強(qiáng)震區(qū)高樁碼頭接岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

余神光，蔣依壇，路衛(wèi)衛(wèi)，宋蘭芳，陳良志

(1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京100027)

高樁碼頭的接岸結(jié)構(gòu)是銜接樁基平臺與后方陸域的重要構(gòu)筑物，其結(jié)構(gòu)的安全和性能對保障碼頭正常運(yùn)營具有重要的影響。工程實(shí)踐中，傳統(tǒng)接岸結(jié)構(gòu)形式常采用直立式或斜坡式結(jié)構(gòu)[1]，其中直立式主要由板樁式、重力式等組成，斜坡式由斜坡堤、護(hù)面和堤頂?shù)膿跬两Y(jié)構(gòu)等組成。

在強(qiáng)震區(qū)，高樁碼頭岸坡的土體將承受強(qiáng)烈的地震慣性力作用以及超孔隙水壓力影響，難免出現(xiàn)側(cè)向沉降(沉陷)或位移，可能對接岸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響；接岸結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞是強(qiáng)震區(qū)高樁碼頭的主要震害現(xiàn)象之一。特別是隨著抗震設(shè)計(jì)理念與方法的發(fā)展，超強(qiáng)震區(qū)的高樁碼頭岸坡目前一般采用基于位移的設(shè)計(jì)方法，即容許岸坡在偶遇地震水平下發(fā)生一定的位移，這對接岸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出更高的挑戰(zhàn)。

此外，在高樁碼頭抗震設(shè)計(jì)中，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的震后性能也是抗震設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的內(nèi)容之一。國外標(biāo)準(zhǔn)[2-3]一般要求碼頭結(jié)構(gòu)體系在運(yùn)營水平地震發(fā)生后不影響運(yùn)營；在偶遇水平地震發(fā)生后，所有的破壞能在短時間內(nèi)修復(fù)，且破壞應(yīng)發(fā)生于可看到和易于修復(fù)的位置。高樁碼頭的接岸結(jié)構(gòu)作為連接碼頭平臺與陸域的關(guān)鍵通道，其震后修復(fù)性也應(yīng)是抗震設(shè)計(jì)時重點(diǎn)考慮的因素之一。

因此，強(qiáng)震區(qū)高樁碼頭接岸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需進(jìn)行特別的考慮，如中國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTS 146—2012《水運(yùn)工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]建議接岸式高樁結(jié)構(gòu)宜采取減少岸坡和接岸結(jié)構(gòu)變形對高樁碼頭結(jié)構(gòu)不利影響的措施，可在碼頭結(jié)構(gòu)和接岸結(jié)構(gòu)之間設(shè)置允許相對滑動的連接結(jié)構(gòu)等措施。然而，目前行業(yè)內(nèi)關(guān)于強(qiáng)震區(qū)高樁碼頭接岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究較少。

本文結(jié)合某強(qiáng)震區(qū)的高樁碼頭工程，對比研究不同傳統(tǒng)接岸結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)和適應(yīng)性，提出一種新型的沉降板式接岸結(jié)構(gòu)，并闡述該新型接岸結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與設(shè)計(jì)理念，可為類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

某工程地處東南亞環(huán)太平洋地震帶，碼頭岸線長680 m，含2個7萬噸級的集裝箱泊位，碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為60 a，護(hù)岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限為100 a。碼頭采用高樁梁板結(jié)構(gòu)，碼頭面頂高程為5.5 m，港池底高程為-16.0 m。

本工程區(qū)域的水流、波浪條件良好，地震是碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制性因素，地震設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。合同規(guī)定，樁基平臺、擋土結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足三級水準(zhǔn)的地震設(shè)防要求；結(jié)構(gòu)在偶遇地震水平下只允許出現(xiàn)輕微損壞，簡單修理后繼續(xù)使用。

表1 地震設(shè)計(jì)參數(shù)

2 岸坡設(shè)計(jì)方案

按設(shè)計(jì)要求，碼頭岸坡抗震設(shè)計(jì)考慮二級水準(zhǔn)的地震設(shè)防要求(表2)，即允許岸坡在偶遇地震水平下失穩(wěn)，發(fā)生一定的位移。

表2 地震設(shè)計(jì)參數(shù)

本工程岸坡地基土為特殊的岸礁鈣質(zhì)土，土顆粒以中砂、粗砂、礫石為主，且含較大比例的細(xì)粒土。通過對比振沖密實(shí)法、擠密砂樁法、強(qiáng)夯法、基于擠密理論的碎石樁等方案，岸坡土體采用基于排水法理論的碎石樁進(jìn)行抗液化處理[5]。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，岸坡采用基于位移的方法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。經(jīng)綜合比選，碼頭岸坡設(shè)計(jì)坡比為1:3，采用塊石護(hù)面，碼頭典型斷面如圖1所示。

經(jīng)計(jì)算評估[6]，在偶遇地震水平下，岸坡的整體穩(wěn)定安全系數(shù)為0.885(<1.0)，岸坡的最大總位移不超過25 cm，岸坡的主體水平位移約為15 cm。

圖1 碼頭斷面(高程：m；尺寸：mm)

3 傳統(tǒng)接岸結(jié)構(gòu)形式評估

3.1 斜坡式擋土墻接岸結(jié)構(gòu)

斜坡式擋土墻接岸結(jié)構(gòu)一般是在碼頭岸坡坡頂設(shè)置重力式擋土墻結(jié)構(gòu)，擋土墻結(jié)構(gòu)與樁基平臺之間采用簡支板過渡連接。該接岸結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便等特點(diǎn)，在高樁碼頭中應(yīng)用廣泛。

擋土墻結(jié)構(gòu)須滿足偶遇地震水平下的抗滑、抗傾穩(wěn)定要求，在地震動土壓力和慣性力作用下，重力式擋土墻結(jié)構(gòu)須采用較大的寬、高比才能滿足自身穩(wěn)定要求。

采用斜坡式擋土墻接岸結(jié)構(gòu)的碼頭設(shè)計(jì)斷面如圖2所示。接岸結(jié)構(gòu)的混凝土用量為1.05萬m3。在偶遇地震下，擋土墻結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定，接岸結(jié)構(gòu)傳遞至樁基平臺的附加側(cè)向土壓力作用可忽略。

圖2 斜坡式擋土墻接岸結(jié)構(gòu)斷面(高程：m；尺寸：mm)

斜坡式擋土墻接岸結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是擋土墻對岸坡土體的沉降、變形適應(yīng)性較差。在偶遇地震水平下，擋土墻結(jié)構(gòu)雖然能保持自身穩(wěn)定，但當(dāng)岸坡頂部出現(xiàn)沉降或者位移時，擋土墻存在較大的傾斜或倒塌風(fēng)險；而過渡板僅靠兩端擱置支撐，一旦擋土墻傾斜，過渡板極易掉落海中，震后修復(fù)困難。

3.2 懸臂板樁接岸結(jié)構(gòu)

懸臂板樁接岸結(jié)構(gòu)可依托樁基平臺，采用鋼管板樁組合結(jié)構(gòu)替代靠岸側(cè)樁基，組合樁兼顧豎向支撐和擋土功能，樁基平臺作為懸臂板樁接岸結(jié)構(gòu)的水平支撐系統(tǒng)[7]。相比于斜坡式擋土墻接岸結(jié)構(gòu)，懸臂板樁接岸結(jié)構(gòu)在一定程度上克服了對岸坡土體變形、沉降適應(yīng)性差的缺點(diǎn)。

在強(qiáng)震區(qū)，懸臂板樁將承受顯著的地震動土壓力、超靜水壓力作用[8]。因懸臂板樁墻與樁基平臺連為整體，墻后側(cè)向力也將傳遞至樁基平臺上，導(dǎo)致樁基平臺承受顯著的水平推覆力。因結(jié)構(gòu)體系受力復(fù)雜，宜建立樁-土整體模型進(jìn)行抗震分析。

采用懸臂板樁接岸結(jié)構(gòu)的碼頭設(shè)計(jì)斷面如圖3所示。懸臂板樁墻采用“φ2000@22鋼管樁+AZ20-700鋼板樁”組合樁結(jié)構(gòu)。在原樁基平臺基礎(chǔ)上，該接岸結(jié)構(gòu)新增鋼材用量為4 162 t，新增混凝土量為1 733 m3。在偶遇地震下，接岸結(jié)構(gòu)傳遞至樁基平臺的附加側(cè)向土壓力作用為685 kN/m。

圖3 懸臂板樁接岸結(jié)構(gòu)斷面(高程：m；尺寸：mm)

懸臂板樁接岸結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是接岸板樁墻既作為樁基平臺的抗震樁[9]，又兼做擋土結(jié)構(gòu)，承受了主要的地震荷載，也是塑性鉸潛在發(fā)生的區(qū)域，結(jié)構(gòu)體系的抗震性能較差。懸臂板樁墻在地震作用下的變形難以控制，特別是塑性鉸形成后樁基易發(fā)生損壞，一旦損壞難以修復(fù)。

3.3 有錨板樁接岸結(jié)構(gòu)

有錨板樁接岸結(jié)構(gòu)是在懸臂板樁接岸結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過增加單獨(dú)的錨定結(jié)構(gòu)形成的接岸結(jié)構(gòu)體系。相比于懸臂板樁接岸結(jié)構(gòu)，有錨板樁既提高了接岸板樁墻的受荷能力，也保證了接岸結(jié)構(gòu)與樁基平臺的獨(dú)立性，進(jìn)而減少岸坡土壓力對樁基平臺的影響。工程中也可通過加大有錨板樁墻的結(jié)構(gòu)尺寸來增大岸坡截止高度，進(jìn)而縮減樁基平臺的寬度。

在強(qiáng)震區(qū)，與懸臂板樁接岸結(jié)構(gòu)類似，有錨板樁墻也將承受顯著的地震動土壓力和超靜水壓力作用。有錨板樁接岸結(jié)構(gòu)一般可建立單獨(dú)的模型進(jìn)行抗震分析。

采用有錨定板樁接岸結(jié)構(gòu)的碼頭設(shè)計(jì)斷面如圖4所示。前墻鋼板樁型號為AZ50-700，鋼拉桿直徑70 mm、間距2.1 m，錨定板樁型號為AZ24-700。接岸結(jié)構(gòu)的鋼材用量為4 829 t，混凝土用量為2 678 m3。在偶遇地震下，有錨板樁墻結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定，接岸結(jié)構(gòu)傳遞至樁基平臺的附加側(cè)向土壓力作用可忽略。

圖4 有錨板樁接岸結(jié)構(gòu)斷面(高程：m；尺寸：mm)

有錨板樁接岸結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是在樁基平臺之外新增了一套板樁結(jié)構(gòu)體系，總體用鋼量較大、施工工藝多，方案經(jīng)濟(jì)性一般較差；此外，一旦拉桿、板樁墻發(fā)生損壞，震后難以修復(fù)。

4 沉降板式接岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沉降板式接岸結(jié)構(gòu)主要由沉降板和用于支撐沉降板的底板組成，主要構(gòu)造特征：

1)沉降板、底板均為預(yù)制鋼筋混凝土板式構(gòu)件，沉降板為傾斜結(jié)構(gòu)；底板水平放置在岸坡坡頂。

2)沉降板一端擱置于碼頭樁基平臺的岸側(cè)邊梁上，水平擱置端預(yù)留孔洞，插入邊梁預(yù)埋的豎向錨筋進(jìn)行限位。

3)沉降板另一端與底板卡式連接，沉降板與底板相連的一端具有卡式接頭，卡式接頭為與水平底板凹槽相適應(yīng)的豎直結(jié)構(gòu)，沉降板通過其卡式接頭卡入底板凹槽中形成約束。

4)沉降板兩端的接觸面上設(shè)置橡膠墊緩沖。

沉降板主要承受后方填土的豎向荷載以及水平土壓力作用，可按兩端鉸接的懸臂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算；底板主要承受上覆土體的自重以及沉降板接頭處傳遞的壓力，可按彈性地基板進(jìn)行計(jì)算。

新型沉降板式接岸結(jié)構(gòu)如圖5所示，沉降板厚度為550 mm，底板厚度為500 mm，總混凝土用量為4 126 m3。在偶遇工況下，接岸結(jié)構(gòu)傳遞至樁基平臺的附加側(cè)向土壓力作用為38 kN/m，其對樁基平臺結(jié)構(gòu)的影響較小。

圖5 沉降板式接岸結(jié)構(gòu)(高程：m；尺寸：mm)

為防止沉降板錯位導(dǎo)致上方填料從安裝縫隙中漏出，沉降板之間可設(shè)置凹凸齒縫咬合連接(圖6)；沉降板上方也可回填混合倒濾層以進(jìn)一步提高該接岸結(jié)構(gòu)在地震震動下的防漏性能。

圖6 沉降板式凹凸齒縫構(gòu)造(單位：mm)

相比于傳統(tǒng)接岸結(jié)構(gòu)，沉降板式接岸結(jié)構(gòu)主要具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)沉降板和底板均為預(yù)制型構(gòu)件，安裝快速、便捷；震后也能較為方便地吊裝修復(fù)；

2)混凝土用量少，具有較好的經(jīng)濟(jì)性；

3)沉降板為傾斜結(jié)構(gòu)，具有一定的卸荷作用，能減少傳遞至樁基平臺上的土壓力，改善樁基平臺受力；

4)對岸坡沉降、變形的適應(yīng)能力較強(qiáng)，當(dāng)岸坡坡頂出現(xiàn)20 cm沉降時，沉降板的轉(zhuǎn)角僅增加1.5°(圖7)，依舊能保證陸域鋪面與樁基平臺的平順過渡，保證運(yùn)營通道的暢通。

圖7 沉降20 cm后的沉降板變形情況(單位：mm)

5)具有較大的變形冗余度，即使震后出現(xiàn)局部移位，也不影響使用。

綜合傳統(tǒng)各接岸結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，根據(jù)強(qiáng)震區(qū)高樁碼頭接岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需考慮的主要因素，沉降板式接岸結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)接岸結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)對比如表3所示。

表3 各接岸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較

5 結(jié)語

1)在強(qiáng)震區(qū)，高樁碼頭的接岸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有特殊性：在保證接岸結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，還應(yīng)考慮接岸結(jié)構(gòu)對岸坡沉降、變形的適應(yīng)性以及震后修復(fù)的便捷性。

2)在強(qiáng)震區(qū)，傳統(tǒng)的接岸結(jié)構(gòu)(如斜坡式擋土墻、懸臂板樁以及有錨板樁)在自身穩(wěn)定性、造價、施工便利性、岸坡變形適應(yīng)性、對樁基平臺影響或震后修復(fù)性等方面都存在一定的缺陷。

3)本工程所采用的強(qiáng)震區(qū)高樁碼頭沉降板式接岸結(jié)構(gòu)更為經(jīng)濟(jì)、合理；其對岸坡的沉降、變形具有更好的適應(yīng)能力，對保障碼頭運(yùn)營以及震后快捷修復(fù)更為有利。