密排樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)在碼頭工程直立式護(hù)岸中的應(yīng)用

金泰賽 廣東省航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司

1.背景

陽(yáng)江某碼頭工程場(chǎng)區(qū)在陸域形成吹填時(shí)未設(shè)圍堰結(jié)構(gòu)，吹填土流失嚴(yán)重，流失的吹填土淤積于北側(cè)邊界外圍，形成高度接近于本工程陸域場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)高程的灘涂地。灘涂地靜置多年，已完成基本沉降。本工程北護(hù)岸原設(shè)計(jì)方案（2017年完成）僅考慮采用重力式方塊結(jié)構(gòu)護(hù)岸與灘涂地銜接，灘涂地區(qū)域不設(shè)置邊界構(gòu)筑物，采用自然邊界。近年來，我國(guó)濱海濕地保護(hù)工作取得了一定成效，但由于長(zhǎng)期以來的大規(guī)模圍填?；顒?dòng)，濱海濕地大面積減少，自然岸線銳減，對(duì)海洋和陸地生態(tài)系統(tǒng)造成損害。為切實(shí)提高濱海濕地保護(hù)水平，嚴(yán)格管控圍填海活動(dòng)，2018年國(guó)務(wù)院頒發(fā)了嚴(yán)管圍填海的通知，并要求處理之前圍填海的問題。因此，本工程北護(hù)岸邊界外圍灘涂地需按照當(dāng)?shù)刂鞴懿块T要求開挖至-1.0 m高程，恢復(fù)濱海濕地功能。

2.工程概況

工程位于陽(yáng)江市平岡鎮(zhèn)，地處九姜河入海陵灣左岸段，是陽(yáng)江港海陵灣港區(qū)吉樹作業(yè)區(qū)某泊位工程。工程建設(shè)1個(gè)3000噸級(jí)多用途泊位（結(jié)構(gòu)按10000 噸級(jí)預(yù)留），碼頭岸線長(zhǎng)度150 m，港區(qū)陸域縱深502 m，碼頭面及陸域場(chǎng)區(qū)標(biāo)高5.0 m。整個(gè)港區(qū)陸域布置主要由生產(chǎn)作業(yè)、生產(chǎn)輔助和生產(chǎn)管理區(qū)組成（見圖1）。

圖1 總平面布置圖

3.設(shè)計(jì)條件

3.1 工程地質(zhì)

根據(jù)地勘資料顯示，工程區(qū)域自上而下為吹填土、淤泥、細(xì)砂、中砂、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化花崗巖和強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（見圖2）。

圖2 地質(zhì)剖面圖

各土層的樁側(cè)摩阻力特征值的經(jīng)驗(yàn)值qsa和樁端阻力特征值的經(jīng)驗(yàn)值qpa詳見表1。

表1 樁側(cè)摩阻力特征值的經(jīng)驗(yàn)值和樁端阻力特征值的經(jīng)驗(yàn)值

3.2 設(shè)計(jì)荷載

①結(jié)構(gòu)自重：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)取25kN/m3。

②堆貨荷載：護(hù)岸前沿線后方30 m范圍q=30 kpa，后方堆場(chǎng)q=80kpa。

③地震作用：本工程結(jié)構(gòu)按抗震設(shè)防烈度7度考慮。

4.結(jié)構(gòu)選型

本工程北護(hù)岸總長(zhǎng)444m，端部與現(xiàn)有海堤連接，其中140m為與重力式碼頭結(jié)構(gòu)銜接段，剩余304m為灘涂地段護(hù)岸（見圖1）。

本工程場(chǎng)區(qū)相對(duì)緊湊，為最大限度利用陸域場(chǎng)區(qū)，北護(hù)岸采用直立式結(jié)構(gòu)。據(jù)工程區(qū)域回填土及地質(zhì)情況，護(hù)岸區(qū)域吹填土（淤泥混砂）底高程-0.24m～-0.02m，淤泥層底高程-2.6～-10.3m，軟土層厚度大，承載力低。

直立式護(hù)岸如采用重力式結(jié)構(gòu)，需挖除軟土層或加固軟土層作為重力式結(jié)構(gòu)的地基，開挖量大，工程造價(jià)高，不宜選擇。如采用高樁結(jié)構(gòu)需設(shè)置接岸擋墻，同樣需大開挖或加固接岸擋墻地基，工序復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性不明顯，不宜采用。如采用板樁結(jié)構(gòu)方案可減少開挖量，而相對(duì)傳統(tǒng)的單錨板樁結(jié)構(gòu)而言，采用密排樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)更加明顯，可大幅度減少開挖量和回填量，節(jié)省工程費(fèi)用。承臺(tái)結(jié)構(gòu)將上部荷載通過樁基傳遞至持力層，使用期基本上沒有沉降。護(hù)岸結(jié)構(gòu)后方為場(chǎng)區(qū)地基處理范圍，使用期沉降也較小。綜上分析，本工程北護(hù)岸采用密排樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)。

密排樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)也分為兩種，一種是前板樁墻、后低樁承臺(tái)或卸荷結(jié)構(gòu)，若后方結(jié)構(gòu)與板樁墻定高程一致并連成一體，則稱之為前板樁后高樁形式；同理，反之則為前高樁后板樁形式。

前板樁后高樁結(jié)構(gòu)形式，可通過適當(dāng)調(diào)整承臺(tái)寬度、降低承臺(tái)高程，以滿足對(duì)前板樁墻的卸荷要求。承臺(tái)樁基對(duì)前板樁墻也能起一定的遮簾作用，板樁墻較靠近護(hù)岸前沿線，減少相鄰灘涂地開挖至-1.0m時(shí)的邊坡工程量，但在水平土壓力作用下，承臺(tái)樁受拉，結(jié)構(gòu)水平位移相對(duì)較大。前高樁后板樁結(jié)構(gòu)形式，較好的利用了承臺(tái)樁的軸向抗壓承載力高的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)受力較前板樁后高樁形式要有優(yōu)勢(shì)，但是承臺(tái)對(duì)板樁墻無(wú)卸荷功能，承臺(tái)樁基無(wú)遮簾作用，所以同等荷載作用下，作用于板樁墻上的主動(dòng)土壓力較大。且板樁墻距護(hù)岸前沿線較遠(yuǎn)，相鄰灘涂地開挖至-1.0m時(shí)的邊坡工程量較大。

綜合分析，考慮本工程護(hù)岸前沿開挖深度不大，結(jié)構(gòu)懸臂高度較矮，采用前板樁后承臺(tái)樁的密排樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)。

本工程護(hù)岸區(qū)域回填土高程約為5.0m，具備陸上施工條件。密排樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)樁基采用造價(jià)低廉的PHC樁。特別是直徑小于700mm的PHC樁，經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研，Φ600mmPHC樁購(gòu)置費(fèi)僅為Φ700mmPHC樁的0.66倍，兩者有階梯型價(jià)格差異。PHC樁不僅購(gòu)置費(fèi)用低，且具備樁身質(zhì)量好、強(qiáng)度高，沉樁設(shè)備選型豐富，施工速度快等優(yōu)勢(shì)。密排樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)一般水平位移較大，如承臺(tái)樁采用斜樁結(jié)構(gòu)，水平力由斜樁承擔(dān)，可大大減少水平位移，但陸上打設(shè)斜樁的沉樁設(shè)備及隊(duì)伍在華南地區(qū)相對(duì)較少且工程安排非常飽滿，無(wú)法滿足本工程施工進(jìn)度要求。因此，本工程承臺(tái)樁采用多排直樁代替，依靠承臺(tái)樁水平抗力也可滿足結(jié)構(gòu)水平變形要求。承臺(tái)寬度越大，高程越低，卸荷效果越明顯，對(duì)于本工程，承臺(tái)高程的確定要結(jié)合施工水位、開挖量以及卸荷效果綜合確定。密排樁墻豎向剛度大，承臺(tái)樁基豎向剛度相對(duì)較小，單位長(zhǎng)度的密排樁墻和承臺(tái)樁基豎向變形不協(xié)調(diào)，承臺(tái)結(jié)構(gòu)內(nèi)力大，需加大承臺(tái)結(jié)構(gòu)剛度，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體性及變形協(xié)調(diào)性。因此，承臺(tái)厚度應(yīng)根據(jù)荷載情況通過計(jì)算確定。

5.結(jié)構(gòu)方案及計(jì)算

5.1 方案

樁基采用Φ600mmPHC樁，前排樁密排布置，樁距0.7m，樁縫采用Φ600mm高壓旋噴樁進(jìn)行封堵，密排樁后方設(shè)置兩排間隔布置的承臺(tái)樁，承臺(tái)樁間隔3.5m布置，各排樁橫向間距2.75m。PHC樁與高壓旋噴樁樁頂高程2.0m，PHC樁樁底高程-22.0～-24.0m，高壓旋噴樁底高程-12.0m、-14.0m。上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆“L”型鋼筋混凝土承臺(tái)結(jié)構(gòu)，承臺(tái)頂高程5.0m，底高程2.0m，底部厚度1.2m，承臺(tái)頂寬0.5m，承臺(tái)底寬7.5m。承臺(tái)段間設(shè)置20mm寬的沉降縫，沉降縫采用瀝青木絲板等彈性材料填充。前墻后側(cè)需開挖至1.6m高程后再進(jìn)行承臺(tái)施工，開挖邊坡按1:2，承臺(tái)底部回填厚0.3m碎石墊層和現(xiàn)澆厚0.1m素砼墊層，墻后回填10～100kg塊石，塊石頂高程與場(chǎng)區(qū)交工標(biāo)高4.25m一致，順拋石邊坡依次鋪設(shè)厚≥0.5m二片石墊層、厚≥0.6m混合倒濾層及2層400g/m土工布濾層（見圖3）。

圖3 護(hù)岸結(jié)構(gòu)斷面圖

密排樁承臺(tái)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為0.78萬(wàn)元/m（參考陽(yáng)江市2018年11月建設(shè)工程材料信息價(jià)），技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好。

5.2 分析及計(jì)算

密排樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)際上是整體卸荷式板樁結(jié)構(gòu)，根據(jù)規(guī)范相關(guān)規(guī)定，可按單錨板樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算前墻土壓力。承臺(tái)樁縱向中心距3.5m，不滿足遮簾樁間距要求，且剛度相對(duì)密排樁墻低，不能形成真正的有效遮簾面，但能起一定的遮簾作用，完全按遮簾樁的理論計(jì)算不合理。在類似結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算時(shí)，前人的研究成果未考慮承臺(tái)樁的遮簾作用，雖然簡(jiǎn)化了計(jì)算，但也偏保守。對(duì)于多排承臺(tái)樁的密排樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)，借鑒規(guī)范的方法進(jìn)行計(jì)算，將作用于整個(gè)結(jié)構(gòu)上的土壓力按照剛度比分配給密排樁墻和承臺(tái)樁基。樁土作用采用“m”法進(jìn)行模擬，樁基按照豎向彈性地基梁考慮。承臺(tái)樁考慮群樁效應(yīng)，沿受力方向的水平地基抗力系數(shù)根據(jù)樁距進(jìn)行折減。

基于以上分析，采用Mida scivil建立三維數(shù)值模型，樁基采用桿系單元模擬，承臺(tái)采用實(shí)體單元模擬。岸坡穩(wěn)定性采用圓弧滑動(dòng)總應(yīng)力法進(jìn)行驗(yàn)算。計(jì)算得持久工況下抗傾覆力矩101197 kNm/m，傾覆力矩23427 kNm/m；地震工況下抗傾覆力矩84209 kNm/m，傾覆力矩21226 kNm/m。密排樁極限承載力工況下最大彎矩184 kN.m，壓樁力576kN（見圖4）；承臺(tái)樁極限承載力工況下最大彎矩255kN.m，壓樁力1044kN（見圖5）。護(hù)岸結(jié)構(gòu)最大水平位移35mm。計(jì)算得極端低水位時(shí)岸坡穩(wěn)定抗力系數(shù)為2.574（見圖6）。

圖4 密排樁樁基彎矩圖示

圖5 承臺(tái)樁樁基彎矩圖示

圖6 岸坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果圖示

6.施工及成果檢測(cè)

主要施工順序：基礎(chǔ)開挖→沉樁→樁頂處理→高壓旋噴樁施工→鋪設(shè)碎石及素砼墊層→支立承臺(tái)模板→綁扎承臺(tái)鋼筋→澆筑承臺(tái)混凝土→回填塊石至道路結(jié)構(gòu)層底部→倒濾層施工→完工。關(guān)鍵施工工序在于樁基施工，采用D60柴油錘打樁機(jī)陸上沉樁，沖擊力為5000～7000kN。沉樁以貫入度控制為主，樁端標(biāo)高作為校核。要求Φ600 mm PHC樁最后10擊貫入度控制值≦4mm/擊，樁端標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高偏差不大于3m。密排樁樁距凈距為100mm，因此要求樁中心位置允許偏位值必須≦50mm，從嚴(yán)控制密排樁沉樁偏位，樁基垂直度允許偏差為0.5%。

正式沉樁作業(yè)之前選取4根樁作試沉樁，試沉樁結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 試樁結(jié)果記錄表

試沉樁情況良好，貫入度滿足要求，樁尖實(shí)際標(biāo)高與設(shè)計(jì)標(biāo)高偏差在3m以內(nèi)，單樁承載力滿足使用要求，樁基選錘合適，采用的控制標(biāo)準(zhǔn)合理。

樁基沉樁完畢后，分別抽取17根、32根樁進(jìn)行高應(yīng)變及低應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)。高應(yīng)變檢測(cè)基樁最小極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為3396.1kN；低應(yīng)變檢測(cè)顯示Ⅰ類樁占比88%，Ⅱ類樁占比12%。樁基承載力及完整性均滿足要求。護(hù)岸完工至竣工驗(yàn)收期間對(duì)結(jié)構(gòu)定期進(jìn)行沉降位移觀測(cè)，觀測(cè)期間內(nèi)最大水平位移為20mm（見圖7），并趨向于穩(wěn)定。

圖7 水平位移觀測(cè)結(jié)果圖示

7.結(jié)語(yǔ)

在提倡加強(qiáng)濱海濕地保護(hù)的大趨勢(shì)下，斜坡式護(hù)岸結(jié)構(gòu)適用范圍已逐漸被壓縮，直立式護(hù)岸結(jié)構(gòu)將進(jìn)一步推廣應(yīng)用。根據(jù)各工程的特殊性選擇合適的直立式護(hù)岸結(jié)構(gòu)對(duì)建設(shè)方的投資及進(jìn)度控制尤為重要。本文基于工程實(shí)例，簡(jiǎn)述了采用密排樁承臺(tái)作為直立式護(hù)岸結(jié)構(gòu)的應(yīng)用要點(diǎn)。

密排樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)采用PHC樁具備施工速度快，工程費(fèi)用省等優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)澆承臺(tái)結(jié)構(gòu)剛度大、整體性好，卸荷效果明顯。當(dāng)護(hù)岸結(jié)構(gòu)懸臂高度較矮且不具備斜樁施工條件時(shí)，承臺(tái)樁采用多排直樁也可滿足水平變形要求。密排樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)實(shí)際上是整體卸荷式板樁結(jié)構(gòu)，分析計(jì)算時(shí)可按照剛度比進(jìn)行土壓力分配，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本次分析計(jì)算時(shí)忽略土體的塑性變形，按彈性理論建立三維數(shù)值模型，樁基采用豎向彈性地基梁法分析計(jì)算基本滿足工程要求。有條件時(shí)，建議結(jié)合土體的彈塑性特性對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，有必要時(shí)可采用離心模型驗(yàn)證。密排樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)施工時(shí)需加強(qiáng)沉樁偏位控制，根據(jù)項(xiàng)目需要提出嚴(yán)格于規(guī)范的控制標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)斜樁的密排樁基承臺(tái)結(jié)構(gòu)一般水平位移偏大，建議使用期定期觀測(cè)水平位移。