廣州港新沙港區(qū)板樁碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方案比選分析

劉洪超李 華

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

近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,環(huán)保施工工藝得到認(rèn)可和推廣,高強(qiáng)度鋼材的使用使鋼板樁質(zhì)量更輕,在成功解決鎖扣問題后,鋼板樁沉樁施工便利的優(yōu)勢得以突顯。隨著碼頭泊位的大型化和深水化,板樁碼頭逐步出現(xiàn)了鋼管板樁、遮簾板樁、灌注樁排樁等結(jié)構(gòu)型式,板樁碼頭得到更多應(yīng)用[1-4]。

廣州港新沙港區(qū)駁船碼頭采用了鋼管板樁結(jié)構(gòu),并取得良好的效果。在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中如何選擇經(jīng)濟(jì)合理的水工主體結(jié)構(gòu)方案是項目設(shè)計的難點,本文結(jié)合受力、施工、造價等因素著重對鋼板樁和鋼管板樁兩種方案進(jìn)行比較分析,確定合理的設(shè)計方案并進(jìn)行總結(jié),以供類似工程設(shè)計參考。

1 工程概況

工程位于廣州港新沙港區(qū)(圖1),距離廣州市區(qū)約40 km,駁船碼頭位于挖入式港池內(nèi),碼頭總長度1 000 m,共布置4個3 000噸級和5個2 000噸級集裝箱船泊位,4 個工作船泊位。平面布置如圖2所示。

圖1 工程位置Fig.1 Location of the project

圖2 駁船泊位平面布置Fig.2 The layout of barge berth

2 自然條件

2.1 設(shè)計水位和波浪

工程所在地潮汐為不正規(guī)半日潮混合潮,高程系統(tǒng)采用當(dāng)?shù)乩碚撟畹统蔽弧ＴO(shè)計高水位：3.05 m(高潮累積頻率10%的潮位);設(shè)計低水位：0.37 m(低潮累積頻率90%的潮位);極端高水位：4.06 m(50年一遇);極端低水位：-0.41 m(50年一遇)。駁船泊位位于挖入式港池內(nèi),掩護(hù)條件良好,基本不受波浪影響。

2.2 地質(zhì)條件

根據(jù)中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院2017-07編制的《廣州港新沙港區(qū)11號12號通用泊位及駁船泊位工程施工圖階段勘察報告》①中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院.廣州港新沙港區(qū)11號12號通用泊位及駁船泊位工程施工圖階段勘察報告,2017.中沿碼頭前沿的勘察鉆孔分析結(jié)果可知：由上至下依次為淤泥、淤泥-淤泥質(zhì)土、淤泥質(zhì)土-粘土、粉土-粉質(zhì)粘土、殘積土、全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖(圖3)。強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖頂標(biāo)高變化起伏較大,頂標(biāo)高約為-12～-22 m。土層物理參數(shù)如表1所示。

圖3 典型地質(zhì)剖面①(m)Fig.3 Typical geological profiles①(m)

表1 土層物理參數(shù)①Table 1 Physical parameters of soil layers①

3 水工結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

駁船碼頭工程區(qū)域,風(fēng)、浪、流均較小,但根據(jù)勘察鉆孔揭示地質(zhì)條件復(fù)雜,巖面高程變化大,強(qiáng)風(fēng)化巖面頂標(biāo)高為-12～-22 m,根據(jù)初期篩選后確定了鋼管板樁和鋼板樁設(shè)計方案,著重對2個設(shè)計方案進(jìn)行介紹和比選。

3.1 鋼管板樁方案

鋼管板樁前墻由壁厚18 mm 直徑1 200 mm 鋼管樁與壁厚10 mm 的AZ18-10/10熱軋鋼板樁(材質(zhì)為S430GP)組合形成,碼頭后方設(shè)現(xiàn)澆錨碇墻,前墻和錨碇墻通過GB/T 20934-2007 GLG550-OU-80×34200鋼拉桿連接,鋼管板樁頂設(shè)胸墻,胸墻內(nèi)設(shè)水電管溝并兼顧門機(jī)前軌,胸墻后方設(shè)置1條獨(dú)立軌道梁,基礎(chǔ)采用直徑600 mm 間距2 520 mm 的B型PHC樁(壁厚130 mm)。鋼管樁主要起到支撐門機(jī)前軌和抗水平土壓力的作用并形成直立岸壁,根據(jù)受力需進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖或中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖;鋼管樁間采用鋼板樁連接形成整體,鋼板樁需穿透軟弱土層進(jìn)入相對密實的粘土層或砂層,主要起到擋土作用。鋼管板樁方案典型斷面如圖4所示。

圖4 鋼管板樁方案典型斷面Fig.4 Typical section of the steel tubular piled scheme

3.2 鋼管樁方案

鋼板樁前墻采用壁厚17.0 mm 的AZ52-700熱軋鋼板樁(材質(zhì)S430GP),胸墻后方設(shè)置2條獨(dú)立軌道梁,基礎(chǔ)采用直徑600 mm 間距2 520 mm 的B型PHC樁(壁厚130 mm)。其余結(jié)構(gòu)與鋼管板樁方案相同。鋼管板樁和鋼板樁方案前墻結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 前墻結(jié)構(gòu)Fig.5 The front wall structures in the steel tubular piled and the steel sheet piled schemes

4 受力分析

目前板樁碼頭計算理論以彈性線性法、豎向彈性地基梁法為主。在內(nèi)力分析時,多采用有限元計算方法進(jìn)行二維或三維模擬分析,有限分析方法主要分為模擬土體、考慮土體結(jié)構(gòu)相互作用和人工施加土壓力對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析兩種。模擬土體的有限元分析主要采用PLAXIS3D,PLAXIS2D 和ABAQUS等軟件[5-8],人工施加土壓力、對主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析的有限元分析主要采用ANSYS,ROBOT,WALLAP 和SAP2000等軟件[5-8]。

4.1 內(nèi)力計算

本文采用“彈性線法”計算前墻踢腳穩(wěn)定性、采用SAP2000進(jìn)行內(nèi)力分析,并將主體結(jié)構(gòu)簡化為二維模型來解決。鋼板樁結(jié)構(gòu)受力結(jié)構(gòu)為鋼板樁,鋼管板樁結(jié)構(gòu)主要受力結(jié)構(gòu)為鋼管樁,鋼管樁整體剛度、截面抵抗矩等遠(yuǎn)大于鋼板樁,鋼管板樁方案前墻受力時考慮組合結(jié)構(gòu)共同受力。

前墻、錨碇墻與土體之間模擬簡化為彈簧,前墻、錨碇墻、拉桿簡化為桿件結(jié)構(gòu),前墻、錨碇墻受到土體、均載等作用作為主動土壓力施加在結(jié)構(gòu)上,計算模型圖6所示,內(nèi)力計算結(jié)果如表2和圖7所示。

圖6 計算模型Fig.6 Computation model

表2 主要計算結(jié)果Table 2 Main calculation results

圖7 鋼管板樁和鋼板樁前墻彎矩(k N·m)Fig.7 The front wall bending moments of the steel tubular sheet pile and the steel sheet pile(k N·m)

4.2 主要結(jié)論

分析上述計算結(jié)果可知：

1)抗彎和抗變形能力方面：鋼管板樁結(jié)構(gòu)的樁身彎矩和樁頂位移均小于鋼板樁結(jié)構(gòu)。鋼管板樁主要受力結(jié)構(gòu)為鋼管樁,其間連接用鋼板樁主要作用為擋土,鋼板樁結(jié)構(gòu)為薄壁結(jié)構(gòu),鋼管板樁結(jié)構(gòu)截面抵抗距強(qiáng)于鋼板樁結(jié)構(gòu),剛度更大,因此鋼管板樁結(jié)構(gòu)較鋼板樁結(jié)構(gòu),整體性更好、抗彎、抗變形能力更強(qiáng)。

2)樁身應(yīng)力和對軟弱土層的適應(yīng)性方面：鋼管樁結(jié)構(gòu)樁身應(yīng)力小于鋼板樁結(jié)構(gòu)樁身,本項目鋼板樁方案中選取的鋼板樁型號為AZ52-700N 型,為抗彎能力較強(qiáng)的AZ型鋼板樁,本區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜,存在表層淤泥、淤泥質(zhì)土更厚的鉆孔,在局部會區(qū)域出現(xiàn)鋼板樁應(yīng)力超標(biāo)問題,為解決鋼板樁應(yīng)力超標(biāo)問題,需加大地基處理深度,在軟弱土層較厚的區(qū)域鋼管板樁結(jié)構(gòu)較鋼板樁結(jié)構(gòu)有更強(qiáng)的適應(yīng)性。

3)拉桿拉力及錨碇墻穩(wěn)定性方面：由于鋼管樁具有更強(qiáng)的抗變形能力,鋼管結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉桿拉力小于鋼板樁結(jié)構(gòu)的拉桿拉力,這使得鋼管樁結(jié)構(gòu)的錨碇結(jié)構(gòu)較鋼板樁結(jié)構(gòu)具有更好的穩(wěn)定性,這種現(xiàn)象隨著軟弱土層的增加更加明顯。

5 施工、造價分析

5.1 施工分析

駁船泊位工程區(qū)域巖面高程變化大,強(qiáng)風(fēng)化巖面頂標(biāo)高為-12～-22 m,著重結(jié)合地質(zhì)條件對施工方面進(jìn)行比較分析：

1)入巖可行性：由于巖面起伏較大,鋼板樁在部分區(qū)域需進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖,在施工過程中存在較大的難度,且易出現(xiàn)樁底卷邊、樁身偏位問題。鋼管樁通過重錘輕打可有效打入巖層,易保證施工質(zhì)量,鋼管樁結(jié)構(gòu)對復(fù)雜地質(zhì),尤其巖面起伏較大的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性更強(qiáng)。

2)豎向承載力：鋼板樁樁底面積較小,豎向承載力較低,不能兼作軌道梁基礎(chǔ),需單獨(dú)設(shè)置軌道梁基礎(chǔ)。鋼管樁可作為軌道梁基礎(chǔ),減少1條軌道梁樁基,可節(jié)省施工工期。

5.2 造價分析

鋼板樁方案與鋼管板樁方案主要區(qū)別在于前墻結(jié)構(gòu)和前軌道梁基礎(chǔ),造價分析主要對比工程量差異部分,以一個完整的鋼板樁、鋼管樁組合長度2.52 m 范圍內(nèi)的工程量進(jìn)行對比分析(表3)。

表3 造價對比分析Table 3 Comparison and analysis of the cost

由表3可知,由于鋼板樁每噸單價較鋼管樁每噸單價高,且鋼板樁方案增加了一排PHC 樁,鋼管板樁結(jié)構(gòu)方案每延米造價與鋼板樁結(jié)構(gòu)方案稍有節(jié)省,節(jié)省約247元/m。

6 結(jié) 語

通過分析廣州港新沙港區(qū)板樁碼頭工程可知,鋼管板樁在抗彎、抗變形、對復(fù)雜地基(軟弱土層較厚、巖層標(biāo)高較高的地基)的適應(yīng)性、兼顧豎向樁基基礎(chǔ)方面更具有優(yōu)勢。在復(fù)雜地質(zhì)條件下,相比鋼板樁結(jié)構(gòu),鋼管板樁結(jié)構(gòu)在造價方面并無劣勢,在減少一排獨(dú)立樁基的情況下也會節(jié)省工期也有一定的節(jié)省。隨著碼頭泊位的大型化和深水化,鋼管板樁結(jié)構(gòu)更具有優(yōu)勢,在類似工程設(shè)計中可優(yōu)先采用鋼管板樁結(jié)構(gòu)。