以某碼頭工程為例的TSC組合樁設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王捷，陸敏

（1.上海市土地儲(chǔ)備中心，上海 200336；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

TSC 樁全稱(chēng)預(yù)制高強(qiáng)混凝土薄壁鋼管樁，是在采用牌號(hào)為Q235B 或Q345B 的鋼板（鋼帶）經(jīng)卷曲成型焊接制成的鋼管內(nèi)澆筑混凝土，經(jīng)離心成型、蒸汽養(yǎng)護(hù)，制成的具有承受較大豎向荷載和水平荷載的新型基樁制品[1]。TSC 樁充分結(jié)合了混凝土抗壓能力強(qiáng)和鋼材抗拉抗剪能力強(qiáng)的特點(diǎn)，具有良好的受力性能。經(jīng)過(guò)大量的工程實(shí)踐，目前TSC 樁已廣泛應(yīng)用在工業(yè)與民用建筑、電力等行業(yè)中。經(jīng)理論研究[2]和工程實(shí)例證明，現(xiàn)有普通TSC 樁理論也適用于港口工程中所采用的較大樁徑的TSC 樁，且能滿(mǎn)足工程質(zhì)量要求。本文以某碼頭樁基設(shè)計(jì)為例，分析比較了TSC組合樁方案及全PHC 樁方案的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，從技術(shù)角度為今后類(lèi)似工程提供參考。

1 工程案例

本文所引工程為長(zhǎng)江下游某大型集裝箱碼頭工程，規(guī)劃利用岸線(xiàn)1292m，擬建設(shè)4 個(gè)5 萬(wàn)噸級(jí)集裝箱泊位，水工結(jié)構(gòu)按照靠泊10 萬(wàn)噸級(jí)集裝箱船設(shè)計(jì)，年設(shè)計(jì)吞吐量200 萬(wàn)TEU。碼頭采用引橋式平面布置，通過(guò)5 座引橋與后方陸域相接。

1.1 自然條件

1.1.1 波浪

工程河段波浪為風(fēng)成浪，碼頭前沿設(shè)計(jì)波浪50年一遇H1%為2.53m，波長(zhǎng)30.0 米，波周期4.4s。

1.1.2 潮流

碼頭前沿大潮漲潮最大可能流速1.60m/s，漲潮主流向?yàn)?18°～321°，大潮落潮最大可能流速2.0m/s，落潮主流向?yàn)?38°～141°。

1.1.3 地質(zhì)

本工程場(chǎng)地為厚軟土層，灰色粉細(xì)砂、暗綠色粉質(zhì)黏土等土層分布較穩(wěn)定，工程力學(xué)指標(biāo)較好，可作為樁基持力層。

1.2 設(shè)計(jì)荷載

設(shè)計(jì)荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、均布荷載、集裝箱裝卸橋荷載、流動(dòng)機(jī)械荷載等。

2 結(jié)構(gòu)方案

2.1 樁基選型

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，工程區(qū)域粉質(zhì)粘土層很厚，硬土層埋藏較深，因此碼頭采用高樁板梁式結(jié)構(gòu)。碼頭寬度為50m，分為36m 前方平臺(tái)和14m 后方平臺(tái)。

港口工程常用樁型有鋼管樁、高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力混凝土管樁、TSC 組合管樁、嵌巖樁、鋼筋混凝土灌注樁等。樁型的選擇應(yīng)綜合考慮以下因素：①工程地質(zhì)和水文條件；②設(shè)計(jì)水深和結(jié)構(gòu)高度；③工程造價(jià)和施工工期；④施工場(chǎng)地和設(shè)備條件；⑤對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。其中以工程地質(zhì)、泥面上的結(jié)構(gòu)高度、工程造價(jià)為樁基選型的重要因素。各樁型的特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 港口工程常用樁型特點(diǎn)

本工程碼頭平臺(tái)較寬，根據(jù)附近已建工程經(jīng)驗(yàn)，碼頭建成后，下方淤積非常嚴(yán)重，碼頭前沿為保持設(shè)計(jì)水深需不斷疏浚，一段時(shí)間后，在碼頭下方會(huì)形成較陡邊坡。碼頭下方的淤積會(huì)造成上層土體的垂直壓縮和水平蠕動(dòng)，對(duì)于直樁而言，主要會(huì)增加一部分向下的摩阻力，側(cè)向變形較小，可通過(guò)適當(dāng)增加樁基承載力應(yīng)對(duì)這種情況；對(duì)于斜樁而言，土體的垂直壓縮和水平蠕動(dòng)會(huì)對(duì)樁基產(chǎn)生較大的側(cè)向土壓力，特別是向岸側(cè)的斜樁承受的土壓力最大，對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)造成不利影響，常見(jiàn)的情況使碼頭向岸側(cè)混凝土斜樁在頂部開(kāi)裂，同時(shí)會(huì)使碼頭上部結(jié)構(gòu)有向江側(cè)緩慢位移的趨勢(shì)。

根據(jù)附近工程多年的使用情況，碼頭投入運(yùn)營(yíng)后，下方出現(xiàn)淤積情況，局部最大淤高達(dá)到8m。未采取削坡措施時(shí)，碼頭前方承臺(tái)與后方承臺(tái)在使用過(guò)程中伸縮縫有增大的趨勢(shì)，根據(jù)現(xiàn)有資料，碼頭前后平臺(tái)伸縮縫最大寬度達(dá)到8cm；采取削坡措施后，碼頭前方承臺(tái)與后方承臺(tái)在使用過(guò)程中伸縮縫寬度趨于收斂，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生正印證了上述分析。碼頭下方的淤積問(wèn)題，由于受多種因素的制約，一般都很難做到及時(shí)清淤，所以有必要在可能出現(xiàn)淤積的岸段上，碼頭設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮向岸側(cè)斜樁的抗彎承載力。

根據(jù)表1 各常用樁型特點(diǎn)可知，TSC 樁抗彎能力強(qiáng)，剛度大，對(duì)于碼頭結(jié)構(gòu)的整體剛度和結(jié)構(gòu)安全有利。針對(duì)本工程，碼頭下方大量淤積后，向岸側(cè)的斜樁承受較大的土壓力，彎矩和位移較大，TSC 樁能很好地適應(yīng)這種受力特點(diǎn)，有利于結(jié)構(gòu)的安全。但TSC 樁由于成樁工藝復(fù)雜，造價(jià)較高，一般采用上部TSC 樁和下部PHC樁的組合樁型以降低單樁造價(jià)，并已經(jīng)過(guò)多個(gè)工程實(shí)例驗(yàn)證，合理的施工工藝條件下，組合樁經(jīng)檢測(cè)符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[3]。TSC組合樁上段采用TSC 樁，具備抗彎能力強(qiáng)，剛度大的特點(diǎn)，下段采用PHC 樁，能承受較高的垂直承載力，同時(shí)具有較高的性?xún)r(jià)比。因此針對(duì)前方承臺(tái)向岸側(cè)的斜樁考慮采用Φ1000mmTSC組合樁，碼頭其余的大部分樁基選用經(jīng)濟(jì)的PHC 樁。同時(shí)本文考慮全PHC 樁方案，通過(guò)結(jié)構(gòu)內(nèi)力比較兩個(gè)方案的受力特性。

2.2 碼頭結(jié)構(gòu)方案

前方承臺(tái)排架間距7m，上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆橫梁、疊合式預(yù)應(yīng)力軌道梁、預(yù)制縱向梁及疊合式面板，通過(guò)現(xiàn)澆現(xiàn)面層連成整體?；鶚恫捎忙?000mmPHC 砼管樁，樁長(zhǎng)約60m，每榀排架布置9 根樁，其中30m 軌距岸橋軌道梁下部各布置2 根基樁。其中，TSC組合樁方案中，向岸側(cè)傾斜的2 根斜樁采用Φ1000mmTSC組合樁（上管節(jié)33m 采用Φ1000mmTSC 樁，下管節(jié)采用Φ1000mm PHC-B型樁）。碼頭TSC組合樁方案詳見(jiàn)圖1。

圖1 TSC組合樁方案

3 內(nèi)力分析

計(jì)算中將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面剛架，采用桿系有限單元法進(jìn)行求解，樁頂與橫梁形心采用剛性連接。設(shè)計(jì)泥面下碼頭前方承臺(tái)結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件內(nèi)力值見(jiàn)表2，考慮未來(lái)產(chǎn)生淤積時(shí)構(gòu)件的內(nèi)力值見(jiàn)表3。

表2 前方承臺(tái)主要構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算成果（設(shè)計(jì)泥面）

表3 前方承臺(tái)主要構(gòu)件內(nèi)力計(jì)算（考慮6～8m 淤積）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)泥面條件下，采用TSC組合樁方案位移較全采用PHC 樁方案略小，同時(shí)由于TSC樁剛度大，承受的軸力和彎矩比PHC 樁大，能明顯改善排架其它PHC 樁受力條件。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，考慮未來(lái)產(chǎn)生淤積時(shí)，樁力和樁彎矩均有較大增加，而采用TSC組合樁方案可較大地減小PHC 樁所承受的拉樁力、最大彎矩和最大拉應(yīng)力，明顯改善PHC 樁的受力條件。全PHC 樁方案時(shí)，樁基最大拉應(yīng)力接近PHC 樁混凝土有效預(yù)壓應(yīng)力，碼頭結(jié)構(gòu)仍然處于安全狀態(tài)，但安全儲(chǔ)備較小，而TSC組合樁方案則有較大富余，給生產(chǎn)安全使用提供足夠的警戒時(shí)間，方便采取必要工程方案，結(jié)構(gòu)更為安全可靠。

經(jīng)內(nèi)力分析可知，TSC組合樁方案的受力特性較全PHC 樁方案而言有明顯改善，對(duì)未來(lái)淤積會(huì)產(chǎn)生的側(cè)向土壓力有一定安全強(qiáng)度儲(chǔ)備，且僅向岸側(cè)的斜樁采用TSC組合樁，工程投資增加的幅度有限，因此TSC組合樁方案性?xún)r(jià)比較高，可作為推薦方案。

4 結(jié)語(yǔ)

碼頭下方淤積嚴(yán)重時(shí)，向岸側(cè)的斜樁承受較大的土壓力。TSC 樁抗彎能力強(qiáng)，剛度大，可以承受較大的彎矩和變形，且造價(jià)低于相同外徑的鋼管樁，因此，向岸側(cè)斜樁采用TSC 樁是比較合適的。本文對(duì)比了某大型集裝箱碼頭TSC組合樁方案和全PHC 樁方案，通過(guò)計(jì)算得到以下結(jié)論和啟示：

（1）TSC 樁剛度大，軸向承載力和抗彎承載力得到明顯的發(fā)揮，可有效改善排架其它PHC 樁的受力條件，且對(duì)未來(lái)產(chǎn)生的淤積有一定安全儲(chǔ)備。全PHC 樁方案也是安全的，但安全儲(chǔ)備不足，考慮到淤積條件下樁基受力的復(fù)雜性和不確定性，選用TSC組合樁提高碼頭結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備是合理的。

（2）碼頭后排樁不宜采用向岸側(cè)斜樁，否則淤積導(dǎo)致樁內(nèi)力增加過(guò)大，會(huì)影響結(jié)構(gòu)的安全性。

（3）碼頭下方、后沿應(yīng)及時(shí)清淤削坡，否則碼頭平臺(tái)將發(fā)生較大位移，同時(shí)樁基受力明顯增大，導(dǎo)致內(nèi)力富余較小，甚至發(fā)生超出承載力設(shè)計(jì)值的情況。

（4）樁基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮對(duì)樁基承載力留有適當(dāng)富余，以適應(yīng)未及時(shí)清淤削坡導(dǎo)致的樁力增大的情況。

綜上可知，根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)受力特性，局部采用TSC組合樁在結(jié)構(gòu)受力、經(jīng)濟(jì)以及安全儲(chǔ)備角度均具有較大優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)對(duì)TSC組合樁的比選研究，為今后類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)提供了參考。