剛性樁復(fù)合地基和復(fù)合樁基在重力式碼頭中的應(yīng)用

吳曉龍

（中鐵建蘇州設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000）

提要：在某重力式碼頭設(shè)計(jì)過程中，分別采用剛性樁復(fù)合地基方案和復(fù)合樁基方案解決地基承載力不足的問題，總結(jié)了兩種方案的主要計(jì)算過程和計(jì)算理論，供類似設(shè)計(jì)參考。

引 言

現(xiàn)行《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 167-2018）指出，重力式碼頭地基承載力不足時(shí)可采用樁基，但水運(yùn)行業(yè)相關(guān)規(guī)范并未給出采用樁基時(shí)地基承載力的計(jì)算方法。重力式碼頭采用樁基礎(chǔ)時(shí)，樁基位于泥面以下，參考其他相關(guān)行業(yè)規(guī)范，常規(guī)的計(jì)算理論有《建設(shè)地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2011）中的復(fù)合地基理論和《建筑樁基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ 94-2008）中考慮承臺效應(yīng)的復(fù)合樁基理論。

剛性樁復(fù)合地基是部分土體被剛性樁置換而形成的由地基土和剛性樁共同承載荷載的人工地基；復(fù)合樁基是由基樁和承臺下地基土共同承擔(dān)荷載的樁基礎(chǔ)。二者的不同之處在于：前者上部荷載主要由樁間土承擔(dān)，后者上部荷載主要由基樁承擔(dān)。

剛性樁復(fù)合地基通過樁體將承受的上部荷載向下層土體傳遞，減小了樁間土的荷載，提升了復(fù)合地基的承載力。剛性樁復(fù)合地基通常會在樁頂與上部結(jié)構(gòu)之間鋪設(shè)一定厚度的褥墊層，褥墊層具有減小基礎(chǔ)底面的集中應(yīng)力，調(diào)整樁土荷載分擔(dān)比，保證樁土共同作用的功能。

復(fù)合樁基樁頂與上部結(jié)構(gòu)直接相連，摩擦型群樁在豎向荷載作用下，由于樁土相對位移，樁間土對承臺產(chǎn)生一定的豎向抗力，成為樁基豎向承載力的一部分而承擔(dān)荷載，該效應(yīng)成為承臺效應(yīng)。復(fù)核樁基上部荷載主要由基樁承擔(dān)，承臺底部樁間土體承擔(dān)的荷載占比受樁間土類型、樁中心距、樁長等因素影響。

1 基礎(chǔ)資料

擬建工程位于某內(nèi)河，為工作船碼頭。主要設(shè)計(jì)資料如下：

1）設(shè)計(jì)高水位20.60 m；設(shè)計(jì)低水位13.70 m。

2）地面均載20 kPa。

3）船舶系纜力150 kN。

4）抗震設(shè)防烈度為 6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g。

5）設(shè)計(jì)采用某鉆孔資料，主要指標(biāo)如表1。

表1 各地層指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

2 上部主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料及使用要求，擬定上部結(jié)構(gòu)采用重力式現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，碼頭斷面采用衡重式，碼頭前沿頂高程 21.60 m，碼頭前沿底高程9.60 m，現(xiàn)澆混凝土墻身高 12.0 m，墻身底寬6.60 m。墻身底部設(shè)置厚1.30 m的現(xiàn)澆鋼筋混凝土基礎(chǔ)板?；A(chǔ)板底寬9.0 m。

圖1 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意

根據(jù)《水運(yùn)工程地基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 147-2017）采用對數(shù)螺旋滑動面按條分法進(jìn)行計(jì)算，地基承載力主要計(jì)算結(jié)果如表2。

按上述計(jì)算結(jié)果，碼頭結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0，地基承載力抗力分項(xiàng)系數(shù)計(jì)算值最小值為1.65，不能滿足規(guī)范要求（規(guī)范要求分項(xiàng)系數(shù)2.0～3.0），需要對原地基進(jìn)行處理?；A(chǔ)板底部荷載計(jì)算結(jié)果如表3。

表2 地基承載力主要計(jì)算結(jié)果

表3 基礎(chǔ)板底部荷載計(jì)算結(jié)果 /kPa

3 剛性樁復(fù)合地基方案

3.1 地基承載力驗(yàn)算

基礎(chǔ)底面的壓力，應(yīng)符合下列規(guī)定[1]：

式（1）、（2）中各符號解釋詳見文獻(xiàn)[1]。

根據(jù)本文第 2節(jié)計(jì)算結(jié)果，最不利組合情況下，pk=（149.5+251.7）/2=200.6 kPa，pkmax=251.7 kPa。綜合上述公式（1）、（2），為滿足地基承載力要求，本工程修正后的復(fù)合地基承載力需滿足條件fa≥209.7 kPa。

3.2 復(fù)合地基承載力特征值

修正后的地基承載力特征值按下式計(jì)算[1]：

式（3）中各符號解釋詳見文獻(xiàn)[1]。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]3.0.4條，基礎(chǔ)寬度的地基承載力修正系數(shù)ηb取0，基礎(chǔ)埋深的地基承載力修正系數(shù)ηd取1.0。為簡化計(jì)算，忽略褥墊層厚度，本工程基礎(chǔ)埋深d為1.3 m，基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度γm近似取10.0 kN/m3。將以上數(shù)據(jù)帶入公式（3），修正后的地基承載力特征值計(jì)算公式為：

復(fù)合地基承載力特征值按下式計(jì)算[2]：

式（5）、（6）中各符號解釋詳見文獻(xiàn)[2]。

設(shè)計(jì)樁基采用PHC-400-AB型管樁，等邊三角形布置，樁距1.2 m，基礎(chǔ)底面以下樁長12.0 m。上式中系數(shù)λ、β、ap均取1.0。經(jīng)計(jì)算面積置換率m=0.10，Ra=470.2 kN， fspk=485.0 kPa。

綜上，fa=493.0 kPa≥209.7 kPa，復(fù)合地基承載力滿足要求。

4 復(fù)合樁基方案

4.1 樁基豎向承載力驗(yàn)算

偏心豎向力作用下，樁基豎向承載力計(jì)算應(yīng)符合下列要求[3]：

式（7）、（8）中各符號解釋詳見文獻(xiàn)[3]。

根據(jù)本文第 2節(jié)計(jì)算結(jié)果，pk=200.6 kPa，pkmax=251.7 kPa。

設(shè)計(jì)樁基型號及布置方案與復(fù)核地基方案相同。經(jīng)計(jì)算，單根樁分擔(dān)的面積為 1.25 m2，基樁平均豎向力和最大豎向力為：Nk=200.6×1.25=250.8 kN，Nkmax=251.7×1.25=314.6 kN。

綜合式（7）、（8），為滿足樁基豎向承載力要求，本工程復(fù)合基樁豎向承載力需滿足條件R≥262.2 kN。

4.2 單樁豎向承載力特征值

考慮承臺效應(yīng)的復(fù)合基樁豎向承載力特征值按下列公式計(jì)算[3]：

式（9）、（10）、（11）中各符號解釋詳見文獻(xiàn)[3]。

經(jīng)計(jì)算，式中各參數(shù)值為：Ra=470.2 kN，ηc=0.10，fak=120 kPa，Ac=1.12 m2，將各參數(shù)代入式（9）可得R=489.1 kN。

綜上，R=489.1 kN≥262.2 kN，復(fù)合基樁豎向承載力滿足要求。

5 結(jié) 語

雖然在擬定的樁基設(shè)計(jì)參數(shù)條件下兩種方案均能滿足地基（樁基）承載力要求，但采用復(fù)合地基方案安全儲備（493.0/209.7=2.35）要優(yōu)于復(fù)合樁基方案（489.1/262.2=1.87）。主要原因在于，采用復(fù)合地基方案，在褥墊層的作用下，原地基土能相對較大的發(fā)揮其承載力，特別是采用擠土樁時(shí)，樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)較高（可達(dá)0.9～1.0）。而復(fù)合樁基方案由于沒有褥墊層，上部荷載直接作用于樁基上，承臺效應(yīng)系數(shù)（承臺底面地基土承載力發(fā)揮率）較小，特別是在樁距較小的情況下（本工程僅約0.10），樁間土所起的作用有限。因此，在同等條件下按承載力控制設(shè)計(jì)，剛性樁復(fù)合地基經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于復(fù)合樁基。