土工織物散體樁應(yīng)用于碼頭基礎(chǔ)的理論技術(shù)探討

盧笙

摘 要：在目前碼頭結(jié)構(gòu)型式的基礎(chǔ)上提出了利用土工織物散體樁進(jìn)行深厚軟基處理的技術(shù)，擴(kuò)大了重力式碼頭的應(yīng)用范圍，使其能在深層軟土地基中得以使用，在滿足地基承載力及穩(wěn)定性的前提下達(dá)到經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高效的目的。深厚軟土之上的土工織物散體樁與淺層軟土構(gòu)成的復(fù)合地基類似于“硬殼層”地基的工程特性，形成較大的地基承載力。對土工織物散體樁處理的碼頭軟基破壞機(jī)理進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析，并通過與剛性樁的對比分析了優(yōu)缺點。

關(guān)鍵詞：土工織物散體樁 碼頭 硬殼層 軟基處理 機(jī)理

1.前言

港口作為國家或地區(qū)對外交流的平臺，是區(qū)域經(jīng)濟(jì)參與國際分工、合作與競爭的重要依托。自建國以來，我國碼頭結(jié)構(gòu)主要集中在重力式碼頭、高樁式碼頭和板樁式碼頭三種結(jié)構(gòu)形式，重力式碼頭適用于土質(zhì)較好的地基，其能承受較大的地面荷載和船舶荷載，故而耐久性好、工藝變化適應(yīng)性較強(qiáng)，是目前我國分布較廣、使用較多的一種碼頭結(jié)構(gòu)型式；高樁式碼頭是軟土地基上廣泛采用的碼頭結(jié)構(gòu)型式，主要利用深層地基承載力以及樁身與土體間的側(cè)摩阻力作為承載方式，但樁基為柔性結(jié)構(gòu)，易發(fā)生側(cè)向位移、變形、開裂等；板樁式碼頭除了過于堅硬或軟弱的地基外，一般均可采用，但由于板樁屬于薄壁結(jié)構(gòu)，故而抗彎能力有限，其承載力和穩(wěn)定性受水深變化的影響較大，多用于中小型碼頭的建設(shè)。重力式碼頭為我國常見的碼頭形式，對地基承載力有較高的要求，按照一般的基床處理方式造價較高，這也一定程度上限制了其發(fā)展，在軟土深厚地區(qū)較少使用。采用土工織物散體樁處理碼頭軟土地基的方法，無需打入深層巖石地基、也無需全部換填，即可處理一定深度范圍內(nèi)的軟土地基，在其承載力達(dá)到建設(shè)要求的前提下通過置換、擠密、排水固結(jié)來改善碼頭地基各項物理力學(xué)性能指標(biāo)，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

2.土工織物散體樁應(yīng)用于碼頭的可行性分析

2.1項目提出背景

目前，港口工程重力式碼頭或扶壁式碼頭基礎(chǔ)的設(shè)計處理方法是對碼頭基礎(chǔ)進(jìn)行基槽挖泥，然后在基槽內(nèi)換填塊（碎）石，經(jīng)過夯擊密實后，將預(yù)制好的沉箱或方塊等安放在基床頂上，以達(dá)到減少基礎(chǔ)沉降和保證基礎(chǔ)穩(wěn)定的要求。但因碼頭工程水下軟基往往較厚，其基礎(chǔ)挖換填的工程量往往巨大，因而施工進(jìn)度慢、工程造價高，且挖除后的淤泥傾拋后往往易隨海潮和風(fēng)浪再次涌入港池造成二次回淤現(xiàn)象。而且重力式碼頭一般要求軟土層下地基地質(zhì)較好，才能達(dá)到地基承載力要求，因此一般在深厚軟土地區(qū)很難采用，即使采用，也需大范圍換填，或是采取密集灌注樁基礎(chǔ)的形式，花費人力物力巨大。而采用土工織物散體樁對深層軟土進(jìn)行淺層處理，形成具有抵抗一般外部荷載的“硬殼層”，在“硬殼層”上安置預(yù)制的沉箱或方塊等形成重力式碼頭，改變一般深層軟土只能建造高樁式碼頭的限制，在節(jié)約工程造價和縮短建設(shè)工期上起了一定的作用。

2.2土工織物散體樁處理軟土的機(jī)理和優(yōu)點

土工織物散體樁是一種新型的地基處理方法，其主要原理是采用碎石或砂礫等散體材料外套土工織物格柵形成基樁，該樁處理軟土地基，從機(jī)理上說同時具備了對軟土的置換、擠密加固、排水固結(jié)的功能，相較于傳統(tǒng)的碎石樁等又有樁基承載力較大的優(yōu)勢，其施工速度快、復(fù)合地基加固效果好、工程造價低。

土工織物散體樁適用于粉土、砂土、粘土、填土、淤泥質(zhì)土、腐質(zhì)土、雜填土等各種復(fù)雜地質(zhì)條件下的軟土地基，利用土工織物散體樁處理軟基，可不破壞地下水性環(huán)境，環(huán)保效果好，在含有酸、堿、鹽的地下水侵蝕下具有不怕腐蝕的特點，對地下水位變動大和有潮汐影響的的地質(zhì)條件有較強(qiáng)的適應(yīng)性。

2.3土工織物散體樁應(yīng)用于碼頭的結(jié)構(gòu)形式

土工織物散體樁在公路工程上已有不少成功案例，而在碼頭基礎(chǔ)的使用上實例還較少，有各方面的原因，一是水上施工有不小難度，二是作為半剛性樁的機(jī)理還不夠成熟。

水上施工可采用駁船配備散體樁施工設(shè)備的方式，根據(jù)碼頭前沿水深條件，以及土質(zhì)條件和碼頭結(jié)構(gòu)型式，計算采用合理的樁長、樁徑和樁間距，采用正方形或三角形布樁形式，在明基床上采用土工格室充填土石或混凝土填料，可在一定程度上形成具有較強(qiáng)的側(cè)向限制和大剛度的結(jié)構(gòu)體，抵擋來自碼頭一側(cè)水位變化及潮汐沖蝕的影響，對暗基床則可采用多層土工格柵充填砂石并夯壓密實構(gòu)成基礎(chǔ)褥墊層進(jìn)一步提高地基承載力。

3.土工織物散體樁破壞機(jī)理分析

3.1穩(wěn)定壓實階段

這一階段認(rèn)為為排水固結(jié)階段，土工織物散體樁處理碼頭軟基，在一定程度上形成豎向排水通道，陳建峰等的研究表明，土工織物散體樁土應(yīng)力比比一般碎石樁大三倍左右，呈現(xiàn)半剛性樁的特點，由太沙基一維固結(jié)理論，碎石樁豎向排水通道的存在，很大程度上會加大軟土在荷載下的次固結(jié)變形，地基的次固結(jié)沉降通常用下式計算：

3.2彈塑性發(fā)展階段

位于地表的具有較高強(qiáng)度和相當(dāng)大厚度的硬殼層，與下方的軟土形成較為鮮明的強(qiáng)度差和剛度差，這種由復(fù)合土層構(gòu)成的低剛度水平和很大厚度的結(jié)構(gòu)，在上部荷載作用下呈現(xiàn)一種特殊的承載方式，一種柔性的卻又類似板體性的承載方式，使地基的應(yīng)力分布和承載變形規(guī)律產(chǎn)生一系列特有的性質(zhì)。事實上，由土工織物散體樁構(gòu)成的復(fù)合地基，不僅在于保護(hù)下方軟土不受擾動，對荷載起擴(kuò)散作用，最重要的是它改變了地基的應(yīng)力分布，使荷載集中于地基上部和“硬殼層”內(nèi)，樁下方軟土由于“硬殼層”的板體作用而承受更小的壓力，地基的承載能力由此改善，穩(wěn)定性也大為提高。

隨著土工織物散體樁上部褥墊層及預(yù)制混凝土厚度的增加，地基的彈性平衡狀態(tài)將被打破，變形的增大將削弱硬殼層的板體性作用，荷載擴(kuò)散面減小，軟土上的應(yīng)力大幅度增加，樁的塑性變形迅速發(fā)展。盡管如此，此時的“硬殼層”內(nèi)仍然具有很強(qiáng)的應(yīng)力集中，經(jīng)處理過后的復(fù)合地基依然承受著大部分荷載，地基仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)，這時可叫做復(fù)合地基的彈塑性發(fā)展階段。

3.3極限承載階段

碼頭上土工織物散體樁處理深度與基床高度的關(guān)系尚待研究，但可以確定的是，隨著復(fù)合地基上部荷載的增大，其彈塑性承載階段將被打破，此后可分為三種情況：（1）“硬殼層”板體并未受到破壞，地基變形很大，荷載由在“硬殼層”中集中到“硬殼層”與軟土自然承擔(dān)，軟土上的應(yīng)力大為增長，地基很快趨于破壞；（2）“硬殼層”內(nèi)樁體變形量增大，在樁身下方一定區(qū)域內(nèi)有鼓脹變形趨勢，荷載來不及傳入下方軟土，“硬殼層”本身趨于破壞；（3）即樁身鼓脹破壞并伴隨復(fù)合地基整體沉降失穩(wěn)。

4.土工織物散體樁與剛性樁（灌注樁）的比較

以大連普灣新區(qū)某碼頭工程為例，在基礎(chǔ)設(shè)計階段選型時選用了土工織物散體樁基礎(chǔ)和灌注樁基礎(chǔ)作為對比方案。

工程地質(zhì)為水下岸坡，大部分地段回填形成陸域，海底標(biāo)高-1.39～1.99m，最大高差3.38m。根據(jù)鉆探揭露，場地地層自上而下為全新統(tǒng)拋石、全新統(tǒng)海積淤泥、粉質(zhì)粘土、更新統(tǒng)海、陸積粘土及震旦系南關(guān)嶺組石灰?guī)r。其中拋石層厚1～2m，淤泥層厚14～20m，其下粉質(zhì)粘土、粉土層厚約25m，再下層為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化石灰?guī)r。

（1）土工織物散體樁方案：采用衡重式塊石砼胸墻。頂標(biāo)高為+4.1m，上設(shè)0.6m高現(xiàn)澆砼壓頂，胸墻底部設(shè)有底板。為滿足地基承載力要求，需在底板底部設(shè)置土工織物散體樁，樁徑0.8m，正方形布置，中心間距1.5m，深度至-20m。然后將上層塊石層及部分已處理淤泥層挖除，開挖邊坡為1：2，然后基床回填，至頂標(biāo)高-5.0m，胸墻后回填10～100kg塊石棱體，棱體外設(shè)二片石和混合倒濾層。見圖（a）。

（2）灌注樁方案：基礎(chǔ)采用φ1200mm嵌巖灌注樁，樁間距4m，其余結(jié)構(gòu)相同。見圖（b）。

4.1土工織物散體樁復(fù)合地基計算

（1）承載力計算

土工織物散體樁單樁承載力采用以下公式計算：

5.結(jié)語

以上所研究的內(nèi)容對現(xiàn)有的碼頭結(jié)構(gòu)型式的應(yīng)用提供了一個全新的思路，由土工織物散體樁處理泥面下軟土，達(dá)到深厚軟基淺層處理的目的，使重力式碼頭或扶壁式碼頭結(jié)構(gòu)型式可在深厚軟基中得到應(yīng)用，在滿足地基承載力的情況下具有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效的特點。土工織物散體樁與樁間土構(gòu)成類似于“硬殼層”軟土地基的工程特性，但與“硬殼層”軟土地基并不完全一致，深層軟土之上的土工織物散體樁式復(fù)合地基具有更大的承載能力及更廣的適應(yīng)性。

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