高樁碼頭樁基設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

李王紅 中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院深圳有限公司

1.工程概況

某碼頭工程施工現(xiàn)場(chǎng)岸坡，坡比1∶1.5～1∶1.7，岸坡較陡，同時(shí)樁基覆蓋層厚度不足，樁體入土深度有限，可能會(huì)影響到樁的穩(wěn)定性。若該碼頭建設(shè)中均采用的是PHC（Prestressed High-strength Concrete，預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土）管樁，樁基施工期間穩(wěn)樁較困難，且靠船時(shí)碼頭可能有較大的水平位移。鑒于此，項(xiàng)目組織優(yōu)化設(shè)計(jì)，選用Φ800mm的PHC管樁和Φ900mm嵌巖樁的組合樁基方案，有效突破現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件的限制，提高樁基結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性。

2.高樁碼頭的常見樁型及特點(diǎn)

高樁碼頭建設(shè)中，應(yīng)用較為廣泛的樁型有PHC管樁和鋼管樁，但部分工程中前沿水深較大，樁體的入土深度有限，不利于樁體的施工，可能會(huì)由于樁基的承載力和抗拔力不足等原因出現(xiàn)問題。此時(shí)，除了考慮PHC管樁等常規(guī)方法外，還需將樁端穩(wěn)定嵌入巖體內(nèi)，并采取錨固處理，即建設(shè)穩(wěn)定可靠的嵌巖樁，保證成樁質(zhì)量。

2.1 PHC管樁

PHC管樁在高樁碼頭工程中較為常見，生產(chǎn)預(yù)制具有流程化、規(guī)范化的特點(diǎn)，在保證管樁成型質(zhì)量的同時(shí)還可提高效率。以C80混凝土為基礎(chǔ)材料，制作合適尺寸的PHC管樁，可充分發(fā)揮出PHC管樁的高強(qiáng)度、高耐久性、高抗?jié)B性等多方面的性能優(yōu)勢(shì)。得益于PHC管樁的多重突出性能，深受工程人員的青睞，因此成為高樁碼頭建設(shè)中普遍采用的樁型。但需注意，PHC管樁有一定的脆性，樁體對(duì)地質(zhì)條件較為敏感，若存在錘擊應(yīng)力集中易導(dǎo)致樁身縱向裂縫，若存在較厚的硬質(zhì)夾層錘擊過程中易產(chǎn)生環(huán)狀裂縫，以上均會(huì)給碼頭工程造成不良影響，同時(shí)PHC樁必須采取先整樁拼接再施工或是整樁預(yù)制的方法，但目前的船機(jī)的起吊能力以及港工類樁基水平荷載作用影響較大等因素，PHC樁的樁長(zhǎng)受到一定的限制。

2.2 鋼管樁

鋼管樁的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在強(qiáng)度高、延展性好、抗彎能力強(qiáng)、抗水平荷載效果好等多個(gè)方面。施工中，可較為便捷地完成鋼管樁的水上接樁、截樁作業(yè)。鋼管樁的適用范圍較廣，通常在各類土層中均具有可行性，即便樁體打設(shè)深度范圍內(nèi)為硬地層，也依然可以有效打入。樁端持力層起伏較大時(shí)，若操作得當(dāng)，鋼管樁也可有效打設(shè)到位。但鋼管樁抗腐蝕性能差、易生銹，影響樁體的完整性和耐久性且造價(jià)偏高。

2.3 嵌巖樁

嵌巖樁是碼頭工程建設(shè)中較為常見的樁型，具備抗震、承載力大等多重優(yōu)勢(shì)，在覆蓋層淺、基巖坡度較大的地區(qū)依然具有可行性。在合理設(shè)置嵌巖樁后，可充分發(fā)揮出基巖的承載性能優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而保證單樁有更強(qiáng)的承載力。嵌巖樁的缺陷在于施工難度較大、細(xì)節(jié)多、周期長(zhǎng)，且普遍存在造價(jià)偏高的局限性。

3.高樁碼頭樁基設(shè)計(jì)

3.1 單樁承載力設(shè)計(jì)

立足于碼頭樁基使用工況，結(jié)合樁基承載力要求，合理組織樁基設(shè)計(jì)工作，經(jīng)過對(duì)方案分析后，決定采用Φ800mm的PHC管樁+Φ900mm嵌巖鋼管樁的組合樁基方案。

PHC管樁設(shè)計(jì)中，要求樁體有足夠的單樁垂直極限承載力Q，具體可按式（1）計(jì)算。

式中：為單樁垂直承載力分項(xiàng)系數(shù)，取1.45；U為樁周身長(zhǎng)度（m）；q為樁的極限側(cè)摩擦阻力（kPa）；l為樁在各土層中的長(zhǎng)度（m）；q為樁端極限阻力（kPa）；A為樁尖截面面積（m）。

基于已經(jīng)掌握的地層資料，用前述所提的公式（1）展開計(jì)算，得到Q的最小值為3436kN，Q的最大值為4568kN，發(fā)生位置分別在碼頭前沿、碼頭后沿。

對(duì)于嵌巖樁，按公式（2）計(jì)算，確定單樁垂直極限承載力Q。

根據(jù)鋼管樁的分布位置分析，鋼管樁均集中在碼頭前沿，因此計(jì)算時(shí)著重考慮碼頭前沿地基的相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算，確定Q的最小值、最大值分別為6300kN、8600kN。

3.2 水平力作用下樁的計(jì)算

3.2.1 彈性長(zhǎng)樁

根據(jù)入土深度的不同劃分樁體，具體類別及各自的判斷標(biāo)準(zhǔn)見表1。

注：L為樁的入土深度，m；T為樁的相對(duì)剛度系數(shù)。

按公式（3）計(jì)算，可求得T值。

式中：E為樁材料的彈性模量（kN/m）；I為樁截面慣性矩（m）；m為樁側(cè)地基土水平抗力系數(shù)隨深度增長(zhǎng)的比例系數(shù)（kN/m）；b為樁的換算寬度（m）。

基于已掌握的工程數(shù)據(jù)展開計(jì)算，確定PHC管樁的T值為2.75，進(jìn)一步結(jié)合表1給出的判斷標(biāo)準(zhǔn)加以分析，對(duì)于PHC管樁而言，樁的入土深度＞11m時(shí)，才具備成為彈性長(zhǎng)樁的條件。

表1 樁體的劃分標(biāo)準(zhǔn)

3.2.2 受彎嵌固深度的計(jì)算

按公式（4）確定受彎嵌固深度。

式中：t為受彎嵌固點(diǎn)距泥面深度（m）；η為系數(shù)，取1.8～2.2，T樁的相對(duì)剛度系數(shù)。

從工程實(shí)際情況來看，排架樁基樁頂采取的是鉸接的設(shè)置方法，與此同時(shí)樁基有相對(duì)較大的自由長(zhǎng)度，因此認(rèn)為η值取較小值更為合適，即1.8。經(jīng)計(jì)算，t為4.95m，此處按5m考慮。

3.3 樁型布置設(shè)計(jì)

3.3.1 多種樁型布置方案

方案Ⅰ：按6.8m的間距設(shè)碼頭排架，每榀排架設(shè)7根Φ800mm的PHC管樁，具體包含1對(duì)叉樁和5根直樁。

方案Ⅱ：按7.5m的間距設(shè)碼頭排架，排架樁集兩類樁體于一體，即Φ800mm的PHC管樁和Φ900mm嵌巖鋼管樁。

對(duì)比分析2種方案可知：方案Ⅰ，樁的類型均一致，即PHC管樁，以相對(duì)較小的間距設(shè)置排架；方案Ⅱ，除了PHC管樁外還應(yīng)用到嵌巖鋼管樁，與方案Ⅰ相比排架間距有所增加。對(duì)于方案Ⅰ（a）和方案Ⅱ（b），其中的①～⑦樁體均保持一致，均為Φ800mm的PHC管樁。而對(duì)于方案Ⅱ（a），分2個(gè)部分考慮，其中①～③為Φ900mm嵌巖鋼管樁，剩余部分（④～⑦）則統(tǒng)一采用Φ800mm的PHC管樁；方案Ⅱ（b），樁體類型也分為2個(gè)部分予以考慮，其中①～②為Φ900mm嵌巖鋼管樁，剩余部分（③～⑦）均為Φ800mm的PHC管樁。

3.3.2 方案的對(duì)比分析及選擇

（1）方案Ⅰ。樁基入土深度有限，排架的穩(wěn)定性難以得到保證，可能出現(xiàn)大位移現(xiàn)象。對(duì)于方案Ⅰ（b），與單樁垂直極限承載力設(shè)計(jì)值相比，④樁的軸力超過該值，可見此時(shí)的斜樁彎矩偏大。為此，做進(jìn)一步調(diào)整，將斜樁向岸側(cè)適量平移，此時(shí)方案Ⅰ（a）在斜樁入土深度增加的條件下，碼頭排架位移有減小的趨勢(shì)，但橫梁內(nèi)力的分布缺乏均勻性，其正負(fù)彎矩差異有所增加。

（2）方案Ⅱ。突出特點(diǎn)是排架雖然仍有整體位移現(xiàn)象，但可得到有效控制。對(duì)于方案Ⅱ（a），碼頭排架最大位移僅為8mm，與單樁垂直極限承載力設(shè)計(jì)值相比，④樁的軸力高于該值；此外，橫梁的正彎矩較大，明顯增加了橫梁的正負(fù)彎矩差異。進(jìn)一步分析方案Ⅱ（b），碼頭前沿的嵌巖鋼管樁數(shù)量由3根調(diào)整為兩側(cè)布置2根，并采取在后沿軌道處增設(shè)1根PHC管樁等優(yōu)化方法，此時(shí)碼頭排架最大位移為10mm，橫梁的受力條件更為合理，即正彎矩減小、負(fù)彎矩增加，在該變化下，顯著減小了正負(fù)彎矩差異。

（3）方案比選。基于上述分析可以發(fā)現(xiàn)：碼頭排架整體位移得到有效控制，約為10mm，可有效避免碼頭異常變形的問題；樁基的受力條件得到優(yōu)化，最大樁力、最大彎矩未發(fā)生在同一叉樁處，盡管側(cè)叉樁的彎矩略有增加，但小于抗裂彎矩設(shè)計(jì)值；從橫梁受力的角度看，最大正負(fù)彎矩基本一致，無明顯差異，各樁的軸力幾乎一致，不存在局部?jī)?nèi)力異常分布的情況。綜合考慮排架位移、單樁內(nèi)力等方面，方案Ⅱ（b）是最具可行性的方案。

由于基樁入土深度較小，若均設(shè)置為PHC管樁，雖然有利于減小碼頭排架的間距，但該裝置可能有較大幅度的位移變化，且部分樁的軸力異常偏高；經(jīng)過優(yōu)化，將碼頭前沿2根樁調(diào)整為嵌巖鋼管樁后，僅需要小幅度增加碼頭排架間距即可有效控制碼頭排架的水平位移，橫梁內(nèi)力的分布也具有均勻性，受力條件更為合理，各方面的表現(xiàn)較佳，因此選擇方案Ⅱ（b）最佳。

3.4 嵌巖樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.4.1 嵌巖芯柱直徑及深度

碼頭前沿有2 根Φ 900 mm 嵌巖鋼管樁，壁厚16 mm，芯柱直徑740mm。工程要求預(yù)制樁內(nèi)芯柱的高度值不可小于嵌巖深度的1.5倍，因此如何有效控制嵌巖深度極為關(guān)鍵，會(huì)直接影響到芯柱的高度，是嵌巖樁設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容。

鋼管樁的垂直極限承載力較高，在合理增設(shè)適量的嵌巖鋼管樁后，有利于維持排架的穩(wěn)定性，減小其水平位移量。可見，水平力將對(duì)鋼管樁嵌巖深度帶來顯著影響。在設(shè)計(jì)階段，需要充分考慮豎向荷載和水平向荷載對(duì)嵌巖樁的作用，確保樁體可以達(dá)到承載力要求。

考慮多種樁體嵌巖深度（與樁徑D作對(duì)比分析），確定最為合適的值：嵌巖深度為3D時(shí)，樁的端阻力和側(cè)阻力良好；超過3D時(shí)，并不會(huì)對(duì)樁體承載力的增加帶來明顯的作用（雖然有所增加但幅度甚小）。因此，嵌巖樁的嵌巖深度以3D為宜，本工程中按3m予以控制。進(jìn)一步考慮鋼管樁內(nèi)芯柱的設(shè)計(jì)，認(rèn)為此部分的長(zhǎng)度以10m為宜。

3.4.2 嵌巖芯柱的完整性檢測(cè)方法及結(jié)果

超聲波檢測(cè)、低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)等，均是嵌巖樁芯柱質(zhì)量檢測(cè)中的常見方法。本工程中，芯柱長(zhǎng)度僅為10m且芯柱未延伸到樁頂，若要準(zhǔn)確判斷芯柱混凝土是否具有完整性，需要采取不損傷芯柱為前提的檢測(cè)方法，例如超聲波檢測(cè)法。為了使檢測(cè)結(jié)果具有代表性，著重考慮的是設(shè)置在地質(zhì)層面較陡、強(qiáng)風(fēng)化層較厚等特殊情況下的樁體，按照規(guī)范完成超聲波檢測(cè)工作。經(jīng)過對(duì)14根嵌巖樁的檢測(cè)后，采集得到各項(xiàng)數(shù)據(jù)，經(jīng)匯總、計(jì)算和分析，發(fā)現(xiàn)樁身波速的最大值、最小值分別為4067m/s、4770m/s，平均值為4396m/s，基于各項(xiàng)數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果，嵌巖樁完整性類別達(dá)到Ⅰ類。

4.結(jié)語

在高樁碼頭工程設(shè)計(jì)中，樁基是不容忽視的部分，選擇合適的樁型、控制樁徑等相關(guān)參數(shù)、挑選合適的施工方法等均至關(guān)重要。實(shí)際工程中，考慮到樁基持力層較淺、岸坡較陡的現(xiàn)場(chǎng)條件，提出2種樁基設(shè)計(jì)方案，從樁基內(nèi)力、排架位移等方面對(duì)比分析，最終認(rèn)為PHC管樁+嵌巖鋼管樁的組合樁基方案具有可行性。組合樁基施工成型后，實(shí)測(cè)顯示排架水平位移較小，樁基的穩(wěn)定性得到保證，同時(shí)施工期間各項(xiàng)工作有序進(jìn)行，建設(shè)成本得到有效控制。

在設(shè)計(jì)過程中，大多情況下樁型基本通用，選用PHC樁、鋼管樁均可，但是也會(huì)遇到很多不同的特殊地質(zhì)構(gòu)造，比如巖基起伏較大、中間存在較厚硬質(zhì)土層、堅(jiān)硬土層很厚或者樁端持力層強(qiáng)度突變等情況，厘清不同的樁型特點(diǎn)及其適用性，是工程成敗的關(guān)鍵。