泡沫轻质土在板桩码头结构中的应用

陈勇康，李春阳，单恒年

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510290)

近年来，为适应航运业的快速发展和船舶大型化的需要，码头朝着深水化、大型化的趋势发展[1]。板桩码头作为一种重要的码头形式，具有受力明确、适应变形能力强、整体性好、造价低、环境友好等特点，在实际工程中已大量应用。但当码头吨级过大时，板桩码头前墙位移、内力显著增大，不仅影响使用，且导致造价增加。另外，板桩码头后方常用的回填材料为块石、砂等，由于国家环保政策趋严，导致近年来市场供应紧张，价格大幅上涨。在此背景下，利用泡沫轻质土不可压缩、直立性好、密度小等特点，既可以减少填土荷重和对前墙的土压力，同时也可减少板桩码头的水平位移变形和码头前沿作业地带的沉降，使得码头的整体稳定性系数增大，提高工程质量[2]。

1 工程概况

码头顶面高程为5.6 m，港池前沿设计底高程为-16.0 m。码头结构采用钢管组合板桩结构，前墙采用壁厚24 mm、直径2 032 mm钢管桩与Z型钢板桩组合，顶高程2.0 m。组合板桩上部结构为现浇C40钢筋混凝土胸墙。锚碇墙采用直径1 000 mm钢管桩与Z型钢板桩组合结构，顶高程2.0 m。前墙与锚碇墙采用钢拉杆相连，钢拉杆间距3.35 m，安装高程为0.5 m，直径为130 mm。墙后先采用真空联合堆载预压，再采用水泥搅拌桩进行二次加固处理。前墙后高程1.0 m以上至路面结构回填泡沫轻质土。码头典型断面见图1。

图1 码头典型断面(高程：m；尺寸：mm)

2 模型建立

为研究钢管组合板桩空间受力特性及与土体的相互作用，采用PLAXIS 3D空间三维有限元数值模拟软件，分别计算码头后方回填泡沫轻质土和中粗砂2种结构，对比研究前墙、锚碇墙、拉杆、PHC桩基等结构的受力特性。

2.1 土体本构模型及参数

为了便于建模，首先将前墙钢管桩和Z型板桩根据截面等效原则简化为板桩结构。土体本构模型采用土体硬化模型(hardening soil model)，这是一种高级土体模型，其弹性部分可以分别考虑土体的加载、卸载刚度及土体模量随应力增加而增大的特性；其塑性部分采用非相关联流动法则和各向同性的硬化准则，可较好地描述曲线形式的应力-应变关系和土体的剪胀性[3]。计算工况包括堆载预压、卸载以及开挖回填等，可以考虑加载、卸载应力路径对土体的影响。

为真实模拟板桩-土体的相互作用，用板单元模拟钢管组合板桩结构，用实体单元模拟土体和回填材料，在板桩与土体之间加入接触界面单元，通过选取合适的界面强度因子模拟结构与土体之间的相互作用。用Embedded桩单元模拟后轨道梁PHC桩基，用点对点锚杆单元模拟拉杆[4]。三维有限元模型见图2。

图2 三维有限元模型

2.2 土体参数取值

为了便于模型计算，对实际土层进行合理简化，将土层较薄且参数相近的土层合并，对土层厚度进行适当平均处理，土体参数取值见表1。

表1 土体参数取值

2.3 模型范围及边界条件

模型的边界确定对计算结果和精度均有一定影响。为提高计算效率，在模型的宽度方向选取5倍拉杆间距，取16.75 m。在模型的长度方向，港池前方长度与后方长度对称，考虑码头堆场荷载作用范围，取180 m。在模型深度方向，从码头顶面一直考虑到板桩持力层以下，取40.3 m。综合考虑计算时间和模型大小，本次模型范围为16.75 m×180 m×40.3 m。

模型的边界条件为：约束底面3个方向的位移，4个侧面采用法向约束。模型的排水边界条件为：排水边界设在顶面[5]，4个侧面及底面均为不排水边界。

2.4 计算条件及计算工况

1)码头面荷载：前沿5 m范围内为20 kN/m2，5～37 m范围为30 kN/m2，37～90 m范围为20 kN/m2，90 m范围外为50 kN/m2。

2)计算水位：极端高水位4.57 m；设计高水位3.24 m；设计低水位0.53 m；极端低水位-0.10 m。

3)地震：本场区内地震动峰值加速度值为0.10g，抗震设防烈度值取Ⅶ度，设计地震分组为第1组。

计算工况选取施工期、使用期最不利工况，严格按照现场施工过程，设定具体工序如下：

1)原泥面3.89 m高程初始应力平衡；

2)场地堆载预压至5.6 m高程；

3)场地卸载至原泥面3.89 m高程，打设前、后钢板桩，水泥搅拌桩施工；

4)场地开挖至0 m高程，安装拉杆，打设PHC桩，现浇轨道梁；

5)墙前港池开挖至-8.4 m高程；

6)墙后回填泡沫轻质土；

7)墙前港池开挖至-16.5m高程(考虑超挖影响及墙前开挖抛石影响)；

8)施加剩余水压力、系缆力、码头面均布荷载；

9)利用强度折减法分析模型整体稳定性。

3 计算结果及对比分析

3.1 泡沫轻质土回填

码头后方上部采用泡沫轻质土回填时，模型计算结果见图3。图3a)为三维有限元模型计算的使用期最不利工况下整体位移云图，图3b)、c)分别为前板桩弯矩和水平位移，图3d)为PHC桩基轴力。

图3 泡沫轻质土回填模型计算结果

3.2 中粗砂回填

码头后方上部采用中粗砂回填时，模型计算结果见图4。图4a)为三维有限元模型计算的使用期最不利工况下整体位移云图，图4b)、c)分别为前板桩弯矩和水平位移，图4d)为PHC桩基轴力。

图4 中粗砂回填模型计算结果

表2列出了码头后方分别回填泡沫轻质土和中粗砂时的三维有限元模型计算结果及对比。

表2 三维有限元数值模拟计算结果对比

本工程泡沫轻质土回填厚度3.75 m，强度≥1.0 MPa，密度为1.05 kg/m3，相比回填中粗砂，降低了板桩墙的侧向土压力，从而改善了板桩结构受力。

根据模型整体位移云图，土体表层沉降在锚碇结构后侧上方处时较大。这是因为此时锚碇板在拉杆作用下会往海侧产生水平位移，由于下方锚碇桩的嵌固作用，锚碇板上部水平位移大，下部水平位移小，造成板后的土体向下凹陷。在施工过程中，对此处要加强监测并及时采取有效加强措施，避免发生较大的局部沉降。

从表2的计算结果分析可得，码头后方采用泡沫轻质土回填后，土体表层沉降、前墙弯矩、位移、拉杆拉力、PHC桩轴力均有一定程度的降低，码头的整体稳定性增大。其中前墙弯矩、PHC桩轴力减小幅度较大，在采用泡沫轻质土回填时，结合现场施工情况，桩基布置和前墙可以有一定的优化空间，进而提高工程整体经济性。

计算结果表明，采用泡沫轻质土材料对板桩码头后方进行回填，可避免传统回填材料自重较大的缺陷，减少对前板桩墙的土压力，使结构更为安全[6]。

4 结论

1)国内采用泡沫轻质土的码头案例较少，本工程通过PLAXIS 3D三维有限元数值模拟，进行码头后方回填泡沫轻质土和中粗砂2种材料的结构计算，并进行了对比分析。

2)采用泡沫轻质土回填，利用其不可压缩、直立性好、密度小、施工便捷等特点，减小了填土自重和对前墙的土压力，从而减少了板桩码头的水平位移和码头前沿作业地带的沉降，增大了码头的整体稳定性，提高了工程质量。

3)泡沫轻质土的应用，有利于助推板桩码头大型化发展，并可为类似工程的建设提供参考。