超長(zhǎng)組合樁在外海深水碼頭中的應(yīng)用

周枝榮，鄒颋

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

1 工程概況

溫州港樂清灣港區(qū)是溫州港口開發(fā)條件最好的核心港區(qū)之一，為加快港區(qū)的開發(fā)建設(shè)步伐，先期啟動(dòng)溫州港樂清灣港區(qū)一期工程，作為港區(qū)建設(shè)的起步工程。

工程建設(shè)規(guī)模為2個(gè)5萬(wàn)噸級(jí)泊位（水工結(jié)構(gòu)按靠泊10萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船舶設(shè)計(jì)），設(shè)計(jì)年通過能力380萬(wàn)t，碼頭岸線長(zhǎng)度為676 m。

結(jié)合工程的建設(shè)目標(biāo)、地質(zhì)條件、荷載條件、工程造價(jià)等因素，合理確定碼頭樁基型式成為本工程建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。經(jīng)研究討論，推薦采用超長(zhǎng)大管樁組合樁，目前施工單位已完成碼頭主體結(jié)構(gòu)施工。

2 樁基選型考慮的主要因素

2.1 地質(zhì)條件

工程場(chǎng)地屬于低山殘丘附近的濱海相淤積山前平原與海岸地貌，擬建碼頭前沿天然泥面標(biāo)高為-11.7～-14.4 m，碼頭后沿天然泥面標(biāo)高一般為-5.5～-6.5 m。

勘察報(bào)告[1]顯示勘察深度范圍地基主要土層分別是：Ⅰ3灰黃～灰色淤泥，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)小于1擊；Ⅱ1灰色淤泥質(zhì)黏土，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為1～2擊；Ⅱ2灰色黏土，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為3～5擊；Ⅴ1灰色黏土，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)6～9擊；Ⅴ2灰色粉質(zhì)黏土，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為9～13擊；Ⅴ3灰色黏質(zhì)粉土，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為15～32擊；Ⅴ4灰色粉質(zhì)黏土，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為10～17擊；Ⅵ1灰綠～灰色粉質(zhì)黏土，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為11～26擊；Ⅶ雜色中粗砂混礫石，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)一般大于50擊；Ⅷ1灰綠～灰色粉質(zhì)黏土，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為15～32擊。

對(duì)地質(zhì)勘察報(bào)告進(jìn)一步分析，擬建場(chǎng)地表層為軟弱淤泥和淤泥質(zhì)黏土，厚達(dá)30.0～40.0 m，其下為黏土和粉質(zhì)黏土，厚30.0～40.0 m。然而，理想持力層Ⅶ雜色中粗砂混礫石層分布較廣，頂板起伏較小，頂板標(biāo)高一般為-78.0～-85.0 m，厚度一般為1.5～6.6 m。

2.2 荷載條件

碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靠泊10萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船舶；集裝箱裝卸橋輪壓較大，工作狀態(tài)最大輪壓750 kN，非工作狀態(tài)最大輪壓1 000 kN。

3 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

本工程自然條件較差、設(shè)計(jì)水深大、碼頭使用荷載大，基礎(chǔ)宜采用大直徑的樁基。

1） 鋼管樁方案

若碼頭樁基采用φ1 200 mm鋼管樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)需85 m，單根鋼管樁的費(fèi)用達(dá)32萬(wàn)元[2]，且須為滿足樁基耐久性要求，采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)與涂層聯(lián)合防腐蝕措施，此外還需對(duì)樁基的防腐蝕措施進(jìn)行定期檢查維護(hù)。

2） 大管樁方案

若碼頭樁基采用φ1 200 mm大管樁，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)亦需85 m，而長(zhǎng)達(dá)85 m的大管樁除受預(yù)制條件的制約外，其自重就已達(dá)102 t，當(dāng)時(shí)最大的打樁船無(wú)法滿足起吊的要求。

綜上分析，碼頭基樁采用何種既合適又經(jīng)濟(jì)的型式成為工程的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。

4 解決方案

4.1 樁基選型

φ1 200 mm大管樁組合樁（上部為長(zhǎng)68 m的φ1 200 mm預(yù)應(yīng)力大管樁，下部為φ942 mm鋼管樁）總長(zhǎng)可達(dá)85 m。因此，本工程碼頭基礎(chǔ)可考慮的樁型為大管樁和鋼管樁的組合樁。

根據(jù)對(duì)本工程地質(zhì)條件的分析，碼頭結(jié)構(gòu)宜選?、麟s色中粗砂混礫石層作為樁基的理想持力層，而Ⅶ層頂板標(biāo)高一般為-78.00～-85.00 m，當(dāng)樁尖進(jìn)入Ⅶ層1 m以上時(shí)，對(duì)應(yīng)的樁長(zhǎng)需85～92 m，φ1 200 mm大管樁組合樁不能滿足長(zhǎng)度要求。如樁基選用長(zhǎng)度84 m的φ1 200 mm大管樁組合樁，由于未入理想的樁基持力層，為了提高樁基的極限承載能力，組合樁樁尖擬采用半封閉型來提高樁基的樁端極限阻力，以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要。

4.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

依據(jù)本工程水工結(jié)構(gòu)專題報(bào)告[2]和初步設(shè)計(jì)[3]對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的比選分析，推薦碼頭結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆樁帽節(jié)點(diǎn)加預(yù)制橫梁結(jié)構(gòu)。排架間距10 m，每榀排架5個(gè)樁帽節(jié)點(diǎn)，樁基采用φ1 200 mm大管樁組合樁，樁長(zhǎng)84 m，每榀排架布置12根樁。考慮到集裝箱岸橋輪壓大，前后軌道梁下面每個(gè)樁帽節(jié)點(diǎn)各3根呈“品”字型的基樁，同時(shí)考慮承受船舶荷載的需要，中間縱梁下面每個(gè)樁帽節(jié)點(diǎn)各布置1對(duì)叉樁。采用這樣的樁基布置，不僅能使軌道下的樁基和叉樁樁力得到較充分的發(fā)揮，又能使各樁樁力較為均勻。

經(jīng)過對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算，樁基計(jì)算成果詳見表1。碼頭結(jié)構(gòu)斷面見圖1。

表1 碼頭結(jié)構(gòu)樁基計(jì)算結(jié)果Table 1.Calculation of wharf structure pilefoundation

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

5.1 靜載試樁目的

對(duì)于碼頭樁基選型，樁基礎(chǔ)推薦采用超長(zhǎng)大管樁組合樁，但所需樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，是現(xiàn)有施工條件及施工設(shè)備下所能預(yù)制、沉設(shè)的最長(zhǎng)組合樁基。為此，提出對(duì)基樁進(jìn)行垂直靜荷載試驗(yàn)，以達(dá)到以下目的，為最終確定樁基型式與樁長(zhǎng)提供可靠的依據(jù)。

1）通過靜荷載試驗(yàn)確定樁的軸向抗壓承載力推薦值；確定試樁區(qū)各土層的極限側(cè)摩阻力值和極限端阻力值，選擇碼頭區(qū)域基樁的合理持力層；

2） 實(shí)測(cè)試樁在吊運(yùn)過程中樁身應(yīng)力的分布規(guī)律；

3）根據(jù)打樁監(jiān)測(cè)結(jié)果，為合理選擇沉樁錘型及確定停錘標(biāo)準(zhǔn)提出參考意見；

4）通過高應(yīng)變動(dòng)力測(cè)試，將靜荷載試驗(yàn)與動(dòng)力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為工程樁檢測(cè)提供依據(jù)。

5.2 試樁過程

試樁采用2根φ1 200 mm大管樁組合樁，試樁S1樁長(zhǎng)81 m（68 m+13 m，十字板半封閉樁尖）、試樁S2樁長(zhǎng)85 m（68 m+17 m，開口樁），入土深度分別達(dá)64 m和68 m，試樁樁尖分別位于Ⅴ4灰色粉質(zhì)黏土層和Ⅵ1灰綠～灰色粉質(zhì)黏土層，并分別進(jìn)入Ⅴ2灰色粉質(zhì)黏土層及以下黏性持力土層達(dá)6.7 m和10.7 m。根據(jù)樁基試驗(yàn)報(bào)告[4]，S1樁的極限承載力推薦值為9 000 kN，S2樁的極限承載力推薦值≥12 000 kN。對(duì)樁基試驗(yàn)成果進(jìn)行分析，推算樁端承載力折減系數(shù)均超0.8，是港口工程樁基規(guī)范[5]推薦取值的至少1.6倍；由于開口樁尖的樁端承載力折減系數(shù)已超過0.8，樁尖已充分發(fā)揮出接近半封閉樁尖的效用，考慮到十字板半封閉樁尖相比于開口樁尖對(duì)提高樁端承載力的效果并不顯著，最終確定本工程碼頭應(yīng)用的φ1 200 mm大管樁組合樁均采用開口樁型式。此次對(duì)樁尖型式的優(yōu)化將為工程節(jié)約成本約518萬(wàn)元。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.1 Cross-section of thewharf structure

此外，根據(jù)樁基試驗(yàn)報(bào)告，并結(jié)合港口工程樁基規(guī)范[5]和建筑樁基技術(shù)規(guī)范[6]，經(jīng)分析計(jì)算，當(dāng)鋼管樁（0.8 m≤D≤1.2 m，D為鋼管樁樁外徑）樁基入土深度較大（≥60D或60 m）且已進(jìn)入黏性持力土層深度較深（≥7D）時(shí)，建議在計(jì)算鋼管樁的垂直承載力極限值時(shí)，樁端承載力折減系數(shù)可取0.8。

5.3 試樁結(jié)論

1）吊運(yùn)試驗(yàn)所得的彎矩值均未超過規(guī)范規(guī)定的抗裂彎矩值，且彎矩分布較均勻，因此吊點(diǎn)布置是安全合理的；

S1樁采用四點(diǎn)吊進(jìn)行吊運(yùn)試驗(yàn)，S2樁采用六點(diǎn)吊進(jìn)行試驗(yàn)。從試驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)論均可知，無(wú)論是四點(diǎn)吊還是六點(diǎn)吊，最大負(fù)彎矩均出現(xiàn)在吊點(diǎn)位置上，其值在水平狀態(tài)下最大，并隨著樁的傾斜角度增加而減少；最大正彎矩均出現(xiàn)在傾角為45°時(shí)，并隨著傾斜角度的增加開始減小。具體試驗(yàn)成果為：S1樁的最大負(fù)彎矩在R4吊點(diǎn)處，為-527.8 kN·m，相應(yīng)最大混凝土壓應(yīng)力為-4.65 MPa；最大正彎矩在R2與R3吊點(diǎn)跨中處，為412.0 kN·m，相應(yīng)最大混凝土拉應(yīng)力為3.63 MPa。S2樁的最大負(fù)彎矩在R1吊點(diǎn)處，為-502.2 kN·m，相應(yīng)最大混凝土壓應(yīng)力為-4.43 MPa，最大正彎矩在R2與R3吊點(diǎn)跨中處，為306.3 kN·m，相應(yīng)最大混凝土拉應(yīng)力為2.70 MPa。以上彎矩值均未超過大管樁的開裂彎矩值1 224 kN·m。

2）在該工程地質(zhì)條件下，采用D138柴油錘開二檔可以滿足工程樁沉樁施工要求。

3）單樁靜土阻力值和極限承載力推薦值及恢復(fù)系數(shù)詳見表2。

表2 單樁靜土阻力值和極限承載力推薦值Table 2 Single pile static soil resistance valueand the ultimate bearing capacity recommended value

6 工程實(shí)施

本工程碼頭采用φ1 200 mm大管樁組合樁，樁長(zhǎng)84 m，共863根。工程現(xiàn)場(chǎng)已于2013年4月完成了全部碼頭設(shè)計(jì)樁基的沉設(shè)，樁基沉樁總體較為順利，僅出現(xiàn)2根樁在距樁頂7~8 m位置斷樁，經(jīng)分析，斷樁的主要原因是由于外海涌浪作用導(dǎo)致打樁船打樁錘擊偏心而引起的。經(jīng)設(shè)計(jì)確認(rèn)后，在斷樁樁位附近合適位置進(jìn)行了補(bǔ)樁，補(bǔ)樁沉設(shè)無(wú)異常。

經(jīng)對(duì)所有樁基沉樁記錄進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，除1根超高4.45 m基樁由于樁頂裂紋停錘、1根超高約4.9 m基樁由于貫入度3.3 mm而停錘外，其余樁基均沉設(shè)至設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高。樁基總錘擊數(shù)平均為756擊，最終貫入度平均為18.3 mm。

此外，依據(jù)技術(shù)要求，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)碼頭樁基中的20根樁進(jìn)行了高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)，包括沉樁異常的樁基，并對(duì)89根樁進(jìn)行了低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)。經(jīng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果分析，樁基極限承載力均≥9 700 kN，樁身完整性均良好。

根據(jù)碼頭樁基的沉樁情況分析，樁基的沉設(shè)情況良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了工程采用超長(zhǎng)大管樁組合樁的合理性。

7 結(jié)語(yǔ)

通過理論計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及工程實(shí)踐，證明超長(zhǎng)大管樁組合樁在樂清一期軟土地基中的應(yīng)用是可行的。

[1] 溫州港樂清灣港區(qū)一期工程巖土工程勘察報(bào)告[R].上海：中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2010.Geotechnical engineering investigation report on the Yueqingwan Port first phaseproject in Wenzhou Port[R].Shanghai：CCCCThird Harbor Consultants Co.，Ltd.，2010.

[2] 溫州港樂清灣港區(qū)一期工程水工結(jié)構(gòu)專題報(bào)告[R].上海：中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2010.Special report on the hydraulic structure of the Yueqingwan Port first phase project in Wenzhou Port[R].Shanghai：CCCC Third Harbor Consultants Co.，Ltd.，2010.

[3] 溫州港樂清灣港區(qū)一期工程初步設(shè)計(jì)[R].上海：中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2011.Primary design for the Yueqingwan Port first phase project in Wenzhou Port[R].Shanghai：CCCCThird Harbor Consultants Co.，Ltd.，2011.

[4]溫州港樂清灣港區(qū)一期工程試樁工程基樁試驗(yàn)報(bào)告[R].上海：上海港灣工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，2011.Test report for pile foundation in the pile testing engineering of the Yueqingwan Port first phaseproject in Wenzhou Port[R].Shanghai：Shanghai Harbor Quality Control&Testing Co.，Ltd.，2011.

[5]JTS167-4—2012，港口工程樁基規(guī)范[S].JTS167-4—2012，Codefor Pile Foundation of Harbour Engineering[S].

[6]JGJ94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].JGJ94—2008，Technical Codefor Building Pile Foundation[S].