重力式碼頭后軌道梁基樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)踐

陳波，宋蘭芳，王廣賢

（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）

重力式碼頭后軌道梁基樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)踐

陳波，宋蘭芳，王廣賢

（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）

依托海南某正在實(shí)施的工程項(xiàng)目，對(duì)于基樁貫穿較厚的中密砂層及硬黏土層的情況，進(jìn)行了方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，初步探討碼頭后軌道梁基樁中抗拔樁的連接設(shè)計(jì)，并對(duì)打樁中的一些問(wèn)題及解決對(duì)策進(jìn)行了總結(jié)，可為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)及施工提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

后軌道梁基樁；優(yōu)化設(shè)計(jì)；抗拔樁

0 引言

對(duì)重力式碼頭后軌道梁樁基樁一般采用灌注樁或陸上施打PHC管樁，灌注樁一般費(fèi)用較高且施工速度相對(duì)較慢，而PHC管樁具有抗壓強(qiáng)度高、產(chǎn)品規(guī)格多、搭配靈活、接長(zhǎng)方便和施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，一般情況下，軟土、黏性土、粉土、砂土及全風(fēng)化巖體等地層條件均可采用。對(duì)樁基需穿越較厚中密砂層的情況，樁基打入需利用砂土液化效應(yīng)連續(xù)施打，因此管節(jié)連接時(shí)間及強(qiáng)度較難得到保障。本文結(jié)合海南洋浦某大型重力式集裝箱碼頭后軌道梁基樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)踐過(guò)程，對(duì)重力式碼頭后軌道梁基樁的設(shè)計(jì)，尤其是PHC管樁管節(jié)連接強(qiáng)度的設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探討，并對(duì)本工程后軌道梁基樁的應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié)。

1 工程概況

碼頭采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)底高程為-18.0 m，碼頭沉箱底寬15.8 m，沉箱后設(shè)置拋石棱體，棱體頂標(biāo)高為-5.0 m，棱體后設(shè)置倒濾結(jié)構(gòu)，后方回填中粗砂并振沖密實(shí)至N≥15擊。碼頭布置2條QU120軌道，軌距35 m，前軌距碼頭前沿線4 m，直接鋪設(shè)在胸墻上，后軌鋪設(shè)在現(xiàn)澆軌道梁上，軌道梁為C40倒T形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，梁總高2.8 m，軌道梁下采用φ800 mmPHC管樁雙樁作為基礎(chǔ)，PHC管樁間距3.5 m。本工程共有φ800 mmPHC管樁（B型）458根，樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C80，壁厚為130 mm，單樁結(jié)構(gòu)軸向承載力設(shè)計(jì)值6 876 kN，極限彎矩1 059 kN·m，抗裂彎矩588 kN·m。本工程碼頭前沿配置65 t-65 m岸邊集裝箱裝卸橋，預(yù)留80 t-66 m岸邊集裝箱裝卸橋荷載，集裝箱裝卸橋參數(shù)：軌距35 m，基距15.1 m，支腿4個(gè)，10個(gè)輪/

支腿，輪距1.1 m，工作狀態(tài)最大輪壓920 kN/輪，非工作狀態(tài)最大輪壓1 280 kN/輪，上拔力3 000 kN/角。

2 基樁優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 地質(zhì)條件分析

PHC管樁雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在脆性較高的突出弱點(diǎn)，沉樁過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)裂縫、樁頭打裂甚至樁身斷裂現(xiàn)象。王振?？偨Y(jié)某工程PHC管樁施工經(jīng)驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)地質(zhì)勘察在PHC管樁施工中的重要性，同時(shí)也突出試樁在復(fù)雜地質(zhì)條件下的重要性[1]。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在應(yīng)用PHC管樁時(shí)，應(yīng)注重研究當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件，采用的施工方法與對(duì)策應(yīng)因地制宜，充分發(fā)揮PHC管樁在水運(yùn)工程技術(shù)上的優(yōu)越性能及其最大效益。

本工程區(qū)地層可大致劃分為上部地層、中部地層和下部地層三部分。上部地層為第四系全新統(tǒng)海相沉積層，主要層位為淤泥、淤泥質(zhì)土、粉細(xì)砂、中粗砂、珊瑚碎石土，總體上場(chǎng)區(qū)上部地層以低強(qiáng)度的淤泥、松散砂土等軟弱土為主，工程特性較差。工程區(qū)中部地層為第四系晚中更新統(tǒng)沖積海積沉積層，主要層位為粉質(zhì)黏土—粉土、粉細(xì)砂、中粗砂，其中③2粉質(zhì)黏土—粉土層局部較連續(xù)分布，平均層底標(biāo)高-13.94 m，平均層厚5.21 m，平均N=11.0擊（8～15擊），具中等壓縮性、一定強(qiáng)度，屬中硬土；③3粉質(zhì)黏土—粉土層局部較連續(xù)分布，平均層底標(biāo)高-19.51 m，平均層厚3.68 m，平均N=22.9擊（15～34擊），具中等壓縮性、中等強(qiáng)度，屬中硬土，總體上場(chǎng)區(qū)中部地層以中硬土為主，工程特性較好。工程區(qū)下部地層為第四系早更新統(tǒng)沖積海積沉積層，主要層位為粉質(zhì)黏土—粉土、粉細(xì)砂、中粗砂，其中④1粉質(zhì)黏土—粉土層在碼頭區(qū)連續(xù)分布，平均揭示厚度19.18 m，平均N=50.5擊（33～83擊），具中等偏低壓縮性、較高強(qiáng)度，屬中硬土，總體上場(chǎng)區(qū)下部地層以中硬土為主，一般具中等或較高強(qiáng)度，是本區(qū)良好的地基持力層。經(jīng)碼頭基槽開(kāi)挖后在后軌道梁打樁位置處，場(chǎng)區(qū)上部土層基本全部被挖除，碼頭后軌道梁基樁持力層宜選在連續(xù)分布的④1粉質(zhì)黏土—粉土層中。持力層上面的覆蓋土層有原狀土層和回填的中粗砂層，原狀土層主要為中部地層的中硬土，其中③2和③3粉質(zhì)黏土—粉土，混較多細(xì)中砂，局部呈黏性土混砂狀，局部近弱膠結(jié)狀，回填的中粗砂層厚度有10～25 m不等，同時(shí)基樁要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)承載力的要求，基樁需進(jìn)入持力層④1粉質(zhì)黏土—粉土5～15 m不等，設(shè)計(jì)必須考慮這些土層給沉樁帶來(lái)的困難。

2.2 基樁比選

集裝箱裝卸橋輪壓大，對(duì)不均勻沉降反應(yīng)靈敏，需對(duì)其后軌道基礎(chǔ)進(jìn)行處理。對(duì)裝卸橋后軌道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方案，可采用鉆孔灌注樁方案和打入樁方案，其中打入樁方案可以采用鋼管樁方案和PHC管樁方案，經(jīng)比較鋼管樁方案的造價(jià)高，依據(jù)JTS 167-8—2013《水運(yùn)工程先張法預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》[2]，設(shè)計(jì)使用年限為50 a時(shí)，推薦樁型直徑大于等于800 mm的PHC基樁，管節(jié)長(zhǎng)度可達(dá)7～30 m，基樁承載力較大，抗彎性能好，在樁位布置上可以拉大樁的間距，降低打樁困難。

針對(duì)本工程初步設(shè)計(jì)，擬采用φ800 mmPHC管樁雙樁方案和φ1 200 mm灌注樁方案進(jìn)行比選。結(jié)構(gòu)方案一：后軌道基礎(chǔ)采用φ800 mmPHC管樁雙樁結(jié)構(gòu)方案。鋼樁尖的長(zhǎng)度取為3.0 m，基樁以④1粉質(zhì)黏土—粉土層作為樁端持力層，樁排架間距為3.8 m，懸臂長(zhǎng)1.0 m，軌道梁為現(xiàn)澆C40倒T形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，翼緣寬3.2 m，翼緣高1.2 m，梁總高2.8 m，梁肋寬2.2 m。結(jié)構(gòu)方案二：后軌道基礎(chǔ)采用φ1 200 mm灌注樁結(jié)構(gòu)方案，基樁以④1粉質(zhì)黏土—粉土層作為樁端持力層，樁排架間距為3.8 m，懸臂長(zhǎng)1.2 m，軌道梁為現(xiàn)澆C40矩形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，梁高2.8 m，梁寬2.2 m。經(jīng)過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，結(jié)構(gòu)方案一后軌道梁延米造價(jià)為6.56萬(wàn)元，結(jié)構(gòu)方案二后軌道梁延米造價(jià)為7.81萬(wàn)元，PHC管樁結(jié)構(gòu)方案延米造價(jià)更優(yōu)，并且采用PHC管樁結(jié)構(gòu)方案還具有如下優(yōu)點(diǎn)：施工周期短，能更好滿(mǎn)足工期要求；施工簡(jiǎn)便，質(zhì)量控制較容易，施工質(zhì)量易保證。綜合考慮推薦φ800 mmPHC管樁雙樁結(jié)構(gòu)方案。

2.3 組合樁鋼樁尖的選擇

通過(guò)對(duì)地質(zhì)條件的分析，如果沉樁時(shí)要保證PHC管樁能順利穿越覆蓋土層并進(jìn)入持力層達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，難度較大，在海南洋浦地區(qū)尚無(wú)成功案例可以參考。減少沉樁阻力關(guān)鍵是提高樁端穿越覆蓋土層的穿透能力，如果全部選用鋼管樁，肯定不存在問(wèn)題，但通過(guò)比較經(jīng)濟(jì)上成本太高，實(shí)踐證明對(duì)于上部荷載較大以致樁尖持力層需選

在入土深度較深土層的結(jié)構(gòu)物，在周?chē)h(huán)境因素制約較小的情況下，其基樁選型可以采用“PHC管樁結(jié)合超長(zhǎng)鋼樁靴”的方案，這是一種行之有效、較鉆孔灌注樁基樁更便捷、經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量可靠的方法[3]。同時(shí)依據(jù)JTS 167-4—2012《港口工程樁基規(guī)范》[4]，沉樁貫入難度較大時(shí)，一種有效的途徑是采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與鋼管樁組成的組合樁。針對(duì)本工程施工圖設(shè)計(jì)，依據(jù)地質(zhì)條件決定選用長(zhǎng)度為3 m和6 m的兩種規(guī)格樁尖進(jìn)行設(shè)計(jì)，均為開(kāi)口型鋼樁尖，對(duì)持力層較高、基樁要進(jìn)入持力層④1粉質(zhì)黏土～粉土較長(zhǎng)的區(qū)段，采用6 m長(zhǎng)的鋼樁尖，其余區(qū)段采用3 m長(zhǎng)的鋼樁尖，并以鋼樁尖的長(zhǎng)度替代工程樁的有效樁長(zhǎng)。3 m長(zhǎng)的鋼樁尖壁厚18 mm，6 m長(zhǎng)的鋼樁尖壁厚22 mm，樁尖管身均布12條加強(qiáng)肋，樁尖與PHC管樁連接處加焊25 mm的加強(qiáng)鋼板，通過(guò)這一措施能有效提高樁端穿越覆蓋土層的能力。3 m長(zhǎng)鋼樁尖立面圖如圖1所示。

圖1 3 m長(zhǎng)鋼樁尖立面圖Fig.1 3 m steelpile tip elevation

2.4 接樁處的連接設(shè)計(jì)

海南地區(qū)臺(tái)風(fēng)頻繁，基樁的抗拔能力尤為重要。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)打樁實(shí)際情況，基樁最多要分三節(jié)焊接接樁打樁，對(duì)于焊縫強(qiáng)度的驗(yàn)算依據(jù)JTS 152—2012《水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]，直角角焊縫的強(qiáng)度可按下式計(jì)算：

根據(jù)上述驗(yàn)算可以看到，焊縫強(qiáng)度從設(shè)計(jì)計(jì)算角度能滿(mǎn)足工程需要，但是由于現(xiàn)場(chǎng)焊接的質(zhì)量良莠不齊，存在焊縫不飽滿(mǎn)、焊縫坡口尺寸太小、焊縫冷卻時(shí)間不夠、焊縫缺乏保護(hù)等問(wèn)題，焊縫出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題幾率很大。為確保碼頭防風(fēng)拉索下基樁的抗拔承載力，對(duì)最后一節(jié)接樁處的連接進(jìn)行了設(shè)計(jì)加強(qiáng)。先把抗拔樁與普通樁區(qū)別開(kāi)，對(duì)于普通樁，設(shè)計(jì)的樁芯混凝土為樁頂下3 m，對(duì)于抗拔樁，管樁填芯混凝土的高度H可按下式確定：

式中：Qct為單樁豎向抗拔承載力設(shè)計(jì)值，經(jīng)計(jì)算為487.5 kN；Um為管樁內(nèi)孔圓周長(zhǎng)；fn為填芯混凝土與管樁內(nèi)壁的黏結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取0.3 N/ mm2。管樁內(nèi)孔受拉鋼筋面積As可按下式確定：

式中：As為管樁內(nèi)孔受拉鋼筋面積；fy為抗拉鋼筋的抗拉強(qiáng)度極限值，取300 MPa。

經(jīng)計(jì)算對(duì)于抗拔樁若僅樁頂處采用3 m的樁芯混凝土，回填中粗砂的單位面積極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值取40 kPa計(jì)算，最后一節(jié)基樁能提供的抗拔承載力僅為379.7 kNQct，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)最后一節(jié)接樁焊接位置處填芯混凝土的連接長(zhǎng)度，經(jīng)采用上面的公式驗(yàn)算滿(mǎn)足要求。管樁內(nèi)孔受拉鋼筋樁頂下3 m內(nèi)采用14根φ25的鋼筋均布，樁頂下3 m處以下則優(yōu)化采用7根φ25的

鋼筋均布，受拉鋼筋的設(shè)計(jì)經(jīng)采用上面的公式驗(yàn)算滿(mǎn)足要求。通過(guò)把抗拔樁與普通樁區(qū)別開(kāi)，分別設(shè)計(jì)不同的填芯混凝土連接高度以及填芯鋼筋數(shù)量，這樣既確保了抗拔樁的抗拔承載力能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，又能節(jié)省部分普通樁的填芯混凝土的工程量。

3 沉樁及沉樁控制標(biāo)準(zhǔn)

沉樁前要求先進(jìn)行試沉樁，設(shè)計(jì)要求采用D100柴油錘沉樁，終錘貫入度取最后3陣，每陣10擊，平均貫入度不大于5 mm/擊。通過(guò)試沉樁發(fā)現(xiàn)有部分基樁在距離設(shè)計(jì)標(biāo)高大于3.0 m時(shí)就達(dá)到了終錘貫入度，對(duì)此施工單位提出，回填中粗砂層經(jīng)振沖密實(shí)處理以及上部流動(dòng)機(jī)械的碾壓后，密實(shí)度較大，引起打樁阻力較大，為此經(jīng)與現(xiàn)場(chǎng)共同探討，確定將PHC管樁的沉樁控制標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為：沉樁以標(biāo)高控制為主，貫入度作為校核，終錘貫入度取最后3陣，每陣10擊，終錘分以下3種情況：1）當(dāng)樁尖已達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高，平均貫入度≤8 mm/擊時(shí)，可以終錘；2）當(dāng)樁尖已達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高，平均貫入度＞8 mm/擊時(shí)，應(yīng)及時(shí)報(bào)監(jiān)理工程師并與設(shè)計(jì)聯(lián)系；3）當(dāng)樁尖未達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高，且樁尖距設(shè)計(jì)標(biāo)高≤1 m，平均貫入度以3 mm/擊控制，可以終錘；當(dāng)樁尖距設(shè)計(jì)標(biāo)高＞1 m，應(yīng)及時(shí)報(bào)監(jiān)理工程師并與設(shè)計(jì)聯(lián)系。

通過(guò)打樁實(shí)踐證明試沉樁調(diào)整后的沉樁控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)本工程余下基樁的沉樁更加適應(yīng)。

4 檢測(cè)

4.1 單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)

本工程單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)共計(jì)2根，樁號(hào)分別為B117和B96樁，試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，依據(jù)試驗(yàn)可判定該樁豎向抗壓極限承載力不低于7 000 kN[6]，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.2 高應(yīng)變檢測(cè)

本工程高應(yīng)變檢測(cè)共27根次[6]，其中17根樁初打檢測(cè)得到的承載力為5 207～5 917 kN，10根次復(fù)打檢測(cè)得到的承載力為7 014～7 598 kN，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，樁身完整性均為100%。由于打樁時(shí)土體受到擾動(dòng)，故通過(guò)復(fù)打、初打結(jié)果對(duì)比得到本工程區(qū)土體恢復(fù)系數(shù)為1.28～1.33。

4.3 低應(yīng)變檢測(cè)

本工程低應(yīng)變檢測(cè)共135根樁，均為Ⅰ類(lèi)樁[6]。

5 結(jié)語(yǔ)

1）工程實(shí)踐表明，在PHC管樁施工過(guò)程中，應(yīng)注重研究當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件、控制錘擊貫入度，使管樁施工質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2）PHC管樁打入老黏土層時(shí)，宜設(shè)置鋼樁尖，在基樁要貫穿較厚的中密砂層及硬黏土層時(shí)，沉樁難度較大，可采用PHC管樁與鋼管樁組成的組合樁。

3）陸上施打PHC基樁往往都要焊接接樁，對(duì)樁基需貫穿較厚的中密砂層的情況，打樁需利用砂土的液化效應(yīng)連續(xù)施打，因此管節(jié)的連接時(shí)間及強(qiáng)度較難得到保障，并且由于現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量良莠不齊，抗拔承載力難以保證，通過(guò)把抗拔樁與普通樁區(qū)別開(kāi)，分別設(shè)計(jì)不同的填芯混凝土連接高度以及填芯鋼筋數(shù)量，既確保了抗拔樁的抗拔承載力能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，又能節(jié)省部分普通樁的填芯混凝土的工程量。

4）對(duì)于PHC管樁樁基，宜采用多種方式進(jìn)行檢測(cè)。

[1]王振祝.澳門(mén)國(guó)際機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)橋工程樁基施工中遇到的幾個(gè)疑難問(wèn)題與對(duì)策[J].水運(yùn)工程，1995（2）：35-40. WANG Zhen-zhu.Knotty problems and measures in construction ofpile foundation for the contactbridge of Macao International Airport[J].Port&Waterway Engineering,1995(2):35-40.

[2]JTS 167-8—2013，水運(yùn)工程先張法預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁設(shè)計(jì)與施工規(guī)程[S]. JTS 167-8—2013,Code for design and construction for pretensioned spun high-strength concrete pile ofport and waterway engineering[S].

[3]宋杰.“PHC混凝土管樁結(jié)合超長(zhǎng)鋼樁靴”的應(yīng)用及分析[J].建筑施工，2004，26（1）：20-22. SONG Jie.Application and analysis of PHC concrete pipe-pile combined with extra long steel pile shoe[J].Building Construction, 2004,26(1):20-22.

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

[5]JTS 152—2012，水運(yùn)工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. JTS 152—2012,Code for design of steel structures in port and waterway engineering[S].

[6]天津港灣工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司.海南洋浦港洋浦港區(qū)小鏟灘作業(yè)區(qū)起步工程碼頭工程-樁基檢測(cè)報(bào)告[R].2014. Tianjin Port Engineering Quality Inspection Center Co.,Ltd.Inspection reporton pile foundation in terminalprojectofpreliminary engineering at Xiaochantan operation area in Yangpu Port,Hainan [R].2014.

Optimal design and application for pile foundation of rear rail beam of gravity quay

CHEN Bo,SONG Lan-fang,WANG Guang-xian
（CCCC-FHDIEngineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）

Depending on one project which under construction in Hainan province,for the pile has to through medium dense sand layer and hard clay layer,we optimized the design,studied on designing the uplift pile connection of rear rail beam，and discussed some of the problems encountered in the piling process and the measures of solving them,which can provide design and construction

for the similar projects.

pile foundation of rear rail beam;optimal design;uplift pile

U652.74；U656.111

A

2095-7874（2015）12-0037-04

10.7640/zggwjs201512009

2015-07-04

陳波（1980—），男，廣東高州人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事港航工程設(shè)計(jì)及管理工作。E-mail：chenbo@fhdigz.com