間隔嵌巖板樁結(jié)構(gòu)在越南永安港碼頭中的應(yīng)用

盛佳珺，崔 磊

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032)

1 工程概況

越南永安港是在越南中部偏北的一個(gè)新興港口，其位置優(yōu)越，地理坐標(biāo)為18°6′N(xiāo),106°16′E。本工程5#、6#泊位距離永安港大概15 km。

永安港碼頭由西向東依次布置2座5萬(wàn)噸級(jí)多用途泊位，泊位總長(zhǎng)度為450 m，設(shè)計(jì)寬度43 m。根據(jù)本工程碼頭設(shè)計(jì)靠泊船型，結(jié)合裝卸工藝設(shè)備配置和近遠(yuǎn)期貨運(yùn)量安排，碼頭上近期布置2軌，遠(yuǎn)期預(yù)留1軌，結(jié)合裝卸設(shè)備安全操作要求高、便于電纜槽和系纜等輔助設(shè)施布置的要求，前軌至碼頭前沿距離取3 m。前軌至后軌12 m為多用途門(mén)機(jī)軌距，遠(yuǎn)期預(yù)留1根與前軌軌距為24 m的軌道，作為遠(yuǎn)期集裝箱裝卸橋的軌道，預(yù)留集裝箱裝卸橋后軌至碼頭后沿16 m為集裝箱船倉(cāng)蓋板堆放區(qū)和前方作業(yè)堆場(chǎng)。碼頭面高程4.50 m，前沿設(shè)計(jì)泥面高程為-14.0 m，碼頭平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 碼頭平面布置(單位：m)

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

2.1 泥面高、水深淺

碼頭施工區(qū)域?yàn)檠睾Ｋ降匦?，地形較緩，各條等高線相互平行且臨近，與海岸線平行。碼頭面建于等高線平均高程約-2.00 m區(qū)域。工程區(qū)域設(shè)計(jì)高水位為2.23 m，設(shè)計(jì)低水位為0.40 m，水深在2.40～4.23 m。

2.2 波流條件差

根據(jù)對(duì)Vungang 灣觀測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)資料顯示，水流最強(qiáng)流速測(cè)得為0.41 ms，發(fā)生于高潮時(shí)期表層水流，潮流主流向?yàn)闁|向、東北向。工程區(qū)域北側(cè)與東海相連，東側(cè)及南側(cè)與物流園區(qū)相連，西側(cè)按照規(guī)劃與7#碼頭相連。根據(jù)規(guī)劃，該位置位于港池口門(mén)對(duì)面，該區(qū)域在未修建防波堤的現(xiàn)狀下，受海浪的直接影響最大，經(jīng)測(cè)得工程區(qū)域波要素見(jiàn)表1。

表1 50 a一遇波要素

2.3 持力層埋藏較深

碼頭區(qū)的地層主要為：①中密度砂、③軟質(zhì)黏土、⑤松散碎石、⑦a全風(fēng)化巖(含砂黏性土)、⑦b全風(fēng)化巖(含黏性土砂)、⑦c強(qiáng)風(fēng)化巖。其中⑦c強(qiáng)風(fēng)化巖層頂高程在-20.6～-18.8 m，地基承載力較高，土層主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2，碼頭前沿地勘剖面見(jiàn)圖2。

表2 各土層主要設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 碼頭前沿地質(zhì)剖面

3 碼頭結(jié)構(gòu)適應(yīng)性分析

高樁梁板結(jié)構(gòu)在淤泥質(zhì)軟土、黏性土、砂性土等土層中適應(yīng)能力強(qiáng)，其質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利用長(zhǎng)樁可以順利穿透上部軟弱覆蓋層達(dá)到較深的硬土持力層，結(jié)構(gòu)沉降變形小、透空性好、對(duì)碼頭前沿波浪小、泊穩(wěn)條件較好，并且其上部結(jié)構(gòu)大部分可采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)，與其他結(jié)構(gòu)形式相比具有施工方便、施工速度快、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。高樁結(jié)構(gòu)對(duì)軟弱地基及大水位差情況下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更具優(yōu)勢(shì)，碼頭前沿設(shè)計(jì)泥面為-14.0 m，按坡度1:5～1:3開(kāi)挖，每延米開(kāi)挖量達(dá)到225 m3，開(kāi)挖量很大。

重力式碼頭結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、耐久性好，對(duì)較大的集中荷載以及碼頭地面作業(yè)和裝卸工藝變化適應(yīng)性強(qiáng)，施工后期維護(hù)費(fèi)用少，但其對(duì)地基承載力要求較高，使用期結(jié)構(gòu)變形小。本工程區(qū)域表面約6 m范圍為中密度砂，而采用重力式結(jié)構(gòu)，持力層為⑦c強(qiáng)風(fēng)化巖層下臥于-20.6～-18.8 m，距現(xiàn)泥面有一定深度，基槽等結(jié)構(gòu)開(kāi)挖量大，且沉箱工程造價(jià)難以保證。

板樁結(jié)構(gòu)主要由板樁、錨碇、拉桿、上部結(jié)構(gòu)(帽梁、導(dǎo)梁或胸墻)等組成，板樁、錨碇系統(tǒng)施工完畢后，可進(jìn)行板樁墻后回填，也最大限度地降低了對(duì)周邊環(huán)境的影響。板樁結(jié)構(gòu)形式主要有鋼管樁板樁組合墻結(jié)構(gòu)、鋼板樁結(jié)構(gòu)、地連墻板樁碼頭結(jié)構(gòu)等，板樁碼頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鋼管板樁沉樁后，遮擋施工期波浪，改善后方施工條件，墻后主要施工工序可實(shí)現(xiàn)陸上施工[1-2]。板樁結(jié)構(gòu)對(duì)荷載使用下的結(jié)構(gòu)變形較為敏感，但板樁結(jié)構(gòu)可避免大面積開(kāi)挖，本工程碼頭和陸域呈連片式布置，土地資源利用相對(duì)更充分，使用相對(duì)方便。綜合考慮以上因素，本工程選用板樁結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)形式

本工程前沿設(shè)計(jì)水深較大，碼頭上部荷載大，墻后產(chǎn)生的側(cè)向土壓力也大，一般的鋼板樁斷面難以適應(yīng)板樁墻的彎矩和位移要求，因此，采用鋼管板樁結(jié)構(gòu)作為板樁墻結(jié)構(gòu)以滿(mǎn)足水平荷載和豎向荷載。

由于鋼管樁具有強(qiáng)度高、耐錘擊性好、在強(qiáng)風(fēng)化巖中穿透能力強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)，碼頭采用鋼管板樁結(jié)構(gòu)形式，前排鋼管板樁采用直徑1300 mm鋼管樁，樁間采用定型鎖扣連接，鎖扣內(nèi)灌素混凝土至泥面以下。鋼管樁中心間距1.379 m，底高程約-26.0 m，以⑦c強(qiáng)風(fēng)化巖層作為樁基持力層，根據(jù)地勘資料，-26～-22 m持力層采用間隔嵌巖樁結(jié)構(gòu)。上部為現(xiàn)澆鋼筋混凝土導(dǎo)梁，胸墻后設(shè)級(jí)配碎石和土工布作為倒濾結(jié)構(gòu)。碼頭斷面見(jiàn)圖3。

圖3 碼頭斷面及鋼管板樁間隔嵌巖(高程：m；尺寸：mm)

錨碇體系由錨碇樁、錨碇墻組成，錨碇樁同樣采用直徑1 300 mm鋼管樁，樁中心縱向間距3 m，基樁上部現(xiàn)澆錨碇墻，墻前設(shè)拋石棱體，前板樁與后錨碇樁中心距離35 m，中間設(shè)置鋼拉桿，拉桿直徑90 mm，間距1.379 m。碼頭前沿胸墻與導(dǎo)梁整體澆筑，上方設(shè)置軌道梁，軌道梁間距12 m，海側(cè)軌道梁下采用直徑1 300 mm間隔嵌巖鋼管板樁+直徑700 mm鋼管樁；岸側(cè)軌道梁一般段采用單排直徑700 mm鋼管樁，防風(fēng)錨碇分段采用雙排直徑700 mm鋼管樁。為避免陸側(cè)軌道梁兩側(cè)回填后，場(chǎng)地使用期產(chǎn)生明顯的高差，在岸側(cè)軌道梁兩側(cè)增設(shè)鋼筋混凝土拖板以增加車(chē)輛通行的平穩(wěn)性。場(chǎng)地內(nèi)回填及地基處理后采用碎石墊層及混凝土路面作為面層結(jié)構(gòu)。碼頭東西側(cè)各設(shè)置轉(zhuǎn)角封頭段，結(jié)構(gòu)形式與碼頭結(jié)構(gòu)基本相同。

本工程采用干地施工工藝，先期工程區(qū)域周?chē)鷮?shí)施臨時(shí)鋼板樁圍堰，由雙排U形鋼板樁和中間鋼拉索組成。板樁型號(hào)為CRP-U-1247，頂高程3.0 m，底高程-9.0 m。雙排板樁中間采用直徑30 mm、型號(hào)為6×7+IWS的鋼拉索，高程為1.5 m，間隔1 m布置。前后排鋼板樁之間和陸側(cè)以及施工場(chǎng)地范圍內(nèi)回填土至高程3.0 m。

4.2 沉樁可行性分析

為了判斷樁基施工的可行性，對(duì)周邊鄰近工程進(jìn)行調(diào)查，距本項(xiàng)目約6 km處已實(shí)施的某突堤碼頭護(hù)岸工程，采用直徑900 mm鋼管樁(密排，中心間距1 080 mm)，樁長(zhǎng)26 m，樁尖設(shè)計(jì)高程-23 m。樁基施工已完成，采用D608型打樁機(jī)，KB80型樁錘，錘質(zhì)量8 t。

根據(jù)工程區(qū)地質(zhì)沉樁資料，施工區(qū)域上到下大致分為砂層、中細(xì)粉砂至粗砂層、堅(jiān)硬黏土層、黏土質(zhì)砂夾礁石層、粉質(zhì)砂夾礁石層、粉砂巖夾板巖層(高度至全風(fēng)化)，其中-18.0 m以下土層的標(biāo)貫擊數(shù)大于50擊。該工程3根樁的打樁記錄見(jiàn)表3。

表3 臨近工程典型沉樁記錄

可見(jiàn)采用KB80型樁錘，能正常沉樁，樁基進(jìn)入大于50擊的土層厚度約為5 m。為保證前墻穩(wěn)定性，要求確保直徑1300 mm前鋼管板樁樁尖高程-25.0 m，進(jìn)入大于50擊的土層厚度約為7 m，直徑700 mm鋼管樁和直徑800 mmPHC管樁樁尖約-20.5 m，見(jiàn)圖4，保證達(dá)到承載力即可。采用陸上沉樁工藝，先期工程區(qū)域周?chē)鷮?shí)施板樁圍堰，內(nèi)部回填至高程1.0 m。陸上沉樁可采用履帶式打樁架，配置錘型可選擇的有柴油錘、振動(dòng)錘或者液壓錘。

振動(dòng)錘克服土體側(cè)摩阻力后沉樁入土，激振力設(shè)計(jì)值Fv按下式計(jì)算：

Fv>FR(=fUL)

(1)

式中：FR為振動(dòng)錘的激振力計(jì)算值(kN)；f為土層單位面積的動(dòng)摩擦力(kNm2),取砂性土取20 kNm2，黏土取40 kNm2；U為樁的周長(zhǎng)(m)；L為樁的入土深度(m)，取20 m。

對(duì)激振力設(shè)計(jì)值按以下公式復(fù)驗(yàn)：

FV=0.04n2M

(2)

M=Aω

(3)

式中：n為振動(dòng)錘轉(zhuǎn)速(rs)，取20 rs；M為振動(dòng)錘偏心距(N·m)；A為振幅(m)，取0.011 m；ω為樁和錘總重力(kN)，取15.5 kN。

經(jīng)計(jì)算，振動(dòng)錘的激振力設(shè)計(jì)值Fv> 2 430 kN，要求較高，只有較少的大型振動(dòng)錘才能達(dá)到。結(jié)合成功的工程實(shí)例，認(rèn)為選用柴油錘或液壓錘沉樁基本可行，因本工程的樁徑更大，進(jìn)入硬土層更深，因此錘型應(yīng)在KB80以上，具體可通過(guò)試打樁典型施工來(lái)確定[3]。

圖4 沉樁施工(高程：m；尺寸：mm)

4.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

4.3.1內(nèi)力計(jì)算

鋼管板樁組合墻結(jié)構(gòu)為拉錨板樁結(jié)構(gòu)，采用通用空間軟件Plaxis分析計(jì)算，選取標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)分段進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析[4]。Plaxis軟件計(jì)算采用有限單元法，土體材料采用摩爾-庫(kù)侖模型。施工期和使用期計(jì)算模型見(jiàn)圖5。

按照J(rèn)TS 167—2018《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用豎向彈性地基梁法計(jì)算，樁基采用桿系有限元，水平地基反力系數(shù)按m法確定[5]。作用在碼頭結(jié)構(gòu)上的荷載有結(jié)構(gòu)自重、自重土壓力、均載土壓力、剩余水壓力、系纜力、撞擊力、岸橋荷載、波浪力等荷載，根據(jù)結(jié)構(gòu)上可能出現(xiàn)的作用，按照承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，結(jié)合相應(yīng)設(shè)計(jì)狀況進(jìn)行作用效應(yīng)組合，按規(guī)范規(guī)定選取作用的分項(xiàng)系數(shù)和組合系數(shù)[6]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

圖5 Plaxis計(jì)算模型

表4 碼頭內(nèi)力結(jié)果

注：Plaxis考慮后導(dǎo)梁墻前土作用；括號(hào)內(nèi)數(shù)值為施工期最大位移；“”前數(shù)值為正彎矩(扭矩)，“”后數(shù)值為負(fù)彎矩(扭矩)。

4.3.2岸坡穩(wěn)定計(jì)算

岸坡整體穩(wěn)定計(jì)算按平面問(wèn)題考慮，采用圓弧滑動(dòng)法計(jì)算。選用LK12計(jì)算斷面，板樁結(jié)構(gòu)經(jīng)計(jì)算滿(mǎn)足岸坡整體穩(wěn)定要求。

5 結(jié)語(yǔ)

1)本工程采用前墻間隔嵌巖鋼管樁、鋼拉桿錨定墻板樁式結(jié)構(gòu)方案是合理、可行的。

2)通過(guò)Plaxis軟件采用有限單元法計(jì)算，本結(jié)構(gòu)方案是安全的，內(nèi)力、位移可控。

3)工程區(qū)域采用KB80以上柴油錘或液壓錘沉樁可行，可通過(guò)試打樁典型施工來(lái)確定錘型和停錘控制標(biāo)準(zhǔn)。

4)相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)論為間隔嵌巖板樁結(jié)構(gòu)在越南永安地區(qū)碼頭工程中運(yùn)用提供理論設(shè)計(jì)依據(jù)，為后續(xù)沉樁施工提供了技術(shù)支撐，供工程類(lèi)似設(shè)計(jì)提供參考。