淺埋堅(jiān)硬巖層地質(zhì)下樁基設(shè)計(jì)

許建武，沈迪州

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

1 工程概況

喀麥隆Kribi深水港項(xiàng)目是喀麥隆國家重點(diǎn)工程。項(xiàng)目位于西南部克里比市以南25 km處的Mboro村，西臨大西洋，距首都雅溫得約294 km。項(xiàng)目一期工程建設(shè)1 355 m長防波堤，1個5萬噸級集裝箱泊位，1個4萬噸級多用途泊位，碼頭結(jié)構(gòu)按照靠泊7萬噸級集裝箱船舶設(shè)計(jì)。

碼頭前沿采用集裝箱裝卸橋作業(yè)，布置有2條QU120鋼軌，軌距30 m。碼頭主體采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，前軌鋪設(shè)在碼頭胸墻上，后軌采用鋼管樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。碼頭結(jié)構(gòu)典型斷面見圖1。

2 主要設(shè)計(jì)條件

2.1 地質(zhì)條件

沉樁區(qū)域原地面標(biāo)高約-7 m，表層有1.0～2.0 m細(xì)砂；中間層為中等硬度的粉質(zhì)黏土或黏土層或殘積土層，標(biāo)高在-8～-11 m之間，標(biāo)貫擊數(shù)從8～29不等，局部有腐木夾層；下層為中風(fēng)化巖或硬黏土，標(biāo)貫擊數(shù)從50～300不等，局部有膠結(jié)砂或巖石夾層，可作為結(jié)構(gòu)持力層。持力層分布不連續(xù)，頂面高程起伏變化多樣，且規(guī)律性差。工程地質(zhì)條件極其復(fù)雜，地質(zhì)典型剖面見圖2[1]。

2.2 設(shè)計(jì)荷載

集裝箱裝卸橋每條支腿10個輪，輪距1.1 m。工作狀態(tài)下最大輪壓為680 kN/輪，非工作狀態(tài)下最大輪壓為940 kN/輪。

3 設(shè)計(jì)方案

鋼管樁沉樁區(qū)域有兩種典型地質(zhì)，一種持力層為中風(fēng)化巖，另一種持力層為硬黏土，持力層埋深都較淺，最淺處-8 m左右就到達(dá)中風(fēng)化片麻巖，形成短樁。國內(nèi)類似工程，習(xí)慣采用嵌巖灌注樁，工程量大，工期長，費(fèi)用高。本項(xiàng)目后軌道梁采用直徑φ800 mm鋼管樁，壁厚16 mm，間距3.5 m或2.75 m。單樁樁力設(shè)計(jì)值按4 540 kN控制，單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值為800 kN。

圖1 碼頭典型斷面圖Fig.1 Typical cross-section of thewharf

圖2 地質(zhì)典型剖面圖Fig.2 Typical cross-section of the geology

本項(xiàng)目鋼管樁入土淺，樁側(cè)阻力小，樁基承載力主要依靠樁端阻力。鋼管樁樁尖形式一般有開口、全封閉和半封閉三種形式[2]。開口樁容易打入地基，但樁的承載力低；全封閉樁尖雖然可以提高樁的承載力，但打入硬土層比較困難；半封閉的樁尖形式適用于一般硬土層[3]。如何選擇合適的樁尖形式，確保施工工藝方便、施工質(zhì)量可靠、使用性能較好是本工程的難點(diǎn)和關(guān)鍵。最初的設(shè)計(jì)如圖3所示，采用大管套小管的開口樁尖，預(yù)制時樁端內(nèi)套2 m長的φ400 mm小鋼管芯，管芯與φ800 mm鋼管樁采用焊接6塊1.5 m長肋板連接，設(shè)想開孔小容易閉塞。并預(yù)備6塊30 mm厚封頭板，如果不閉塞，則現(xiàn)場可選擇焊接封堵底部?？紤]閉口樁承載力大，基本沒有預(yù)留樁長。鋼管樁在國內(nèi)制作，船運(yùn)至喀麥隆。

圖3 鋼管樁樁尖結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural chart of thesteel tubular pile tip

4 現(xiàn)場施工

4.1 沉樁設(shè)備

本項(xiàng)目在碼頭沉箱主體形成后，陸域回填約8 m厚砂，形成陸上作業(yè)面，再進(jìn)行地基處理及沉樁。

施打鋼管樁采用ICE44B振動錘完成插樁，進(jìn)入到下部硬土后，采用液壓錘BSPCG40沖擊錘（錘重16 t，沖程1.5 m，最大錘擊能量240 kN·m）施打。

4.2 施工過程分析

后軌道梁的預(yù)期樁長為10~15 m，上部為回填砂，其密實(shí)程度直接關(guān)系到樁的側(cè)向穩(wěn)定以及樁的負(fù)摩阻力，從而影響到軌道梁的使用效果。為更加密實(shí)地基砂層，沿樁軸線一定寬度范圍內(nèi)，先振沖至原地面表層細(xì)砂，后盡可能進(jìn)行適當(dāng)能量的強(qiáng)夯處理，提高密實(shí)性。強(qiáng)夯能量根據(jù)現(xiàn)場典型試驗(yàn)研究確定，以確保碼頭穩(wěn)定性和安全性為原則，并實(shí)時監(jiān)測周邊情況。此外延長軌道梁分縫長度，增大軌道梁的整體性。

試打樁首先在持力層為中風(fēng)化巖區(qū)域進(jìn)行，樁尖為開口形式，風(fēng)化巖上面沒有硬土層，樁尖很快就接觸堅(jiān)硬基巖，錘擊數(shù)很少。由于巖層面不是水平面，為防止樁尖局部接觸基巖，在荷載作用下造成基巖局部破壞引起樁基沉降，影響工程安全，繼續(xù)打樁100~200錘，發(fā)現(xiàn)反彈顯著，阻力很大，也只能進(jìn)入100～300 mm，且貫入度很小。該樁型每天可沉樁8根。典型樁樁底高程為-12.25 m，總錘擊數(shù)為260擊，終錘貫入度為1.5 mm/擊，靜載試驗(yàn)測得的單樁軸向抗壓極限承載力高，為9 319.9 kN，其中樁側(cè)阻力3 463 kN，樁端阻力5 856.9 kN，總沉降量為18.64 mm，殘余沉降小，僅1.31 mm。

對于持力層為硬黏土段，先采用開口樁尖，試樁過程發(fā)現(xiàn)樁沉到-16 m設(shè)計(jì)標(biāo)高處，總錘擊數(shù)280擊，但終錘貫入度還有10 mm/擊，拔出檢查發(fā)現(xiàn)樁內(nèi)為硬黏土。設(shè)計(jì)決定先封堵樁尖3個孔，再試打2根發(fā)現(xiàn)樁沉到-16 m標(biāo)高處，總錘擊數(shù)398擊，由于樁錘能量大，終錘貫入度還有8 mm/擊，但高應(yīng)變檢測承載力為6 000 kN，于是采用全封閉的措施?？紤]到打樁過程中封頭板受力很大，采用樁尖封堵混凝土加固措施，通過焊接在鋼管樁內(nèi)壁的鋼筋傳遞剪力，將樁端混凝土的壓力轉(zhuǎn)換為鋼管樁的壓力。現(xiàn)場施工時，先焊接封底鋼板，再用振動錘將鋼管樁打設(shè)到回填砂層的下部，吊罐澆筑混凝土。由于樁底混凝土不能振搗，施工質(zhì)量難以控制，要求混凝土封堵長度增加到4 m，鋼筋長度仍保持3 m，同時封底鋼板厚度可減小到20 mm。最后焊十字樁靴便于打樁定位。為了保證混凝土與鋼管的連接，鋼管先除銹，沿鋼管內(nèi)壁布置40根直徑25 mm的鋼筋，每根鋼筋1.5 m長，只焊下部的0.5 m長，再澆筑C40微脹混凝土，見圖4。

圖4 樁端封堵混凝土結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural chart of concrete block in the pile tip

在相同的工程地質(zhì)條件下，施打全閉口樁，樁底高程-14.21 m，總錘擊數(shù)670擊，終錘貫入度2.0 mm/擊，靜載試驗(yàn)測得的單樁軸向抗壓極限承載力高，為8 035.2 kN，其中樁側(cè)阻力2 773.4 kN，樁端阻力5 261.8 kN，經(jīng)計(jì)算其樁端基本為閉塞狀態(tài)。總沉降量為29.88 mm，殘余沉降為8.03 mm。且打樁過程中的最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力均可控制在合理范圍內(nèi)。該樁型每天可沉樁4根。新型樁尖的閉塞效應(yīng)有明顯的提高，承載力也滿足設(shè)計(jì)要求，同時又不增加打樁的難度，有效解決了設(shè)計(jì)樁長的問題。

為了檢測后軌道梁的側(cè)向穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)專門做了樁基水平試驗(yàn)。在一根較短樁的樁頂上施加50 kN的水平力，測量樁的位移很小，滿足了設(shè)計(jì)要求。

在樁尖處理的同時，針對地質(zhì)起伏變化大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)加密補(bǔ)充鉆孔，摸清后軌道區(qū)域的地質(zhì)情況，確定了合理的樁基方案。此后利用試樁沉樁經(jīng)驗(yàn)，同時結(jié)合場區(qū)工程地質(zhì)情況，在沉樁施工中采用貫入度控制為主、高程作為校核的方法，陸續(xù)開展后續(xù)沉樁工作，沉樁過程均無異常，且高應(yīng)變抽檢結(jié)果表明基樁承載力均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，樁身無明顯缺陷發(fā)生，樁長都滿足彈性長樁要求。

本項(xiàng)目采用這種樁尖加固處理方式，可以在巖層地質(zhì)段進(jìn)行開口樁的打樁，當(dāng)鋼管樁的打樁長度接近設(shè)計(jì)樁長時，可合理安排打樁順序，隨時改變?yōu)榇蛟O(shè)全封閉鋼管樁，較好解決了巖層或巖性變化激烈區(qū)域的鋼管樁樁尖選擇的難題，現(xiàn)場實(shí)施比較便利。

5 結(jié)語

本項(xiàng)目采用打入式鋼管樁結(jié)構(gòu)，針對巖層地質(zhì)和堅(jiān)硬黏土地質(zhì)情況分別采用開口鋼管樁和全閉口鋼管樁，在淺埋堅(jiān)硬巖層的復(fù)雜地質(zhì)下取得成功，樁長很短，非常經(jīng)濟(jì)。通過實(shí)際試驗(yàn)和施工經(jīng)驗(yàn)，分析了鋼管樁用不同樁尖形式的打樁特點(diǎn)和承載力特點(diǎn)，提出類似地質(zhì)條件下的鋼管樁樁尖處理措施，提升了樁基工程設(shè)計(jì)技術(shù)水平，為相似工程提供借鑒。

[1]中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.喀麥隆克里比深水港勘察報(bào)告[R].廣州：中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2012.CCCC FHDI Consultants Co.,Ltd.Investigation report on Krib deepwater port in Cameroon[R].Guangzhou:CCCCFHDIConsultants Co.,Ltd.,2012.

[2]JTS167-4—2012，港口工程樁基規(guī)范[S].JTS 167-4—2012,Code for pile foundation of harbor engineering[S].

[3] 陳平，袁孟全.提高高樁碼頭鋼管樁樁基承載力的方法[J].中國港灣建設(shè)，2007（3）：1-4.CHEN Ping,YUAN Meng-quan.Methods to improve bearing capacity of steel tubular piles for piled wharfs[J].China Harbour Engineering,2007(3):1-4.