高震地區(qū)墩式碼頭樁基布置比較

熊浦年 廣東省航運規(guī)劃設(shè)計院有限公司

1.研究背景

印尼某電廠配套8000 噸級駁船碼頭位于北緯1°22′08.21″東經(jīng)125°05′08.67″海域，該海域位于全球地震活動最強烈的環(huán)太平洋火山帶地震中。碼頭建設(shè)因受到項目地質(zhì)條件及及施工技藝、等多方面的制約需采用高樁墩式碼頭結(jié)構(gòu)。樁基碼頭的整體剛度相對于重力式碼頭而言較小，在受震情況下容易產(chǎn)生較大的位移。因此研究比較一種合理的樁基布置形式對于本項目的實施，以及后續(xù)同類項目的建設(shè)具有較大意義。

2.自然條件

2.1 設(shè)計水位

本報告的高程系統(tǒng)采KEMA克馬平均海平面。

極端高水位（重現(xiàn)期50年高水位）：0.94m

設(shè)計高水位（高潮累積頻率10%）：0.73m

設(shè)計低水位（低潮累積頻率10%）：-0.56m

極端低水位（重現(xiàn)期50年低水位）：-0.69m

平均水位：0.0m

2.2 泥沙及波浪

根據(jù)本項目的波浪泥沙數(shù)學(xué)模型及水文報告，項目所在地主要為以弱潮汐漲落控制基巖粉砂質(zhì)海岸，泥沙來源有限，主要粒徑為0.02mm到0.05mm之間，少數(shù)礫石區(qū)域的中間礫徑在8.25至10.05mm之間。根據(jù)數(shù)模及物模結(jié)果，碼頭竣工后，最大水流流速約為0.23米每秒。由于碼頭東側(cè)已建電廠取水口攔砂堤，故泥沙對碼頭的影響較小。

本工程對海域波況進(jìn)行了為期1個月的監(jiān)測，測量時間為2018年8月4日～2018年9月3日。分析結(jié)果顯示工程海域波浪方向較為集中，體現(xiàn)為S～SE之間，強浪向及常浪向為SSE向，發(fā)生頻率約52%，平均波高0.58m、平均周期3.4s、最大有效波高1.14m、最大波高為1.9m。且本碼頭屬透空式樁基結(jié)構(gòu)，故本碼頭水工結(jié)構(gòu)對波浪作用的影響可以忽略不計。

2.3 工程地質(zhì)

依據(jù)現(xiàn)狀碼頭的相關(guān)地質(zhì)勘查報告，本工程碼頭所處地區(qū)地質(zhì)分布比較均勻，起伏不大，上軟下硬。基本上分為灰色淤泥，灰色亞粘土（局部為灰色淤泥質(zhì)亞粘土），灰色中粗砂和砂頁巖風(fēng)化層。

根據(jù)地勘報告揭示的結(jié)果以及現(xiàn)場試驗、實驗室試驗所測得的數(shù)據(jù)。場地地下土壤剖面由軟至硬粘土/淤泥土組成，鉆孔深度達(dá)60m?？纱篌w上分為3層：第1層：非常松散至中密砂，位于海底平面以下約10m至12m。第2層：由中軟粉質(zhì)粉砂組成（SPT值為4至15）這些層位于海平面下12至50m。第3層：硬粉質(zhì)，深至極深砂組成，SPT值大于50，位于海平面下50m。

3.總平面布置

3.1 總平面布置原則

總平面布置在靠考慮電廠使用方式，船舶裝卸作業(yè)及項目總投資的基礎(chǔ)上，結(jié)合項目所在地波浪，水深等自然條件上，依照《海港總體設(shè)計規(guī)范》（JTS 165-2013）等相關(guān)規(guī)范要求；充分考慮碼頭裝卸工藝，提高固定設(shè)備的裝卸效率，減少皮帶機及輸煤廊道的長度。在滿靠泊要求前提下，盡可能利用原有的水深條件，減少疏浚量，降低工程造價，節(jié)約投資。

3.2 設(shè)計船型主尺寸

設(shè)計代表船型主尺寸見表1。

表1 設(shè)計代表船型尺度

3.3 碼頭平面布置方案

印尼某電廠配套碼頭作為電廠輸煤來源的重要分部工程，主要采用高樁墩式結(jié)構(gòu)，碼頭總長122米，最大處寬度17米。共5個墩臺，包括兩個系纜墩臺，兩個靠船吊機墩臺，一個卸煤漏斗平臺墩臺。碼頭前方作業(yè)平臺通過長150米寬8米的引橋與后方陸域相連，碼頭平面布置方案詳見圖1。

圖1 碼頭水工平面布置方案圖

4.結(jié)構(gòu)分析

針對碼頭受震下可能出現(xiàn)破壞最為嚴(yán)重的組分進(jìn)行地震反應(yīng)譜分析，通過調(diào)整樁基平面布置形式，樁的扭轉(zhuǎn)角度，分析樁身受力的變化及結(jié)構(gòu)的整體位移，推薦較為合理耐用的樁基平面布置形式。

4.1 分析對象選取

因吊機靠船墩臺作為碼頭主要墩臺中承受荷載種類最多，包括固定吊荷載、波浪荷載、撞擊力荷載、系纜力荷載等，荷載載荷最大，數(shù)量最多。且碼頭受震時工作人員的安全隱患較重，所以選擇靠船墩臺作為本報告分析的水工構(gòu)筑物。

4.2 碼頭荷載

①碼頭前沿均布荷載：20kPa。

②固定吊基礎(chǔ)荷載：最大傾覆力矩6900kN·m，最大垂直力1250kN,最大水平力140kN。

③移動荷載：25t汽車吊。

④系纜力650kN，撞擊力445kN每鼓（兩鼓一板）。

4.3 地震荷載及反應(yīng)譜

4.3.1 場地條件

場地參數(shù)見表2。

表2 場地參數(shù)

4.3.2 反應(yīng)譜

根據(jù)ASCE 7-1011.4條計算地震加速度反應(yīng)譜相關(guān)特征參數(shù)，并通過MIDAS CIVIL有限元分析軟件倒入后可得設(shè)計加速度反應(yīng)譜曲線如下：

通過計算整理

對于T≤T0:（分段①）

圖2 無量綱加速度反應(yīng)譜曲線

4.4 吊機靠船墩臺結(jié)構(gòu)方案

吊機靠船墩臺主要由上部現(xiàn)澆C40混凝土實體墩及下部樁基組成，由于項目地處于環(huán)太平洋火山地震帶，震烈較大，周期較長，因此樁基優(yōu)先選用，質(zhì)量輕，延性大，彈性好的鋼管樁，以降低地震危害。墩臺采用直徑1016mm的鋼管樁。樁身材料為ASTM A252，壁厚18mm。鋼管樁打入持力層ML砂層不少于2倍樁徑且最后10擊的平均貫入度小于6mm。

圖3 碼頭水工平面布置方案圖

吊機墩臺上部尺寸為17m長，15m寬，厚度為2m。本文分析的3種吊機墩臺結(jié)構(gòu)方案主要區(qū)別于樁基的布置方案。

方案一：吊機靠船墩臺采用全直鋼管樁，規(guī)格為Φ1016mm鋼管樁，壁厚18mm形成基礎(chǔ)，樁長50.1m。

方案二：吊機靠船墩臺中心采用4根斜度為3:1扭角為30°的斜樁，其余為全直樁。

方案三：吊機靠船墩采用全斜樁，斜度為3:1扭角為30°。

5.結(jié)構(gòu)計算

本次計算采用“MIDAS CIVIL有限元軟件”對結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計算。

碼頭作用包括結(jié)構(gòu)自重、地震作用、船舶作用力、人群荷載、堆貨荷載、工藝設(shè)備及流動機械荷載等。各作用效應(yīng)按《水運工程抗震設(shè)計規(guī)范》JTS 146-2012,對實際可能在碼頭結(jié)構(gòu)上同時出現(xiàn)的作用，按不同水位情況下偶然狀況予以考慮組合。

地震作用下的荷載組合主要考慮地震效應(yīng)+結(jié)構(gòu)自重力+船舶系纜力。

吊機靠船墩臺采用全直樁，規(guī)格為Φ1016mm鋼管樁，壁厚18mm形成基礎(chǔ)，樁長50.1m，鋼管樁持力層進(jìn)入ML砂層不少于2倍樁徑且最后10擊的平均貫入度小于6mm。其樁基內(nèi)力和單樁承載力設(shè)計值見表4。

表3 樁基特征表

表4 樁基承載力計算結(jié)果表

圖4 墩臺斷面圖

6.對比分析

三種結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)缺點對比情況見表5。

表5 結(jié)構(gòu)方案比選表

結(jié)合樁基礎(chǔ)受力及施工方法分析，結(jié)構(gòu)方案一樁基礎(chǔ)受力分布更均勻，整體性好，且施工較為方便，地震下樁基結(jié)構(gòu)的受力較為均衡，能充分發(fā)揮鋼管樁延性大的優(yōu)勢，減少震時結(jié)構(gòu)損壞的可能性。結(jié)構(gòu)方案二均布斜樁方案，使用期設(shè)置斜樁的墩臺能有效減少船舶靠船時結(jié)構(gòu)體系承受水平作用力下的橫向位移，但局部的斜樁支撐容易使得局部剛度發(fā)生較大的變化，地震作用下荷載較為集中，容易造成樁端拉裂，劈裂等損傷。結(jié)構(gòu)方案三全斜樁方案能有效提高碼頭的水平剛度，提升使用過程中的抗水平位移能力，但為滿足抗震要求，需設(shè)置較多的斜樁。樁基間距較近，且斜度不一，施工較為不變。綜合考慮，本次設(shè)計推薦結(jié)構(gòu)方案一。

7.設(shè)計體會和結(jié)論

（1）強震地區(qū)高樁墩式碼頭的樁基布置對于研究強震下高樁墩式碼頭樁基結(jié)構(gòu)的強度以及受震下樁基的破壞成因具有重要的參考與指導(dǎo)意義，對于地震地區(qū)樁基的布置方式具有一定的借鑒意義。

（2）采用全直樁基礎(chǔ)的高樁墩式碼頭能夠有效的提升結(jié)構(gòu)體自身的自振周期，雖減少了結(jié)構(gòu)體抗水平位移的能力，但同時降低的結(jié)構(gòu)體在水平向的剛度大小，使得地震作用的水平荷載難以對結(jié)構(gòu)體局部造成較大的破壞，降低了結(jié)構(gòu)體震后受損的風(fēng)險。

（3）高樁墩式碼頭由于上部墩體現(xiàn)澆混凝土量較大，上部結(jié)構(gòu)體積大，質(zhì)量較大，受震時全斜樁結(jié)構(gòu)需要大量的斜樁來分散地震作用下產(chǎn)生的樁拔力，工程造價較大，且施工較為不便，設(shè)計過程中還需大量對比研究樁基的布設(shè)方式，對設(shè)計與施工均有一定的難度。但在可能的情況下，采用全斜樁的合理的布置形式能夠?qū)s束結(jié)構(gòu)體水平向位移產(chǎn)生積極的作用。

（4）對于有使用與作業(yè)要求的墩臺在考慮地震作用時碼頭的位移除應(yīng)考慮平臺面本身的位移，還應(yīng)考慮樁土接觸面，及設(shè)備上方作業(yè)空間的位移，對結(jié)構(gòu)的整體安全性進(jìn)行充分的研究。

8.總結(jié)

隨著世界各地經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向轉(zhuǎn)變以及第三世界國家對工業(yè)性基建設(shè)施的需求增加等因素，碼頭建設(shè)的范圍也逐步加大，許多地震帶上的第三世界國家對于建設(shè)港口需求也逐步加大。如何在條件較為惡劣的地震帶上建設(shè)碼頭逐漸成為了我國一帶一路建設(shè)過程中亟需考慮的問題。結(jié)合本項目的研究與分析，采用全直樁的鋼管墩式樁碼頭抵抗強震災(zāi)害的能力較強，其不但能充分發(fā)揮鋼管樁自身延性，彈性較好的，且質(zhì)量輕的特征。還能減少震時結(jié)構(gòu)的破壞可能性，降低震后結(jié)構(gòu)破壞的程度，還能極快的加大項目的施工速度，既便于設(shè)計分析，也便于施工。本文通過對不同樁基形式的墩式碼頭受震情況下樁身內(nèi)力的分析比較，對強震地區(qū)下高樁墩式碼頭的樁基設(shè)計及平面布置具有一定意義，也為同類型碼頭工程優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一種思考方向。