關(guān)于沉箱式燈樁基礎(chǔ)建設(shè)的可行性探討

◎ 李春林 陳義濤 吳才冠 ?？诤綐?biāo)處

關(guān)于沉箱式燈樁基礎(chǔ)建設(shè)的可行性探討

◎ 李春林 陳義濤 吳才冠 海口航標(biāo)處

本文從現(xiàn)有燈樁基礎(chǔ)的局限性出發(fā),探討沉箱式基礎(chǔ)在燈樁建設(shè)中的可行性，并驗(yàn)算沉箱式基礎(chǔ)在極限自然狀況下的穩(wěn)定性，對(duì)其施工方式提出一些設(shè)想。

燈樁 基礎(chǔ) 沉箱 抗滑 抗傾

1.引言

燈樁等助航標(biāo)志的設(shè)計(jì)規(guī)范往往不涉及基礎(chǔ)建設(shè)方面，在實(shí)際建設(shè)中燈樁基礎(chǔ)主要借鑒土木、水工類的規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段樁身和配套設(shè)備基本都從工廠訂做安裝，因此燈樁建設(shè)中基礎(chǔ)的施工才是最重要、最費(fèi)時(shí)的。

2.現(xiàn)有燈樁基礎(chǔ)形式的局限性

燈樁基礎(chǔ)的主要結(jié)構(gòu)形式有砼現(xiàn)澆基礎(chǔ)和鋼管樁基礎(chǔ)。砼現(xiàn)澆基礎(chǔ)耐久性好，不需要專業(yè)施工船舶，但需要架設(shè)模板，工期長，對(duì)地基承載力要求較高，施工受水位影響大，因此一般砼基礎(chǔ)大多建在島礁或水深較淺的暗礁上；鋼管樁基礎(chǔ)適用于水深較深、軟土層較厚的施工位置，相對(duì)于砼基礎(chǔ)而言耐久性、耐腐蝕性不夠好，施工難度較大，打樁往往需要專門的施工船舶，安裝相對(duì)復(fù)雜。

目前在清瀾港附近建設(shè)燈樁時(shí)遇到了這樣一個(gè)難題：該位置低潮位時(shí)水深仍然較深，不適合建砼基礎(chǔ)，但地基又是堅(jiān)硬的礁巖，也不適合打鋼管樁，最后只能克服困難在深水中支立模板完成現(xiàn)澆砼基礎(chǔ)。在沿海各水域的燈樁建設(shè)中常會(huì)遇到類似的情況，為此需要一種新的工藝填補(bǔ)燈樁基礎(chǔ)建設(shè)的空缺。

圖1　 簡易砼沉箱和鋼沉箱燈樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

3.沉箱式燈樁基礎(chǔ)的可行性

考慮到燈樁砼基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)往往參照港工規(guī)范，那么是否可用沉箱結(jié)構(gòu)來做燈樁基礎(chǔ)呢？碼頭使用的沉箱荷載較大，放置前需要對(duì)基床進(jìn)行開挖、拋石、夯實(shí)、整平等工作；而燈樁砼基礎(chǔ)荷載較小，一般巖質(zhì)地基都能滿足承載力要求，因此只要驗(yàn)算沉箱式燈樁基礎(chǔ)在極端條件下的抗滑和抗傾穩(wěn)定性達(dá)到合格即可。目前設(shè)想的兩種沉箱基礎(chǔ)分別為砼沉箱（適用深水）和鋼沉箱（適用淺水），為保證浮運(yùn)穩(wěn)定性，選擇圓形沉箱，砼沉箱尺寸根據(jù)文獻(xiàn)1及實(shí)際情況確定，為簡化工藝不做墻趾。大致結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：

由于沉箱式燈樁基礎(chǔ)主要針對(duì)低潮位仍被淹沒的位置，基礎(chǔ)尺寸要大于陸基設(shè)樁。為了計(jì)算最不利情況，根據(jù)我處在水中建砼基礎(chǔ)燈樁的幾種規(guī)格取值如下：砼基礎(chǔ)第一級(jí)直徑3.5m，高1.8m，第二級(jí)直徑2.5m高1m，燈樁基座保護(hù)層直徑1.5m高0.5m。鋼管燈樁樁身按8m高500mm直徑選用，該種燈樁樁身自重約為0.6噸，頂部有直徑1.2m的作業(yè)平臺(tái)，并配有1m高圍欄，作業(yè)平臺(tái)上有電池箱、硅片架、燈器等配套設(shè)備，樁身上裝有約5.5m帶圍欄的角鋼爬梯。為簡化計(jì)算，增加可靠性，砼部分視作高潮位時(shí)全淹沒，將作業(yè)平臺(tái)以上的受風(fēng)投影面積視作1.2×1m的矩形，爬梯受風(fēng)投影面積視作0.35×5.5m的矩形，則受力計(jì)算簡圖如圖2所示：

參照文獻(xiàn)3取極限海況風(fēng)速60m/ s，表面海流2.57m/s，按文獻(xiàn)4、文獻(xiàn)2相關(guān)公式表格計(jì)算風(fēng)荷載和水流力：

（1）水流力：

A=0.5×1.5+1×2.5+1.8×3.5=9.55m2，ρ=1.025t/m3，算得FW=21.45KN，水流力合力作用點(diǎn)根據(jù)文獻(xiàn)二13.0.4取水下1.1m處。

為便于后續(xù)力矩計(jì)算方便，風(fēng)荷載投影面A按大小由上往下分3段計(jì)算，每段合力作用點(diǎn)取形心位置，算得Fk1=3.46KN，F(xiàn)k2=13.46KN，F(xiàn)k3=1.44KN。風(fēng)力Fk=Fk1+Fk2+Fk3=18.36KN。

（3）抗滑、抗傾穩(wěn)定性驗(yàn)算可根據(jù)文獻(xiàn)1的公式計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)砼沉箱與巖面摩擦系數(shù)f砼取0.6，鋼沉箱與巖面摩擦系數(shù)f鋼取0.4，鋼筋砼密度取2.4t/m3（為保守計(jì)算，鋼沉箱基礎(chǔ)完成后的密度也取2.4t/m3，即抗傾驗(yàn)算與砼沉箱一樣）由于燈樁基礎(chǔ)孤立在水中沒有回填土壓力，計(jì)算式可簡化如下：

經(jīng)驗(yàn)算，沉箱式燈樁基礎(chǔ)可以滿足極限海況下的穩(wěn)定性要求。

圖2　 燈樁受力計(jì)算簡圖

4.沉箱式燈樁基礎(chǔ)的施工工藝

沉箱式基礎(chǔ)對(duì)于地基的承載力和平整度要求比較高，但施工上較靈活。沉箱可以大批量在廠家預(yù)制，省掉架設(shè)第一級(jí)模板的時(shí)間，也不用專門等待每年最低潮位施工，節(jié)約時(shí)間。

（1）沉箱式燈樁基礎(chǔ)運(yùn)輸方式。以圖1的尺寸為例，經(jīng)計(jì)算得：砼沉箱自重13.48t，吃水深度1.36m；鋼沉箱自重2.3t,吃水深度0.24m。大多數(shù)繩斗挖泥船都可進(jìn)行吊裝，海南周邊海域潮差一般在兩米左右，低潮淹沒的暗礁一般都可以趁潮浮運(yùn)砼沉箱。鋼沉箱浮運(yùn)難度更小，可以適用于水淺的暗礁。

（2）沉箱式燈樁基礎(chǔ)的地基處理。由于沉箱式基礎(chǔ)對(duì)于地基的平整度和承載力要求較高，對(duì)于水深足以通過施工船、挖泥船的位置，可以將抓斗換成夯錘整平夯實(shí)地基。對(duì)于水深較淺的位置，可以用漁船帶上相應(yīng)設(shè)備，人工架設(shè)支架配合夯錘、卷揚(yáng)機(jī)或沖擊鉆對(duì)地基整平夯實(shí),完成地基處理后可通過浮運(yùn)或吊放的方式將沉箱放置在擬建區(qū)域。施工船舶上應(yīng)當(dāng)配有水泥沙石和鋼筋籠等以便現(xiàn)場(chǎng)拌合混凝土澆筑，在施工船空間不夠的情況下，可以拖帶平板駁船，在駁船上放置施工機(jī)械和材料。

（3）沉箱填料及上部砼構(gòu)件制作。沉箱運(yùn)到指定位置后灌水沉放，隨后將綁扎好的鋼筋籠放入，拌合混凝土并澆筑。澆筑完成三天后，可以開始在第一級(jí)基礎(chǔ)上架設(shè)模板澆筑第二級(jí)基礎(chǔ)并安裝預(yù)埋件，待第二級(jí)強(qiáng)度滿足要求后安裝樁身并澆筑燈樁基座保護(hù)層。

（4）避雷方案

沉箱式燈樁無法直接將電荷導(dǎo)入地基，考慮到船舶防雷是將電荷通過船體導(dǎo)入海水，可以參照這種方式從燈樁基座上外接一根鋁條從沉箱外部將電荷導(dǎo)入海水。該構(gòu)件可以在安裝基座預(yù)埋件時(shí)就布設(shè)。

5.沉箱式燈樁基礎(chǔ)不足之處

文中對(duì)于抗傾抗滑穩(wěn)定性的驗(yàn)算只是針對(duì)自然條件下的受力情況進(jìn)行分析，在實(shí)際使用中，不可避免的會(huì)有船舶靠泊、撞擊的情況。沉箱式燈樁基礎(chǔ)沒有植筋，而且是孤立物不同于沉箱碼頭背后有回填土，很難抵擋大型船舶撞擊。目前我處用于巡檢的多是小船和漁船，可以先建一兩座沉箱式燈樁在實(shí)踐中觀察使用效果。為了吸收船舶撞擊能量，需要一些廢舊輪胎懸掛在沉箱基礎(chǔ)的吊環(huán)上，吊環(huán)上漆并作防銹處理。

6.結(jié)束語

沉箱基礎(chǔ)施工方式靈活多樣，在淺水區(qū)域建設(shè)燈樁使用該施工方案，將能夠起到加快施工進(jìn)度，縮短工期，降低施工難度的作用。另外沉箱基礎(chǔ)可以批量預(yù)制，一次性建設(shè)多座燈樁，對(duì)于加快沿海水域助航設(shè)施建設(shè)有積極的意義。

[1]重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范，JTS167-2-2009.

[2]港口工程荷載規(guī)范，JTS 144-1-2010 .

[3]極限海況下浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)及錨鏈?zhǔn)芰浪悖?，船舶力學(xué).2003年7月.

[4]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，GB5009-2012.

[5]公路橋涵設(shè)計(jì)手冊(cè).