水逐渐排出）、次固结阶段（超孔压消散至零，土骨架产生徐变）。从图7可知，饱和软土固结主要在主固结阶段完成，故应重点分析该阶段内的各桩受力变化。

图7 软土不同深度处土体超孔压变化

3.3 桩基轴力及侧摩阻力

由于土体主要发生竖向沉降， 应对桩基轴力及侧摩阻力进行分析。计算结束后，沿桩深方向提取各桩轴力和侧摩阻力，其历时变化如图8～图13（轴力以受拉为正，受压为负；侧摩阻力以向上为正，向下为负）。

图8 斜顶桩轴力历时分布

图9 板桩轴力历时分布

图10 支撑桩轴力历时分布

图11 斜顶桩侧摩阻力历时分布

图12 板桩侧摩阻力历时分布

图13 支撑桩侧摩阻力历时分布

轴力分布表明：①固结初期各桩轴力较小，约在前460d内轴力随固结发展渐增至趋于稳定， 其增长速率表现为先大后小， 最终轴力沿桩深呈非线性分布；②各桩在桩顶附近受承台的边界效应影响，轴力迅速增大。 在泥面线以上，各桩轴力波动范围较小，而在泥面线以下轴力变化显著， 其原因是桩周土体因固结沉降产生了相对桩基的竖向位移， 对各桩产生了下拉荷载进而致使轴力改变。可以看出，由于回填土体为非黏性土，因沉降产生的下拉荷载较小，而软土固结产生的下拉荷载占主导作用； ③在固结过程中，斜顶桩、板桩受压，支撑桩受拉，说明斜顶桩、板桩共同抵抗接岸结构下沉， 支撑桩通过产生拉力来限制承台的向海倾斜。当固结趋于稳定后，斜顶桩在桩顶以下约30m处有轴力峰值（约-3030kN），板桩在桩顶以下约42m处有轴力峰值（约-7770kN），支撑桩在桩顶以下约50m处有轴力峰值（约9230kN）。

侧摩阻力分布表明：①随软土固结进行，各桩侧摩阻力约在前460d内渐增至趋于稳定； ②各桩均在桩身一定范围内产生负摩阻力（斜顶桩约在桩顶以下20～32m段，板桩约在桩顶以下42m段内，支撑桩约在桩顶以下50m段内），相较于回填土体，软土固结对桩基产生的负摩阻力更大。在软土层内，负摩阻力沿桩深先增大后减小， 当减至零后受到持力层产生的端阻力的抵消作用而变为向上的正摩阻力；③桩-土位移为零处的位移平衡点为中性点［15-16］，该点也是负、正摩阻力的交界点。从图11～图13可看出，随着固结发展，各桩中性点有下移趋势，其中斜顶桩、板桩和支撑桩的中性点位置与桩长比例范围分别约为0.50～0.53，0.68～0.78，0.85～0.92。可见，越靠岸的桩基中性点更深， 其原因是软土固结致使桩周土体产生了不均匀沉降，在离岸越近处其沉降量越大。

3.4 负摩阻力时间效应及下拉荷载分析

由前述分析可知， 各桩负摩阻力的发展是随着软土地基固结沉降而与时间相关的过程， 即具有“时间效应”。 将各桩分段负摩阻力累加后得到桩基表面总的负摩阻力值， 其历时曲线如图14， 结果表明：①各桩负摩阻力发展呈现出明显的时间效应，其在主固结阶段逐渐增长并最终趋于稳定；②固结趋于稳定后，斜顶桩、板桩和支撑桩表面产生的负摩阻力大小分别约为338，1490，1960kPa。

计算得到各桩下拉荷载历时曲线如图15， 结果表明： ①软土固结引起的负摩阻力会在桩基表面形成下拉荷载， 各桩下拉荷载的增长主要发生在主固结阶段；②由于板桩桩径大于支撑桩，其桩周表面积更大，因此作用于桩身的下拉荷载更大。固结趋于稳定后斜顶桩、 板桩和支撑桩所受下拉荷载分别约为1800，7970，7380kN；③可以看出，接岸结构中板桩、支撑桩所受下拉荷载更大， 其原因是板桩和支撑桩周围土体沉降量更大； 而斜顶桩桩周软土无附加荷载，仅在自重下固结，且桩身倾斜，软土作用于桩身的负摩阻力存在斜向分力， 故所受下拉荷载最小； ④负摩阻力形成的下拉荷载， 会增大桩基受力，进而对桩基承载力产生不利影响。建议采取多种措施削弱负摩阻力的影响， 包括桩基表面涂抹沥青涂层，通过涂层产生的剪应变来削弱负摩阻力；通过排水固结、 清淤置换或深层水泥搅拌法来进行地基加固，同时接岸结构的顶面高程应适当预留沉降量；通过增大桩基的抗拉刚度来提高桩基承载力等。

图14 各桩负摩阻力历时曲线

图15 各桩下拉荷载历时曲线

4 原型观测与数模结果对比

为了解斜顶桩接岸结构中桩基负摩阻力的分布规律， 一期工程中相关单位对支撑桩的轴力做了大量现场监测。 抛填成陆结束后的第514d （次固结阶段），支撑桩轴力监测结果表明［5，17，18］：桩顶以下20m范围内，轴力变化不大；在桩顶以下20～34m范围内，由于负摩阻力作用， 轴力逐渐增大， 峰值约为11600kN；在34m以下桩段内轴力逐渐减小。

支撑桩轴力在原型与数模中的对比如图16。 可以看出， 数模计算的支撑桩轴力分布在趋势与数值上均与原型基本一致。

图16 原型与数模的支撑桩轴力对比

5 结语

（1）软土固结会致使回填土体发生位移，引起接岸结构向海倾斜。 桩周土体发生相对桩基的竖向位移，会在各桩表面产生负摩阻力。

（2）饱和软土中超孔压消散随时间发展近似呈指数型衰减，其固结主要发生在主固结阶段（约前460d内）。

（3）随软土固结发展，斜顶桩、板桩受压，支撑桩受拉，且各桩在泥面线以下桩段的轴力变化显著，说明相较于回填土体， 软土固结产生的下拉力占主导作用。各桩均在桩身一定范围内产生负摩阻力，斜顶桩、 板桩和支撑桩的中性点位置与桩长比例范围分别为0.50～0.53，0.68～0.78和0.85～0.92。

（4）桩基的负摩阻力发展具有时间效应，会在各桩表面形成下拉荷载，固结趋于稳定后斜顶桩、板桩和支撑桩受到的下拉荷载分别约为1800，7970，7380kN。 下拉荷载对板桩、 支撑桩承载力的影响更大，建议采取多种措施削弱负摩阻力的不利影响。