重力式碼頭后軌道梁基樁的優化設計及應用實踐

陳波，宋蘭芳，王廣賢

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州510230）

重力式碼頭后軌道梁基樁的優化設計及應用實踐

陳波，宋蘭芳，王廣賢

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州510230）

依托海南某正在實施的工程項目，對于基樁貫穿較厚的中密砂層及硬黏土層的情況，進行了方案優化設計，初步探討碼頭后軌道梁基樁中抗拔樁的連接設計，并對打樁中的一些問題及解決對策進行了總結，可為類似工程的設計及施工提供借鑒經驗。

后軌道梁基樁；優化設計；抗拔樁

0 引言

對重力式碼頭后軌道梁樁基樁一般采用灌注樁或陸上施打PHC管樁，灌注樁一般費用較高且施工速度相對較慢，而PHC管樁具有抗壓強度高、產品規格多、搭配靈活、接長方便和施工速度快等優點，一般情況下，軟土、黏性土、粉土、砂土及全風化巖體等地層條件均可采用。對樁基需穿越較厚中密砂層的情況，樁基打入需利用砂土液化效應連續施打，因此管節連接時間及強度較難得到保障。本文結合海南洋浦某大型重力式集裝箱碼頭后軌道梁基樁的優化設計及應用實踐過程，對重力式碼頭后軌道梁基樁的設計，尤其是PHC管樁管節連接強度的設計進行了初步探討，并對本工程后軌道梁基樁的應用實踐進行了總結。

1 工程概況

碼頭采用重力式沉箱結構，結構設計底高程為-18.0 m，碼頭沉箱底寬15.8 m，沉箱后設置拋石棱體，棱體頂標高為-5.0 m，棱體后設置倒濾結構，后方回填中粗砂并振沖密實至N≥15擊。碼頭布置2條QU120軌道，軌距35 m，前軌距碼頭前沿線4 m，直接鋪設在胸墻上，后軌鋪設在現澆軌道梁上，軌道梁為C40倒T形鋼筋混凝土結構，梁總高2.8 m，軌道梁下采用φ800 mmPHC管樁雙樁作為基礎，PHC管樁間距3.5 m。本工程共有φ800 mmPHC管樁（B型）458根，樁身混凝土設計強度等級為C80，壁厚為130 mm，單樁結構軸向承載力設計值6 876 kN，極限彎矩1 059 kN·m，抗裂彎矩588 kN·m。本工程碼頭前沿配置65 t-65 m岸邊集裝箱裝卸橋，預留80 t-66 m岸邊集裝箱裝卸橋荷載，集裝箱裝卸橋參數：軌距35 m，基距15.1 m，支腿4個，10個輪/

支腿，輪距1.1 m，工作狀態最大輪壓920 kN/輪，非工作狀態最大輪壓1 280 kN/輪，上拔力3 000 kN/角。

2 基樁優化設計

2.1 地質條件分析

PHC管樁雖然具有諸多優點，但也存在脆性較高的突出弱點，沉樁過程中會出現裂縫、樁頭打裂甚至樁身斷裂現象。王振祝總結某工程PHC管樁施工經驗，強調地質勘察在PHC管樁施工中的重要性，同時也突出試樁在復雜地質條件下的重要性[1]。實踐經驗表明，在應用PHC管樁時，應注重研究當地的地質條件，采用的施工方法與對策應因地制宜，充分發揮PHC管樁在水運工程技術上的優越性能及其最大效益。

本工程區地層可大致劃分為上部地層、中部地層和下部地層三部分。上部地層為第四系全新統海相沉積層，主要層位為淤泥、淤泥質土、粉細砂、中粗砂、珊瑚碎石土，總體上場區上部地層以低強度的淤泥、松散砂土等軟弱土為主，工程特性較差。工程區中部地層為第四系晚中更新統沖積海積沉積層，主要層位為粉質黏土—粉土、粉細砂、中粗砂，其中③2粉質黏土—粉土層局部較連續分布，平均層底標高-13.94 m，平均層厚5.21 m，平均N=11.0擊（8～15擊），具中等壓縮性、一定強度，屬中硬土；③3粉質黏土—粉土層局部較連續分布，平均層底標高-19.51 m，平均層厚3.68 m，平均N=22.9擊（15～34擊），具中等壓縮性、中等強度，屬中硬土，總體上場區中部地層以中硬土為主，工程特性較好。工程區下部地層為第四系早更新統沖積海積沉積層，主要層位為粉質黏土—粉土、粉細砂、中粗砂，其中④1粉質黏土—粉土層在碼頭區連續分布，平均揭示厚度19.18 m，平均N=50.5擊（33～83擊），具中等偏低壓縮性、較高強度，屬中硬土，總體上場區下部地層以中硬土為主，一般具中等或較高強度，是本區良好的地基持力層。經碼頭基槽開挖后在后軌道梁打樁位置處，場區上部土層基本全部被挖除，碼頭后軌道梁基樁持力層宜選在連續分布的④1粉質黏土—粉土層中。持力層上面的覆蓋土層有原狀土層和回填的中粗砂層，原狀土層主要為中部地層的中硬土，其中③2和③3粉質黏土—粉土，混較多細中砂，局部呈黏性土混砂狀，局部近弱膠結狀，回填的中粗砂層厚度有10～25 m不等，同時基樁要滿足設計承載力的要求，基樁需進入持力層④1粉質黏土—粉土5～15 m不等，設計必須考慮這些土層給沉樁帶來的困難。

2.2 基樁比選

集裝箱裝卸橋輪壓大，對不均勻沉降反應靈敏，需對其后軌道基礎進行處理。對裝卸橋后軌道基礎結構方案，可采用鉆孔灌注樁方案和打入樁方案，其中打入樁方案可以采用鋼管樁方案和PHC管樁方案，經比較鋼管樁方案的造價高，依據JTS 167-8—2013《水運工程先張法預應力高強混凝土管樁設計與施工規程》[2]，設計使用年限為50 a時，推薦樁型直徑大于等于800 mm的PHC基樁，管節長度可達7～30 m，基樁承載力較大，抗彎性能好，在樁位布置上可以拉大樁的間距，降低打樁困難。

針對本工程初步設計，擬采用φ800 mmPHC管樁雙樁方案和φ1 200 mm灌注樁方案進行比選。結構方案一：后軌道基礎采用φ800 mmPHC管樁雙樁結構方案。鋼樁尖的長度取為3.0 m，基樁以④1粉質黏土—粉土層作為樁端持力層，樁排架間距為3.8 m，懸臂長1.0 m，軌道梁為現澆C40倒T形鋼筋混凝土結構，翼緣寬3.2 m，翼緣高1.2 m，梁總高2.8 m，梁肋寬2.2 m。結構方案二：后軌道基礎采用φ1 200 mm灌注樁結構方案，基樁以④1粉質黏土—粉土層作為樁端持力層，樁排架間距為3.8 m，懸臂長1.2 m，軌道梁為現澆C40矩形鋼筋混凝土結構，梁高2.8 m，梁寬2.2 m。經過技術經濟比選，結構方案一后軌道梁延米造價為6.56萬元，結構方案二后軌道梁延米造價為7.81萬元，PHC管樁結構方案延米造價更優，并且采用PHC管樁結構方案還具有如下優點：施工周期短，能更好滿足工期要求；施工簡便，質量控制較容易，施工質量易保證。綜合考慮推薦φ800 mmPHC管樁雙樁結構方案。

2.3 組合樁鋼樁尖的選擇

通過對地質條件的分析，如果沉樁時要保證PHC管樁能順利穿越覆蓋土層并進入持力層達到設計標高，難度較大，在海南洋浦地區尚無成功案例可以參考。減少沉樁阻力關鍵是提高樁端穿越覆蓋土層的穿透能力，如果全部選用鋼管樁，肯定不存在問題，但通過比較經濟上成本太高，實踐證明對于上部荷載較大以致樁尖持力層需選

在入土深度較深土層的結構物，在周圍環境因素制約較小的情況下，其基樁選型可以采用“PHC管樁結合超長鋼樁靴”的方案，這是一種行之有效、較鉆孔灌注樁基樁更便捷、經濟、質量可靠的方法[3]。同時依據JTS 167-4—2012《港口工程樁基規范》[4]，沉樁貫入難度較大時，一種有效的途徑是采用預應力混凝土管樁與鋼管樁組成的組合樁。針對本工程施工圖設計，依據地質條件決定選用長度為3 m和6 m的兩種規格樁尖進行設計，均為開口型鋼樁尖，對持力層較高、基樁要進入持力層④1粉質黏土～粉土較長的區段，采用6 m長的鋼樁尖，其余區段采用3 m長的鋼樁尖，并以鋼樁尖的長度替代工程樁的有效樁長。3 m長的鋼樁尖壁厚18 mm，6 m長的鋼樁尖壁厚22 mm，樁尖管身均布12條加強肋，樁尖與PHC管樁連接處加焊25 mm的加強鋼板，通過這一措施能有效提高樁端穿越覆蓋土層的能力。3 m長鋼樁尖立面圖如圖1所示。

圖1 3 m長鋼樁尖立面圖Fig.1 3 m steelpile tip elevation

2.4 接樁處的連接設計

海南地區臺風頻繁，基樁的抗拔能力尤為重要。依據現場打樁實際情況，基樁最多要分三節焊接接樁打樁，對于焊縫強度的驗算依據JTS 152—2012《水運工程鋼結構設計規范》[5]，直角角焊縫的強度可按下式計算：

根據上述驗算可以看到，焊縫強度從設計計算角度能滿足工程需要，但是由于現場焊接的質量良莠不齊，存在焊縫不飽滿、焊縫坡口尺寸太小、焊縫冷卻時間不夠、焊縫缺乏保護等問題，焊縫出現質量問題幾率很大。為確保碼頭防風拉索下基樁的抗拔承載力，對最后一節接樁處的連接進行了設計加強。先把抗拔樁與普通樁區別開，對于普通樁，設計的樁芯混凝土為樁頂下3 m，對于抗拔樁，管樁填芯混凝土的高度H可按下式確定：

式中：Qct為單樁豎向抗拔承載力設計值，經計算為487.5 kN；Um為管樁內孔圓周長；fn為填芯混凝土與管樁內壁的黏結強度設計值，取0.3 N/ mm2。管樁內孔受拉鋼筋面積As可按下式確定：

式中：As為管樁內孔受拉鋼筋面積；fy為抗拉鋼筋的抗拉強度極限值，取300 MPa。

經計算對于抗拔樁若僅樁頂處采用3 m的樁芯混凝土，回填中粗砂的單位面積極限側摩阻力標準值取40 kPa計算，最后一節基樁能提供的抗拔承載力僅為379.7 kNQct，滿足設計要求，同時最后一節接樁焊接位置處填芯混凝土的連接長度，經采用上面的公式驗算滿足要求。管樁內孔受拉鋼筋樁頂下3 m內采用14根φ25的鋼筋均布，樁頂下3 m處以下則優化采用7根φ25的

鋼筋均布，受拉鋼筋的設計經采用上面的公式驗算滿足要求。通過把抗拔樁與普通樁區別開，分別設計不同的填芯混凝土連接高度以及填芯鋼筋數量，這樣既確保了抗拔樁的抗拔承載力能夠滿足設計要求，又能節省部分普通樁的填芯混凝土的工程量。

3 沉樁及沉樁控制標準

沉樁前要求先進行試沉樁，設計要求采用D100柴油錘沉樁，終錘貫入度取最后3陣，每陣10擊，平均貫入度不大于5 mm/擊。通過試沉樁發現有部分基樁在距離設計標高大于3.0 m時就達到了終錘貫入度，對此施工單位提出，回填中粗砂層經振沖密實處理以及上部流動機械的碾壓后，密實度較大，引起打樁阻力較大，為此經與現場共同探討，確定將PHC管樁的沉樁控制標準調整為：沉樁以標高控制為主，貫入度作為校核，終錘貫入度取最后3陣，每陣10擊，終錘分以下3種情況：1）當樁尖已達設計標高，平均貫入度≤8 mm/擊時，可以終錘；2）當樁尖已達設計標高，平均貫入度＞8 mm/擊時，應及時報監理工程師并與設計聯系；3）當樁尖未達設計標高，且樁尖距設計標高≤1 m，平均貫入度以3 mm/擊控制，可以終錘；當樁尖距設計標高＞1 m，應及時報監理工程師并與設計聯系。

通過打樁實踐證明試沉樁調整后的沉樁控制標準，對本工程余下基樁的沉樁更加適應。

4 檢測

4.1 單樁豎向抗壓靜載試驗

本工程單樁豎向抗壓靜載試驗共計2根，樁號分別為B117和B96樁，試驗采用慢速維持荷載法，依據試驗可判定該樁豎向抗壓極限承載力不低于7 000 kN[6]，滿足設計要求。

4.2 高應變檢測

本工程高應變檢測共27根次[6]，其中17根樁初打檢測得到的承載力為5 207～5 917 kN，10根次復打檢測得到的承載力為7 014～7 598 kN，滿足設計要求，樁身完整性均為100%。由于打樁時土體受到擾動，故通過復打、初打結果對比得到本工程區土體恢復系數為1.28～1.33。

4.3 低應變檢測

本工程低應變檢測共135根樁，均為Ⅰ類樁[6]。

5 結語

1）工程實踐表明，在PHC管樁施工過程中，應注重研究當地地質條件、控制錘擊貫入度，使管樁施工質量達到設計要求。

2）PHC管樁打入老黏土層時，宜設置鋼樁尖，在基樁要貫穿較厚的中密砂層及硬黏土層時，沉樁難度較大，可采用PHC管樁與鋼管樁組成的組合樁。

3）陸上施打PHC基樁往往都要焊接接樁，對樁基需貫穿較厚的中密砂層的情況，打樁需利用砂土的液化效應連續施打，因此管節的連接時間及強度較難得到保障，并且由于現場焊接質量良莠不齊，抗拔承載力難以保證，通過把抗拔樁與普通樁區別開，分別設計不同的填芯混凝土連接高度以及填芯鋼筋數量，既確保了抗拔樁的抗拔承載力能夠滿足設計要求，又能節省部分普通樁的填芯混凝土的工程量。

4）對于PHC管樁樁基，宜采用多種方式進行檢測。

[1]王振祝.澳門國際機場聯絡橋工程樁基施工中遇到的幾個疑難問題與對策[J].水運工程，1995（2）：35-40. WANG Zhen-zhu.Knotty problems and measures in construction ofpile foundation for the contactbridge of Macao International Airport[J].Port&Waterway Engineering,1995(2):35-40.

[2]JTS 167-8—2013，水運工程先張法預應力高強混凝土管樁設計與施工規程[S]. JTS 167-8—2013,Code for design and construction for pretensioned spun high-strength concrete pile ofport and waterway engineering[S].

[3]宋杰.“PHC混凝土管樁結合超長鋼樁靴”的應用及分析[J].建筑施工，2004，26（1）：20-22. SONG Jie.Application and analysis of PHC concrete pipe-pile combined with extra long steel pile shoe[J].Building Construction, 2004,26(1):20-22.

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

[5]JTS 152—2012，水運工程鋼結構設計規范[S]. JTS 152—2012,Code for design of steel structures in port and waterway engineering[S].

[6]天津港灣工程質量檢測中心有限公司.海南洋浦港洋浦港區小鏟灘作業區起步工程碼頭工程-樁基檢測報告[R].2014. Tianjin Port Engineering Quality Inspection Center Co.,Ltd.Inspection reporton pile foundation in terminalprojectofpreliminary engineering at Xiaochantan operation area in Yangpu Port,Hainan [R].2014.

Optimal design and application for pile foundation of rear rail beam of gravity quay

CHEN Bo,SONG Lan-fang,WANG Guang-xian
（CCCC-FHDIEngineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）

Depending on one project which under construction in Hainan province,for the pile has to through medium dense sand layer and hard clay layer,we optimized the design,studied on designing the uplift pile connection of rear rail beam，and discussed some of the problems encountered in the piling process and the measures of solving them,which can provide design and construction

for the similar projects.

pile foundation of rear rail beam;optimal design;uplift pile

U652.74；U656.111

A

2095-7874（2015）12-0037-04

10.7640/zggwjs201512009

2015-07-04

陳波（1980—），男，廣東高州人，碩士，高級工程師，主要從事港航工程設計及管理工作。E-mail：chenbo@fhdigz.com