淺埋堅硬巖層地質下樁基設計

許建武，沈迪州

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

1 工程概況

喀麥隆Kribi深水港項目是喀麥隆國家重點工程。項目位于西南部克里比市以南25 km處的Mboro村，西臨大西洋，距首都雅溫得約294 km。項目一期工程建設1 355 m長防波堤，1個5萬噸級集裝箱泊位，1個4萬噸級多用途泊位，碼頭結構按照靠泊7萬噸級集裝箱船舶設計。

碼頭前沿采用集裝箱裝卸橋作業，布置有2條QU120鋼軌，軌距30 m。碼頭主體采用重力式沉箱結構，前軌鋪設在碼頭胸墻上，后軌采用鋼管樁基礎結構。碼頭結構典型斷面見圖1。

2 主要設計條件

2.1 地質條件

沉樁區域原地面標高約-7 m，表層有1.0～2.0 m細砂；中間層為中等硬度的粉質黏土或黏土層或殘積土層，標高在-8～-11 m之間，標貫擊數從8～29不等，局部有腐木夾層；下層為中風化巖或硬黏土，標貫擊數從50～300不等，局部有膠結砂或巖石夾層，可作為結構持力層。持力層分布不連續，頂面高程起伏變化多樣，且規律性差。工程地質條件極其復雜，地質典型剖面見圖2[1]。

2.2 設計荷載

集裝箱裝卸橋每條支腿10個輪，輪距1.1 m。工作狀態下最大輪壓為680 kN/輪，非工作狀態下最大輪壓為940 kN/輪。

3 設計方案

鋼管樁沉樁區域有兩種典型地質，一種持力層為中風化巖，另一種持力層為硬黏土，持力層埋深都較淺，最淺處-8 m左右就到達中風化片麻巖，形成短樁。國內類似工程，習慣采用嵌巖灌注樁，工程量大，工期長，費用高。本項目后軌道梁采用直徑φ800 mm鋼管樁，壁厚16 mm，間距3.5 m或2.75 m。單樁樁力設計值按4 540 kN控制，單樁承載力標準值為800 kN。

圖1 碼頭典型斷面圖Fig.1 Typical cross-section of thewharf

圖2 地質典型剖面圖Fig.2 Typical cross-section of the geology

本項目鋼管樁入土淺，樁側阻力小，樁基承載力主要依靠樁端阻力。鋼管樁樁尖形式一般有開口、全封閉和半封閉三種形式[2]。開口樁容易打入地基，但樁的承載力低；全封閉樁尖雖然可以提高樁的承載力，但打入硬土層比較困難；半封閉的樁尖形式適用于一般硬土層[3]。如何選擇合適的樁尖形式，確保施工工藝方便、施工質量可靠、使用性能較好是本工程的難點和關鍵。最初的設計如圖3所示，采用大管套小管的開口樁尖，預制時樁端內套2 m長的φ400 mm小鋼管芯，管芯與φ800 mm鋼管樁采用焊接6塊1.5 m長肋板連接，設想開孔小容易閉塞。并預備6塊30 mm厚封頭板，如果不閉塞，則現場可選擇焊接封堵底部。考慮閉口樁承載力大，基本沒有預留樁長。鋼管樁在國內制作，船運至喀麥隆。

圖3 鋼管樁樁尖結構圖Fig.3 Structural chart of thesteel tubular pile tip

4 現場施工

4.1 沉樁設備

本項目在碼頭沉箱主體形成后，陸域回填約8 m厚砂，形成陸上作業面，再進行地基處理及沉樁。

施打鋼管樁采用ICE44B振動錘完成插樁，進入到下部硬土后，采用液壓錘BSPCG40沖擊錘（錘重16 t，沖程1.5 m，最大錘擊能量240 kN·m）施打。

4.2 施工過程分析

后軌道梁的預期樁長為10~15 m，上部為回填砂，其密實程度直接關系到樁的側向穩定以及樁的負摩阻力，從而影響到軌道梁的使用效果。為更加密實地基砂層，沿樁軸線一定寬度范圍內，先振沖至原地面表層細砂，后盡可能進行適當能量的強夯處理，提高密實性。強夯能量根據現場典型試驗研究確定，以確保碼頭穩定性和安全性為原則，并實時監測周邊情況。此外延長軌道梁分縫長度，增大軌道梁的整體性。

試打樁首先在持力層為中風化巖區域進行，樁尖為開口形式，風化巖上面沒有硬土層，樁尖很快就接觸堅硬基巖，錘擊數很少。由于巖層面不是水平面，為防止樁尖局部接觸基巖，在荷載作用下造成基巖局部破壞引起樁基沉降，影響工程安全，繼續打樁100~200錘，發現反彈顯著，阻力很大，也只能進入100～300 mm，且貫入度很小。該樁型每天可沉樁8根。典型樁樁底高程為-12.25 m，總錘擊數為260擊，終錘貫入度為1.5 mm/擊，靜載試驗測得的單樁軸向抗壓極限承載力高，為9 319.9 kN，其中樁側阻力3 463 kN，樁端阻力5 856.9 kN，總沉降量為18.64 mm，殘余沉降小，僅1.31 mm。

對于持力層為硬黏土段，先采用開口樁尖，試樁過程發現樁沉到-16 m設計標高處，總錘擊數280擊，但終錘貫入度還有10 mm/擊，拔出檢查發現樁內為硬黏土。設計決定先封堵樁尖3個孔，再試打2根發現樁沉到-16 m標高處，總錘擊數398擊，由于樁錘能量大，終錘貫入度還有8 mm/擊，但高應變檢測承載力為6 000 kN，于是采用全封閉的措施。考慮到打樁過程中封頭板受力很大，采用樁尖封堵混凝土加固措施，通過焊接在鋼管樁內壁的鋼筋傳遞剪力，將樁端混凝土的壓力轉換為鋼管樁的壓力。現場施工時，先焊接封底鋼板，再用振動錘將鋼管樁打設到回填砂層的下部，吊罐澆筑混凝土。由于樁底混凝土不能振搗，施工質量難以控制，要求混凝土封堵長度增加到4 m，鋼筋長度仍保持3 m，同時封底鋼板厚度可減小到20 mm。最后焊十字樁靴便于打樁定位。為了保證混凝土與鋼管的連接，鋼管先除銹，沿鋼管內壁布置40根直徑25 mm的鋼筋，每根鋼筋1.5 m長，只焊下部的0.5 m長，再澆筑C40微脹混凝土，見圖4。

圖4 樁端封堵混凝土結構圖Fig.4 Structural chart of concrete block in the pile tip

在相同的工程地質條件下，施打全閉口樁，樁底高程-14.21 m，總錘擊數670擊，終錘貫入度2.0 mm/擊，靜載試驗測得的單樁軸向抗壓極限承載力高，為8 035.2 kN，其中樁側阻力2 773.4 kN，樁端阻力5 261.8 kN，經計算其樁端基本為閉塞狀態。總沉降量為29.88 mm，殘余沉降為8.03 mm。且打樁過程中的最大壓應力、最大拉應力均可控制在合理范圍內。該樁型每天可沉樁4根。新型樁尖的閉塞效應有明顯的提高，承載力也滿足設計要求，同時又不增加打樁的難度，有效解決了設計樁長的問題。

為了檢測后軌道梁的側向穩定性，設計專門做了樁基水平試驗。在一根較短樁的樁頂上施加50 kN的水平力，測量樁的位移很小，滿足了設計要求。

在樁尖處理的同時，針對地質起伏變化大的特點，設計加密補充鉆孔，摸清后軌道區域的地質情況，確定了合理的樁基方案。此后利用試樁沉樁經驗，同時結合場區工程地質情況，在沉樁施工中采用貫入度控制為主、高程作為校核的方法，陸續開展后續沉樁工作，沉樁過程均無異常，且高應變抽檢結果表明基樁承載力均達到設計要求，樁身無明顯缺陷發生，樁長都滿足彈性長樁要求。

本項目采用這種樁尖加固處理方式，可以在巖層地質段進行開口樁的打樁，當鋼管樁的打樁長度接近設計樁長時，可合理安排打樁順序，隨時改變為打設全封閉鋼管樁，較好解決了巖層或巖性變化激烈區域的鋼管樁樁尖選擇的難題，現場實施比較便利。

5 結語

本項目采用打入式鋼管樁結構，針對巖層地質和堅硬黏土地質情況分別采用開口鋼管樁和全閉口鋼管樁，在淺埋堅硬巖層的復雜地質下取得成功，樁長很短，非常經濟。通過實際試驗和施工經驗，分析了鋼管樁用不同樁尖形式的打樁特點和承載力特點，提出類似地質條件下的鋼管樁樁尖處理措施，提升了樁基工程設計技術水平，為相似工程提供借鑒。

[1]中交第四航務工程勘察設計院有限公司.喀麥隆克里比深水港勘察報告[R].廣州：中交第四航務工程勘察設計院有限公司，2012.CCCC FHDI Consultants Co.,Ltd.Investigation report on Krib deepwater port in Cameroon[R].Guangzhou:CCCCFHDIConsultants Co.,Ltd.,2012.

[2]JTS167-4—2012，港口工程樁基規范[S].JTS 167-4—2012,Code for pile foundation of harbor engineering[S].

[3] 陳平，袁孟全.提高高樁碼頭鋼管樁樁基承載力的方法[J].中國港灣建設，2007（3）：1-4.CHEN Ping,YUAN Meng-quan.Methods to improve bearing capacity of steel tubular piles for piled wharfs[J].China Harbour Engineering,2007(3):1-4.