（环境工程专业论文）青岛港木质高桩码头变形预报与稳定性数值分析.pdf

青岛港木质高桩码头变形预报与稳定性数值分析 d e f o r m a t i o np r e d i c t i o na n d s t a b i l i t yn u m e r i c a la n a l y s i so f w o o d e n p i l e - s u p p o r t e d p i e ri nt h eq i n g d a oh a r b o r a b s t r a c t d e f o r m a t i o na n ds l i d eh a v et a k e np l a c ea tb o t ht h es u r f a c eo ft h ep i e ra n d p a r to f t h e q u a yw a l l s i nw o o dp i l e s u p p o r t e d p i e r i n q i n g d a o i nt h i s d i s s e r t a t i o na s y s t e m a t i c a n da 1 1 a r o u n d s t u d y i sc a r r i e do u ti no r d e rt o p r o v i d ea ne f f e c t i v e g u i d a n c ef o rt h ew o r ko f d e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n to f t h ep i e r o nt h eb a s i so fa na l l a r o u n da n a l y s i st y p i c a la r e a sw e r es e l e c t e dt oc a r r yo u tt h e d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g t h em o n i t o r i n gd e p t hf o r m u l a t i o ni sm o d i f i e d t h em o d e l o fn o n - s t a b l et i m es e r i e sr a i s e db yb o x j e n k i n si s a p p l i e dt og i v eam a t h e m a t i c a l p r e d i c t i o no f t h ed e f o r m a t i o nt e n d e n c y t h es t a b i l i t ys t a t u sa n dt h ei m p a c t so nt h e s t a b i l i t y o ft h ep i e rb yt h e l o a d i n g ，h y d r o d y n a m i ca n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa r e a n a l y z e d c o m p a r e d t h ea c t u a l m o n i t o r i n gd a t a ，t h ep r e d i c t i o n m o d e lc a nb e a p p l i c a b l ef o rt h ed e f o r m a t i o np r e d i c t i o no ft h ep i e ri nq i n g d a oh a b o rw i t hh i g h p r e c i s i o n i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，c o n s i d e r i n ga l lt h ee n g i n e e r i n gp r o p e r t i e s ，w ea l s ob u i l da f e mm o d e lt os i m u l a t et h ef a i l u r ep r o c e s so ft h ep i e r t h ei d e a l e l a s t i c p l a s t i c c o n s t i t u t i v er e l a t i o na n dt h e p i l e s o i l c o n t a c te l e m e n ta r e a d o p t e d i nt h ef e m n u m e r i c a l a n a l y s i s i t i ss i m u l a t e dt h a tt h el a t e r a l d i s p l a c e m e n tf i e l d t h e s l i d e d i s t a n c eb e t w e e nt h ec o n t a c ts u r f a c ea n dt h ec o n t a c ts t a t u s w ec o n c l u d et h a tt h e c o n j u n c t i o ni n t e n s i t yb e t w e e n t h ep l a t f o r ma n d p i l e sh a sap r o m i n e n ti m p a c to nt h e d e f o r m a t i o no nt h es u r f a c ea n dt h e r ee x i s t st h e “c u r t a i ne f f e c t ”o ft h e p i l et h a t w e a k e n st h es l i d et e n d e n c yt ot h es e a i ti sc o n f i r m e dt h em o s t d i s a d v a n t a g e o u sl o a d c a s e s t h er e s e a r c hi nt h ed i s s e r t a t i o ni n c a m a t e st h e o r g a n i cc o n n e c t i o nb e t w e e nt h e a c a d e m i cr e s e a r c ha n dt h e a p p l i c a t i o ni np r a c t i c e w eg i v eaq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so f t h ef a c t o r s i n f l u e n c i n gt h es l i d ea n di n t e m a lm e c h a n i c sm e c h a n i s m i to f f e r st h e s c i e n t i f i cb a s i sf o rt h er e p a i rw o r ki nh a r b o rb u r e a u ，a tt h es a m et i m ei t p r o v i d e sa r e f e r e n c ef o rt h es u b s e q u e n tw o r ki nt h er e l e v a n tf i e l d s k e yw o r d s ：h i g h r i s ep i l ep i e r d e f o r m a t i o nm o n i t o r i n g p r e d i c t i o nn u m e r i c a l a n a l y s i s p i l e s o i li n t e r a c t i o n 2 青岛港木质高桩码头变形预报与稳定性数值分析 0 刖罱 高桩码头作为一类码头结构类型广泛存在于我国许多港口中。目前，国内对这 类码头结构的变形、破坏研究尚处于起步阶段，系统化的研究工作还没有开展起 来。对于综合考虑土体的非线性、多相性，以及码头施工、使用过程对桩基性状 影响的研究，则几乎是一个没有涉及到的领域。在实际工程中，码头剩余寿命预 测、岸坡土体与桩基相互作用的整体分析以及码头的破坏机理研究，无论是对于 码头工程桩基设计方案的评价，还是整治措旌的拟定，都是非常关键的环节，这 也正是本文开展相关研究工作的意义。 青岛港是我国沿海地区的重要港口之一，其中有2 1 个木质高桩结构码头。由 于这些码头建造时阃早、长期使用和缺少必要的维护，码头表面和岸壁变形以及 局部滑塌均有发生。为防止因码头失稳造成的人员伤亡和重大经济损失，必须对 青岛港木质高桩码头进行全面、系统的研究，包括码头的现状评价，变形监测与 结果分析，变形预测以及码头破坏机制的数值模拟研究，为码头管理、设计和施 工提供指导。 本文在青岛港选择具有代表性的研究区域，建立变形监测系统，得到一系列 的位移监测资料，并结合物探方法、钻探资料对码头目前的稳定性进行了评价， 并对未来的发展趋势进行了预测：同时， 受力体系”开展了相应的数值分析工作， 理。 采用有限元数值方法对整个“岸坡一桩基 比较深刻、全面的揭示了码头的破坏机 回顾我们的工作，做了一些开拓性的尝试，本文的部分研究成果已经分别发 表在中国勘察与岩土工程( 2 0 0 2 ，1 2 ) 和被岩石力学与工程学报接收发表。 由于作者水平有限，文中难免有错误与不足，希望同行专家不吝赐教，给予 批评指正。 1 研究意义、现状及技术路线 1 1 研究意义 我国是一个海洋大国，根据联合国海洋法公约2 0 0 海里专属经济区原则， 中国管辖的海域面积有3 0 0 万平方公里，在自北向南长达1 8 0 0 0 k m 的海岸线上港 口码头众多，这些沿海地区依靠港口对其腹她的辐射作用业已成为我国经济发展 中最具活力的地区。港口码头的建设对我国开发海上的运输能力、扩大对外交流 和贸易、带动国民经济的持续、健康发展起着至关重要的作用。同时，港口码头 的建设也具有重要的战略意义，对我国建设海洋强国、保障国土安全也将起到举 足轻重的作用。 我国目前使用中的很多高桩码头都是建于6 0 、7 0 年代，甚至是更早的上世纪 初期，至今已经有几十年到百年的历史，老化、破损都不同程度的出现在这些结 构物上。有些码头已经发生过滑塌等工程事故，亟需进行整治：有的则需要进行 当前性状的调查研究，以对未来的使用寿命进行评估和预测，或进行相应的防范。 因此，开展针对港口码头的结构安全性研究工作具有重大的现实意义。 码头结构的安全性问题是一个涉及结构力学、土力学、材料学、水文动力学、 工程地质学以及桩一土耦合、数值计算等多学科交叉性的研究课题。特别是对一些 高桩码头，由于传统的码头工程桩基基础设计方案在理论上存在很大的缺陷一缺乏 对桩土相互作用问题的深入考虑一使得很多这类码头工程在施工期间或是竣工后 不久就出现断桩、裂桩，承台发生较大位移或整个码头出现显著的水平位移、差 异沉降等现象，严重影响码头的安全使用，甚至导致无法使用。从这个方面来说， 开展这方面的研究工作将会直接促进与之相关领域学科的发展，同时为今后的工 程设计以及施工提供有意义的参考。 青岛港是我国沿海地区重要港口之一，位于山东半岛南端的胶州湾内，毗领黄 海，终年不冻不淤、浪小涌缓，拥有天然的深水航道，水深都在1 2 m 以上，最深 航道水深达2 1 m ，是我国少有的天然良港。青岛港具有1 1 0 年历史，是一个现代 化国际亿吨大港，主要从事集装箱、煤炭、原油、矿石、粮食等各类进出口货物 的装卸、承运和国际、国内客运。它的正常运转与否将影响到山东半岛乃至整个 港口腹地的经济发展情况。青岛港的2 1 个木质高桩结构码头基本上建于上一个世 青岛港木质高桩码头变形预报与穆定性数值分析 纪的初期，已有百年历史。由于长期使用和缺少必要的维护，码头表面和岸壁变 形以及局部滑塌偶有发生。例如，1 9 4 6 年9 月2 2 日5 号码头3 2 、3 3 泊位的1 1 2 m 长的岸壁发生滑塌，承台落入前沿港池；1 9 9 3 年1 0 月3 日一号码头4 泊位又有 l o o m 岸壁倒塌，岸壁落入翦沿港池。这些事故的发生促使人们对码头的安全性监 测和整治给予高度的重视，并积极开展该领域的研究工作。为防止码头失稳造成 的重大损失，必须对青岛港木质高桩码头进行系统、全面的研究，包括码头的现 状评价，变形监测，结果分析、预测以及码头破坏机制的数值模拟研究，为码头 管理、设计和施工提供指导。 1 2 高桩码头的研究现状 本文以青岛港木质高桩码头为主要研究对象。高桩码头不仅在青岛港存在，在 我国的其它地方，如天津港等，也有定数量的分布。目前国内对这类码头结构 的变形、破坏研究尚处于起步阶段，系统化的研究工作还没有开展起来。而在综 合考虑土体的非线性、多相性，以及码头施工、使用过程中对码头桩基性状的影 响等方面的研究几乎还是一个没有尝试的研究领域。 已有的研究工作主要集中在对码头结构体的结构分析。例如：王俊有等( 1 9 9 8 ) 针对已经受损的高桩码头开展了相应的研究工作，提出了一些修复、使用方法的 建议：姚辉，蒋乐群等( 1 9 9 6 ) 利用澳大利亚的m i c r o s t r a n 杆件程序采用平面计算 方法对系缆力、门机力及撞击力作用下的结构内力进行了分析计算；刘富强，张 建国等( 2 0 0 1 ) 对商桩码头的钢筋混凝土构件由于钢腐蚀诱发的结构潜在不稳定 性进行了探讨。另外，李飒，闰澍旺等( 1 9 9 9 ) 采用简单条分法对高桩码头的岸 坡稳定性进行了计算、分析：廖雄华，张克绪等( 2 0 0 2 ) 利用有限元方法对天津 港在清淤疏浚过程中对桩一岸坡体系的扰动进行了数值研究。 从目前已经对高桩码头所开展的研究情况来看，基本上可以分为两类：一方面 是将高桩码头作为一个单一的结构体进行研究，探求其在外力或者是其它因素作 用下结构的反应，属于结构分析的范畴；另一方面则是考虑了码头本身以及地基， 将之作为一个整体纳入研究范围。实际上，高桩码头的变形、破坏往往是和它所 处的工程地质环境紧密相关的，这是一个涉及桩土耦合、结构变形、稳定性的综 合问题，抛开地基土单独的去研究码头结构只是在一定的情形下才是有意义的。 青岛港木质高桩码头变形预报与稳定性数值分析 如果我们要对高桩码头的变形、破坏有一个比较全面、系统的认识就必须将地基 土和码头结构视为一个整体，并对之进行现场的长期监测、预报，利用已有的结 构、力学控制方程开展数值模拟工作，以揭示机理，认识问题的本质，进行相应 的工程改进和灾害预防。 1 ，3 码头变形预报与数值分析相关领域研究现状 结合青岛港木质高桩码头本身结构特征和当地的工程地质性质对码头进行全 面研究需要开展以下三个方面的基础研究工作：码头的变形监测，时间预测和空 间预测以及对非线性结构体系的数值模拟。在本节中将对以上三个问题的研究现 状做个简要的概述，以充分利用已有相关学科的研究成果并对其进行发展，使 之能够成功用于青岛港木质离桩码头变形预报与数值模拟研究中。 1 3 1 边坡变形监测技术的发展现状 一般而言，边坡可以大致分为两类，已经发生变形破坏和可能发生变形破坏的。 无论对哪种边坡而言，对之进行变形监测都是一个具有重要意义的工程问题。建 立变形监测系统不仅能够事先捕捉到边坡或结构物的变形破坏的前兆，而且在探 求变形破坏的原因方面也能起到积极的作用。通过变形监测可以及时预测、预报 滑坡发生变形、破坏的时问和空间位置；确定滑坡发生的诱发因素；对已有的理 论模型的正确性进行验证分析，提供改进依据。目前，边坡变形监测的方法、原 则随着科学研究和工程实际需求的增长已经得到相当程度的发展( 赵望生，龚文 慈，1 9 9 6 ) ，现代高精尖端技术手段已经被大量运用到边坡的变形监测中，例如 g p s 、近景摄影测量、激光技术、数据自动采集、多媒体可视化监测技术等。 在g i s 支持下，融g p s 、r s 以及常规监测手段为一体的3 s 工程在监测领域 中的应用，自动化监测技术得到了很大的完善，特别是崩滑体的自动化监测在国 内外都有成熟的设备与技术。3 s 实时工程分析系统利用g i s 的庞大数据库完成岸 坡的地质分区、岸坡变型机制和稳态定量研究，以及危险岸坡的预测预报。在常 规监测中，李迪、马水山等( 1 9 9 5 ) 通过十几年在长江三峡库岸的变形监测中积 累的解释、识别位移曲线的经验，提供了判识边坡稳定性的方法。 边坡的变形监测是一项系统工程，任何一个环节出现问题都将导致整个监测结 青岛港木质高桩码头变形预报与稳定性数值分析 果的不可靠。因此，在建立交形监测系统之前一定要结合当地的实际情况，合理 设计、建立监测系统。国内外很多学者( 李铁汉，1 9 9 6 ；胡其裕，1 9 9 5 ；宋恩来， 2 0 0 2 ：a n g e l i m g ，2 0 0 0 ) 都对这一问题进行了研究，对一些实际工作中应注意 的问题也进行了讨论，提出了许多可行的建议。这些研究成果对本文在青岛港建 立码头变形监测系统起到了重要的指导作用。 变形监测系统的建立应该严格满足现有规范的要求，在没有得到充分的实践检 验之前不宜对之进行更改，这点必须在实际的工作中严格执行。 1 ，3 2 滑坡预测预报问题研究 滑坡预测预报问题研究是减轻滑坡灾害的关键。自2 0 世纪7 0 年代以来，由于 数理科学的突破性进展以及计算手段的提高，预测科学取 ! 导了长足进展，学科的 相互交叉与渗透使得滑坡灾害预测也得到了较大的发展。在滑坡研究的早期，基 本上是以宏观现象和经验分析为主，逐渐发展了时空预测的信息量法、灰色系统 预测法、统计分折等定量和半定量分析方法。近年来，耗散结构理论、混沌动力 学、协同论、突变论、分形理论等非线性方法也被渗透于滑坡预测中，而且随着 人类认识水平和研究手段的提高，发展了定性、定量相结合的综合研究方法，如 专家系统预测方法等。 在岸坡稳定性分析与预测研究中，大量的学者作了有益的尝试。邓清禄( 2 0 0 2 ) 在三峡库区将神经网络方法应用到滑坡预测中，该方法虽然具有相当的精度，但 对陌生的样本也会出现错误：魏安等人( 1 9 9 7 ) 根据1 2 条铁路干线上的1 3 9 个边 坡资料，采用多元统计分析中的逐步判别灰色系统分析方法开展了相应的工作， 取得了一定的成果，但该方法在选择判别参数时要求极其严格。 迄今见于报道的滑坡灾害空间预测评价方法可归纳为统计学方法、敏感性制图 方法、信息论方法以及各种经验方法( h a r u y a m am 1 9 8 4 ；k a w a k a m ih s a i t o y ，1 9 8 4 ；黄润秋等，1 9 8 8 ；w a n g n e r a ，e ta 1 ，1 9 8 8 ) 。但是国内在滑坡长期作用方面 的研究进展缓慢，有系统报道的成果很少，研究成果缺乏连续性且尚无系统规律 可循，仍处于探索性研究阶段，其中时间序列分析得到了长足的发展。f a r m e r 于 1 9 8 7 年提出了用重构相空间来进行长期预报的思想和个简单的“局域近似”模 式：即利用参考相点的最邻近的演化态，作为该参考态的未来演化态；林振t h ( 1 9 9 3 ) 青岛港木质高桩码头变形预报与稳定性数值分析 将混沌理论和统计理论相结合，提出了长期预报的相空间被动式模式和主动模式； 周家斌( 1 9 9 1 ) 在这方面也提出了一些预报模式并运用于实际问题的预报中。近年， 随着非线性时间序列分析理论和方法研究的不断深入，在物理、天文、生理等领 域得到广泛的应用( s a n t af et i m es e r i e sp r e d i c t i o na n da n a l y s i sc o m p e t i t i o n ，1 9 9 1 ) ， 最早应用于地球科学的著名例子是对气候吸引予的研究( n i c o l i sc 与n i c o l i s g ，1 9 8 4 ，1 9 8 7 ；g r a s s b e r g e r , 1 9 8 6 ；p m c a c c i a , 1 9 8 8 ) ，但是在地球科学的许多领域中还没 有被引入，地学工作者对它还比较陌生，这方面有许多工作要做。 由于本文中变形监测得到的数据样本具有近似等时间间距、小间距的特性，所 以将时间序列分析方法引入到滑坡预报、预测中，为后人的码头变形预测研究提 供一定的借鉴。 1 。3 3 非线性岩土力学数值模拟及桩土耦合问题的研究现状 迄今为止，对于连续介质人们已经在理论上建立了许多关于材料的应力一应变一 时间一温度之间相互影响关系的本构方程，关于物体力学平衡条件的运动方程，关 于位移和变形协调条件的几何方程，以及相应的边界条件方程。这些方程系统一 起构成了用来描述不同材料介质在外界作用下所表现出来的物理力学性质。但是， 这些控制方程( 组) 普遍存在两个问题：首先是其中的本构方程不是普遍适用的。 例如对弹性固体而言，在荷载作用下发生变形与时间无关，卸除外力以后能够完 全恢复原有构型，对这类材料的本构关系往往以简单的线性虎克定律来描述。如 果我们要去解决在外力作用下既有弹性也有粘性变形特征或者是明显具有塑性变 形特征的材料问题时，也采用虎克定律就不合适了。因此，针对不同的问题应考 虑采用、建立不同的本构方程。其次是这些控制方程的求解问题。上述的控制方 程组由于受到材料本身的非线性特性影响，往往呈现出拟线性或者是完全非线性 特性( 材料非线性问题) ，这给方程的求解带来了很大的困难。而且，在求解之前 还必须施加特定的边界条件和初始条件，这些定解条件本身或者其影响作用往往 也会诱发出现强烈的非线性现象，例如不同材料的接触面引起的接触非线性，材 料大应变以及大变形引发的边界滑动进而引起的几何非线性等。 长期以来土体一直被视为连续介质加以研究，建立了许多的土体本构关系方 程，并得到广泛的应用。本文的研究难点是桩一土的耦合问题。这既涉及到土体本 青岛港木质高桩码头变形预报与稳定性数值分析 构关系的材料非线性以及大变形的几何非线性问题，还涉及到桩一土接触边界的接 触非线性。这些都是一直存在于非线性连续介质力学研究问题中的难点。 目前，国内外对桩一土结构物的研究也有了一定的进展，处于前沿性的研究方 法是将士体一桩结构相互作用问题作为一个整体的力学问题来考察。国外的 l p c t e r s o n 、l r h e r m a n n ( 1 9 7 8 ) 等人都较早讨论了有限元数值分析在接触问题中的 应用；魏汝龙( 1 9 9 2 ，1 9 9 4 ) 研究了桩基与周围土体的相互作用，对桩一土相互 作用的力学机制作了较充分的解释：廖雄华在其2 0 0 0 年7 月的博士学位论文中结 合工程实例作了更逼近问题原型的数值模拟分析。关于接触面力学行为的模拟方 面的研究，g o o d m a n ( 1 9 0 4 ) 、z i e n k i e w i c z 等( 1 9 7 0 ) 、g h a b o u s s i 等( 1 9 7 3 ) 、k a t o n a 等( 1 9 8 8 ) 、h e r r m a n n 等( 1 9 7 3 ) 、k a u s e l 等( 1 9 7 9 ) 、d e s a i ( 1 9 7 7 ) 等，以及国内的 殷宗贝( 1 9 9 4 ) 、雷晓艳、杜庆华( 1 9 9 4 ) 等都傲过大量工作。g o o d m a n 等人在针对岩 体力学静力分析问题中的岩体节理而提出了无厚度g o o d m a n 界面元，它无论是 从单元的数值模型，还是从单元的本构假设等方面来看，都是对界面接触行为的 最简单、最直接的描述。其不足之处是迭代求解过程中数值病态问题严重，而且 只能模拟开裂和滑移两种接触状态，无法模拟接触面的闭合状态。d e s a i 等人提出 了d e s a i 薄层界面单元，它克服了g o o d m a n 单元类型不能模拟法向闭合变形 的缺点，但是该单元在理论上还存在一些不完善的地方。殷宗则等人分析了接触 面的剪切变形特性，提出了有厚度的接触面单元的观点，把普通连续体单元的应 变模式根据接触界面的力学行为特征进行了恰当分解。应变分为两部分：一是土 体的基本应变 暑 不管滑动与否都是存在的，它与其它土体单元一样；二是界 面接触应变 占卜只有当剪应力达到抗剪强度，发生滑动或接触受拉产生张拉破 坏时才存在。虽然该单元在界面元的本构加上理想化方面前进了一大步，但也没 有从根本上克服模型本身的几何性态问题。 本文采用接触单元模拟桩一土之间的力学行为，两片接触面之间假想为微小的 弹簧所连接，引入罚函数法协调接触界面的关系。通过施加恰当的罚刚度，弥补 了g o o d m a n 单元迭代求解过程中出现的数值病态问题和难以收敛的不足。并结 合有限元程序自身的优势，对接触界面间的滑移和状态做了模拟，解决了前人在 该领域的研究中所没有解决的问题。 1 4 青岛港木质高桩码头变形研究的技术路线和主要研究内容 青岛港木质高桩码头变形预报与稳定性数值分析 为了对青岛港木质高桩码头的变形进行比较全面、深入的研究，本文按以下的 技术路线开展了大量的研究工作。研究内容基本分为外业实测、室内资料分析以 及数值模拟三个部分： 1 根据前人做过的实地勘查资料，选取青岛港一号木质高桩码头作为典型研究 区域，布设观 钡i f f l 进行实地变形观测，获取第一手的实测变形资料，用于变形预 测和数值模拟对比。自2 0 0 0 年4 月- 2 0 0 0 年1 1 月，共布设5 个变形监测孔，进 行连续的侧向位移监测，获 导该段时阃内的潮位资料、地表变形资料以及深层位 移资料。 2 根据取得的变形监测资料，利用b o x - j e n k i n s 提出的时间序列分析方法建立 青岛港木质高桩码头变形预测数学模型。对滑坡失稳进行空间预测以及中、短期 的时间预测，并结合研究区域的地质条件、水动力条件以及码头表面荷载对码头 稳定性影响因素进行分析。 3 对研究区域的地质条件进行概化，确定合理的边界条件，利用大型通用有限 元程序，结合土的本构模型对码头土体和桩的整体受力体系进行数值模拟，对该 区域的位移场、位移矢量场、以及不同工况荷载条件下的位移场进行模拟。在该 部分工作中特别模拟计算了岸坡一桩接触面的滑移距离、接触状态等。 4 结合码头的水动力条件以及工程结构性状，分析实际监测资料以及数值模拟 结果，以进一步揭示桩一土耦合体系的相互作用和码头发生变形的物理、力学机 制，以及码头目前所处的稳定性状态，进一步分析码头的破坏机理。 青岛港木质高桩码头变形预报与稳定性数值分析 2 码头的工程地质条件和结构特点 在对青岛港木质高桩码头的稳定性进行系统性研究之前，有必要对研究区域的 地质结构特点和工程性状进行勘察、分析，以了解其所在区域的地质背景和结构 物自身的特点。 2 1 地质条件介绍 青岛港木质高桩码头的结构( 图2 - 1 ) 由钢筋混凝土前板桩、木质高桩、混凝 土承台组成。码头承台顶面标高6 o r e ，原始底面标高o 8 一1 o m 。木桩顶部深入 t f 波浪产生的上托力 f 一波浪产生的水平荷载 一：空琨c xj 钻孔 里：1 3 ：q 幽木桩桩底标高 图2 - l 青岛港木质高桩码头结构示意图 青岛港木质高桩码头变形预报与稳定性数值分析 混凝土承台，桩顶部标高1 8 m ，木桩底部贯入原始海底面下的地层中，木桩底标 高一1 2 o 一1 4 5 m ，原海底标高- 7 5 m ，木桩入土深度4 5 7 5 m 。木桩木质为美国 红松，桩径4 0 c m ，按4 ：l 坡度前后倾斜交叉，前倾木桩每排4 根，后倾木桩每 排5 根，排距1 5 m ，前后间距l m ，桩间有钢构件相连。海底面以上的木桩之间用 中砂充填。海底面以下地层为淤泥混砂、皿粘土、中粗砂、花岗岩。作为木桩持 力层的亚粘土层空间展布连续，厚度6 0 5 0 0 c m ，内聚力2 3 5 4 k p a ，内摩擦角8 2 9 度。 根据2 0 0 0 年1 1 月对青岛港l 号、2 号码头改造工程的勘查钻孔的土样资料整 理获得地层剖面柱状图( 见附图) 。 2 2 曾发生的滑坡描述 1 9 4 6 年9 月2 2 日，5 号码头3 2 、3 3 泊位共计1 1 2 m 长的岸壁发生滑塌，承台 落入前沿港池。1 9 9 3 年1 0 月3 日一号码头4 泊位又有l o o m 岸壁倒塌，岸壁落入 前沿港池。滑塌发生后在距码头岸壁2 4 m 处地表见拉裂缝，为滑塌后缘位置：在 港池中离原岸壁6 m 发现基本保持直立的老承台，离岸壁1 5 m 以外仍见原木桩间 混凝土及木桩分布( 图2 2 ) 。 图2 - 2 一号码头4 泊位9 3 1 0 3 滑塌破坏情况 塌岸段两端，原码头岸壁以3 0 。角度被牵引滑入港池，滑体后缘圆弧状特征 青岛港木质高桩码头变形预报与稳定性数值分析 明显( 图2 - 3 ) 。 图2 - 3 一号码头4 泊位9 3 1 0 3 滑塌后缘拉裂弧 2 3 木质高桩码头工程结构性状 现有的青岛港木质高桩码头前板桩已发生断裂，导致木桩间充填的中砂漏失， 进一步引起混凝土承台底部的侵蚀。为防止码头工程结构的迸一步破坏，1 9 5 3 1 9 5 8 年曾将木桩周围的中砂抽出，进行了水下混凝土灌注，图( 2 - i ) 中所示的码 头承台下面的新混凝土即由此形成。p u l s ee k k o 1 0 0 型探地雷达探查结果( 单 红仙，1 9 9 7 ) 显示，老承台与新混凝土之间空硐发育严重，局部已经贯通承台底 部。空硐位置附近木桩腐蚀严重，老承台与木桩桩头之间连接十分脆弱，码头稳 定性存在严重的安全隐患。 目前，青岛港二号码头1 3 泊位、1 4 泊位、1 5 泊位的雷达探测结果表明：码头 新砼完整性较好，界面清晰：老砼承台完整状况，新、老砼结合状况不同地段差 异较大，具体可分为四类： 1 老承台基本完好，其内虽有裂隙发育，但目前还没有产生空硐，新、老砼 结合较好： 2 老承台主体基本完好，底部有局部空硐发育，但并未贯通，新、老砼局部 结合不好； 青岛港木质高桩码头变形预报与稳定性数值分析 3 ，老承台主体基本清晰，但其底部空硐发育，并已贯通。新、老砼结合不好： 4 老承台侵蚀严重，仅部分残留，新、老砼间发育大规模空硐。 综上所述，影响码头工程性状主要因素为承台完整性、砼强度、木桩腐蚀情况、 承台上部回填砂密实度等，现对这些因素进行详细的分析比较。 果。 1 承台完整性 以下各表中列出青岛港二号码头的第1 3 、1 4 、1 5 号泊位的承台完整性评价结 表2 一i 二号玛头1 3 号泊位承台完整性综合表 1 类2 类 3 类4 类 百分比2 6 3 l2 2 3 62 3 6 3 2 7 6 3 表2 2 二号码头1 4 号泊位承台完整性综合表 f 1 类2 类 3 类4 类 f 百分比1 3 7 54 0 0 0 3 2 5 01 3 7 5 表2 - 3 二号码头1 5 号泊位承台完整性综合表 i 类 2 类3 类 4 类 f 百分比2 8 9 i3 8 5 5 3 0 1 22 4 0 从上面各表中可以看出，已探测的二号码头泊位中有近一半区段属于3 类、4 类，完整性相当差，严重威胁码头的安全使用。 2 混凝土的强度 为取得混凝土强度的实测数据，采集了具有代表性的样品分别进行了点荷强 度和v p 值的岩样测试、钻进时程曲线分析、孔内波速测定等。 ( 1 ) 岩样测试 为了便于对比，选取了5 0 年代灌注的砼( 通称新砼) 样2 0 块。码头表面近 年浇注的砼样品7 块进行测试。老砼因无法采到完整试样只选取其骨料5 块，进 行强度荷波速测试。测试结果显示：桩问新砼抗压强度平均值为3 9 8 m p a ，抗拉强 青岛港本质高桩码头变形预报与稳定性数值分析 度平均值为1 6 8 m p a ，纵波波速为2 9 2 2 m s ；地表近期浇注的砼抗压强度平均值为 4 7 8 m p a ，抗拉强度平均值为2 0 3 m p a ，纵波波速为2 9 1 0 m s 。两者比较接近，说 明新砼的强度方面完全能够满足工程要求：老砼未能采集到完整试样，但其骨料 强度相当高。 ( 2 ) 钻进时程曲线分析 钻进时程曲线分析表明：地表新浇注砼的钻进速度为o 0 2 0 0 4 m r a i n ，老砼 钻进速度为0 0 4 0 1 6 m m i n ，桩间新砼钻进速度为0 0 2 o 0 4 m m i n ，强风化花岗 岩钻进速度为o 1 o 1 4 m m i n 。钻进曲线反映出桩间新砼强度较高，与地表新浇注 砼相近，而老砼强度差男日较大，个别地段与强风化花岗岩钻进速度相近。 ( 3 ) 孔内波速测试曲线 孔内波速测试结果表明：老砼的v p 平均值为2 0 0 0 m s ，新砼v p 平均值为 2 6 0 0 m s 。v p 值表明老砼近于强风化花岗岩；新砼完整系数j 印= 0 7 9 ，完整性较 好。 由上可以看出新砼的强度较高，完全满足工程要求，完整性较好；老砼强度 差别较大，个别地段与强风化花岗岩钻进速度相近，骨料强度较高，与强风化花 岗岩近似。 3 木桩腐蚀性 木桩是码头的主要受力构件，其腐蚀程度对码头的稳定性具有重要的作用。木 桩的木质为美国红松，桩径4 0 c m 。2 号孔在3 9 - - 5 8 m 见木桩，其中3 9 4 8 m 段 木质新鲜，较坚韧：4 8 5 5 m 段木质腐蚀严重，手可掰开。雷达显示3 9 4 8 m 为老承台，4 8 5 5 m 为空硐。4 号孔4 6 6 3 m 见木桩，其中4 6 5 6 m 腐蚀严重， 5 6 6 3 m 木桩完整，木质新鲜，纹理清楚，后段位于新砼中。此二处钻探结果显 示：空硐发育段木桩腐蚀严重，而位于新、老砼中的木桩工程性状完好。 4 承台上部填土 承台上部填土以砂和碎石为主，呈松散一稍密状态，动力触探击数3 1 2 击， 密实程度相差较大。 青岛港木质高桩码头变形预报与稳定性数值分析 2 4 工程隐患分析 由以上四个方面的分析。我们可以看出码头的工程性状较差，主要表现在一下 三个方面： 1 同地段承台完整性差异很大，部分老承台侵蚀严重，新、老砼结合不好，空 硐贯通承台底部。 2 空硐发育部位木桩腐蚀严重，位于新、老砼之中的木桩工程性状良好。 3 承台与木桩桩头之间的连结十分脆弱。在外界诱发因素作用下老承台随时可 能滑落、塌陷；现有空硐的存在、前板桩的断裂也为木桩近一步腐蚀、老砼的进 一步侵蚀也提供了便利通道与空间，必然导致老码头工程性状的进一步恶化。 青岛港木质高桩码头变形预报与稳定性数值分析 3 变形监测 变形监测是研究和防治滑坡的重要环节之一。通过监测可以掌握滑坡的变形 特征和发生、发展规律，预测、预报滑坡体的边界条件、空间规模、发生时间及 危害性，以便及时采取相应的防治对策，尽可能避免或减轻滑坡引起的经济财产 损失和人员伤亡。同时，根据边坡岩土体的变形范围和发展趋势，确定滑动面的 位置、形态，为防治工程设计提供依据，并进而检验防治工程的效果。 3 1 滑坡监测 目前，国内外滑坡的监测技术水平已达到一定程度。从原来的人工监测逐渐过 渡到仪器监测，并正向高度的自动化遥测系统方向发展。监测仪器也在不断更新， 随着计算机技术和测量技术的发展，激光测距仪和高耪度电子经纬仪正在为滑坡 监测提供更新的手段。 滑坡变形监测包括地表位移和地下位移监测，即地表位移监测和深部位移监 测。地表位移监测资料在滑坡中的应用主要表现在以下几个方面： 1 确定滑坡周界和分级分块：根据观测点是否移动和位移矢量的差异，结合地 面裂缝及变形特征，可以确定滑坡周界，或区分老滑坡上的局部移动，或从滑坡 群中区分各单个滑坡。 2 确定滑坡的主滑线：从位移矢量图中找出每一横断面上位移量和下沉量最大 的点。这些点的连线即为主滑线。 3 确定滑体不同受力区域：根据沿滑动方向上各观测点的平面位移量，各测点 间的应变值可按下式进行计算： 前后两观测点的位移差( r a m ) 。 观测点间距( 棚) 从而分析出两观测点问的土体的拉伸、压缩受力状态，并在滑坡的平面图和剖面 图上圈出滑体的拉伸区和压缩区。滑体的受力状态分析对滑坡防治工程设计有重 要的实用价值。 般，在计算过程中规定应变值占 0 时为受压状态，占 0 时受拉状态。为简 便起见，可只对主轴断面进行计算分析。 4 确定滑坡变形速度：对观测点两次观测的变形量之差除以两次观测的时间间 青岛港术质高桩码头变形预报与稳定性数值分析 隔，即为该点在这段时间内的平均变形速度，即： 两次观测间的位移差( 用肌) 。 观测时间间隔( m o n t h ) 为深入研究滑坡的发生机理，全面掌握滑坡的动态过程，测出滑体不同深度各 点的位移量和方向是十分必要的。因此，除了地表位移监测外，还应进行滑坡深度 位移监测。深度位移监测可准确掌握正在活动的滑坡面的位置、位移速率、滑坡带 的数目及滑坡体随深度的位移变化情况，为滑坡的稳定性评价、预测预报及防治工 程设计提供第一手资料。此外，由于滑坡在多数情况下为非整体性移动，位移首先 出现在内部，逐渐向上传递至地表，因此通过深部位移监测对滑坡的稳定性评价和 早期预报具有实际意义。常用的监测方法有：测斜仪法、放射性同位素法、应变管 法等。其中，采用测斜仪法确定深部滑动面的位置较为经济有效，该方法还可以用 来判明位移大小、位移方向和位移方式等。目前在岩土工程原位监测中使用最广泛 的是垂向测斜仪。 斜坡的变形破坏具有阶段性，其变形典型的位移历时曲线可分为3 个阶段，即 初始变形阶段、稳定变形阶段和加速变形阶段( 图3 1 ) 。 位移 o 图3 - l 斜坡变形典型位移历时曲线 时间 尽管由于降雨、地震、人类活动等因素的干扰，大多数情况下位移历时曲线具 有不同程度的波动而呈振荡型或阶跃型，但经过滤波、累加生成等一定的处理，可 判定斜坡的变形破坏阶段。如果将位移监测资料与斜坡变形破坏现象结合起来，能 青岛港木质高桩码头变形预报与稳定性数值分析 更准确地判定斜坡的变形阶段。 3 2 木质高桩码头变形监测系统的建立 在对青岛港木质高桩码头进行现场原位变形监测的过程中遵循常规滑坡监测 方法技术要求。建立码头变形观测系统的技术重点集中在钻孔测斜管的埋设和测 量仪器与方法的选择两个方面， 3 2 1 成孔及测斜管的埋设 在实测码头距岸壁1 0 3 4 m 处沿平行岸壁方向布设5 个钻孔，孔号分别为e x l 、 c x 2 、c x 3 、c x 4 、e x 5 。钻孔平面布置( 图3 2 ) 如下： 图3 2 码头侧向位移观测点现场布置图 五个钻孔均钻入基岩以下，深度分别为2 5 m 、2 6 5 m 、2 6 m 、2 5 m 、2 6 m 。为保 证后续监测结果的可靠性，要求测斜孔的孔斜小于l 。以达到铅直性要求。钻孔终 孔孔径为7 0 r a m ，采用泥浆护壁措旌以保证钻孔的稳定性。 成孔以后需要进行测斜管的埋置。测斜管每节长为2 m 。埋设过程可按深度将 测斜管一次接成或连接成几段，或逐节在孔口接成所需的长度。考虑到现场的钻 孔深度，采用两节逐渐加长的方法。连接时用经纬仪测量导向槽方向，使其对准 预测的方向，即平行岸壁和垂直岸壁的方向，同时采用螺丝同紧措施咀保证导向 槽的对正。根据实际情况用人力和钻机将装好的两节测斜管对正平行岸壁和垂直 岸壁方向缓慢放下。至孔内约3 ，5 m 深度后，将其固定并连接已预接好的下两节管。 以此类推，直到测斜管达到孔底。多余的测斜管截至与地面齐平，以免被车辆、 重物等压坏。 完成测斜管的安装以后将测斜管与孔壁之间的空隙用砂回填，并振动捣实，使 青岛港木质高桩码头变形预报与稳定性数值分析 之成为整体，以免晃动，影响测量结果的准确。 最后，在管口上安装保护盖以防人为损坏和杂物掉入。 以上成孔及测斜管的埋设是建立变形监测系统的基础工作，须严格执行作业要 求，确保安装质量。 3 2 2 变形监测设备及测量原理 外业作业过程中采用任丘市北方仪器厂生产的5 5 1 5 滑动式测斜仪进行变形 监测。该测斜仪以石英挠性伺服加速度计为敏感元件，通过测头内加速度计测量 重力矢量g 在传感器轴线垂直面上的分量大小实现的。加速度计敏感轴在水平面 内时，矢量g 在敏感轴上的投影为零；当加速度计敏感轴与水平面存在一个倾角 。时，加速度计将收到一个电压信号。 3 2 2 1 测斜仪组成部分 滑动式测斜仪组成大致可分为四部分：装有重力式测斜传感元件的测头、测读 仪、连接测头和测读仪的电缆、测斜管。 1 测斜仪测头：测头是倾斜角传感元件，测斜仪的核心，是测量信号的来源处。 测斜仪的测试过程是：当测头处于竖直状态时，测头中的传感器处于零位，传感 器( 数显测斜仪采用石英挠性伺服加速度计) 的敏感轴处于水平状态，此时的输 出值称为零偏，一般情况下零偏总是存在的，为了消除零偏的影响，采取正反两 次测试的代数和，作为一个方向上的测试结果。现在采取如下坐标系做进一步的 说明，坐标系( 图3 - 3 ) 所示。 西佃) 北 东征) 图3 - 3 测试方位与平面坐标系示意图 耋苎鲎查垩查竺里墨壅丝堡堡皇整塞丝墼堕坌堑 为了适应平面坐标系的习惯，测试时将上导轮朝东，使测头处于要测的深度， 当测头( 即加速度计) 的敏感轴与基准轴( 重力加速度线) 有一个夹角。时，加 速度计就有一个输出值： ，= 爿+ k g x s 细口( 3 1 ) 式中：彳一加速度计的偏值( 零偏) ；矗r _ 加速度计的标度因数：矿一重力加速度； 护一倾角。 2 测读仪：测读仪应和测头配套选择与使用。其测量范围、精度和灵敏度， 根据工程需要而定。测读仪是实现测斜仪测头数据的显示和输出的二次仪表。数 显测斜仪的测读仪分为直读式和存储式两种。直读式测读仪是由观测者将现场测 试数据直接从显示屏上读取数据，由人工记录和处理数据，直读式测读仪由十迸制 模数( a d