土工織物散體樁應用于碼頭基礎的理論技術探討

盧笙

摘 要：在目前碼頭結構型式的基礎上提出了利用土工織物散體樁進行深厚軟基處理的技術，擴大了重力式碼頭的應用范圍，使其能在深層軟土地基中得以使用，在滿足地基承載力及穩定性的前提下達到經濟、環保、高效的目的。深厚軟土之上的土工織物散體樁與淺層軟土構成的復合地基類似于“硬殼層”地基的工程特性，形成較大的地基承載力。對土工織物散體樁處理的碼頭軟基破壞機理進行了較為系統的分析，并通過與剛性樁的對比分析了優缺點。

關鍵詞：土工織物散體樁 碼頭 硬殼層 軟基處理 機理

1.前言

港口作為國家或地區對外交流的平臺，是區域經濟參與國際分工、合作與競爭的重要依托。自建國以來，我國碼頭結構主要集中在重力式碼頭、高樁式碼頭和板樁式碼頭三種結構形式，重力式碼頭適用于土質較好的地基，其能承受較大的地面荷載和船舶荷載，故而耐久性好、工藝變化適應性較強，是目前我國分布較廣、使用較多的一種碼頭結構型式；高樁式碼頭是軟土地基上廣泛采用的碼頭結構型式，主要利用深層地基承載力以及樁身與土體間的側摩阻力作為承載方式，但樁基為柔性結構，易發生側向位移、變形、開裂等；板樁式碼頭除了過于堅硬或軟弱的地基外，一般均可采用，但由于板樁屬于薄壁結構，故而抗彎能力有限，其承載力和穩定性受水深變化的影響較大，多用于中小型碼頭的建設。重力式碼頭為我國常見的碼頭形式，對地基承載力有較高的要求，按照一般的基床處理方式造價較高，這也一定程度上限制了其發展，在軟土深厚地區較少使用。采用土工織物散體樁處理碼頭軟土地基的方法，無需打入深層巖石地基、也無需全部換填，即可處理一定深度范圍內的軟土地基，在其承載力達到建設要求的前提下通過置換、擠密、排水固結來改善碼頭地基各項物理力學性能指標，具有良好的推廣應用前景。

2.土工織物散體樁應用于碼頭的可行性分析

2.1項目提出背景

目前，港口工程重力式碼頭或扶壁式碼頭基礎的設計處理方法是對碼頭基礎進行基槽挖泥，然后在基槽內換填塊（碎）石，經過夯擊密實后，將預制好的沉箱或方塊等安放在基床頂上，以達到減少基礎沉降和保證基礎穩定的要求。但因碼頭工程水下軟基往往較厚，其基礎挖換填的工程量往往巨大，因而施工進度慢、工程造價高，且挖除后的淤泥傾拋后往往易隨海潮和風浪再次涌入港池造成二次回淤現象。而且重力式碼頭一般要求軟土層下地基地質較好，才能達到地基承載力要求，因此一般在深厚軟土地區很難采用，即使采用，也需大范圍換填，或是采取密集灌注樁基礎的形式，花費人力物力巨大。而采用土工織物散體樁對深層軟土進行淺層處理，形成具有抵抗一般外部荷載的“硬殼層”，在“硬殼層”上安置預制的沉箱或方塊等形成重力式碼頭，改變一般深層軟土只能建造高樁式碼頭的限制，在節約工程造價和縮短建設工期上起了一定的作用。

2.2土工織物散體樁處理軟土的機理和優點

土工織物散體樁是一種新型的地基處理方法，其主要原理是采用碎石或砂礫等散體材料外套土工織物格柵形成基樁，該樁處理軟土地基，從機理上說同時具備了對軟土的置換、擠密加固、排水固結的功能，相較于傳統的碎石樁等又有樁基承載力較大的優勢，其施工速度快、復合地基加固效果好、工程造價低。

土工織物散體樁適用于粉土、砂土、粘土、填土、淤泥質土、腐質土、雜填土等各種復雜地質條件下的軟土地基，利用土工織物散體樁處理軟基，可不破壞地下水性環境，環保效果好，在含有酸、堿、鹽的地下水侵蝕下具有不怕腐蝕的特點，對地下水位變動大和有潮汐影響的的地質條件有較強的適應性。

2.3土工織物散體樁應用于碼頭的結構形式

土工織物散體樁在公路工程上已有不少成功案例，而在碼頭基礎的使用上實例還較少，有各方面的原因，一是水上施工有不小難度，二是作為半剛性樁的機理還不夠成熟。

水上施工可采用駁船配備散體樁施工設備的方式，根據碼頭前沿水深條件，以及土質條件和碼頭結構型式，計算采用合理的樁長、樁徑和樁間距，采用正方形或三角形布樁形式，在明基床上采用土工格室充填土石或混凝土填料，可在一定程度上形成具有較強的側向限制和大剛度的結構體，抵擋來自碼頭一側水位變化及潮汐沖蝕的影響，對暗基床則可采用多層土工格柵充填砂石并夯壓密實構成基礎褥墊層進一步提高地基承載力。

3.土工織物散體樁破壞機理分析

3.1穩定壓實階段

這一階段認為為排水固結階段，土工織物散體樁處理碼頭軟基，在一定程度上形成豎向排水通道，陳建峰等的研究表明，土工織物散體樁土應力比比一般碎石樁大三倍左右，呈現半剛性樁的特點，由太沙基一維固結理論，碎石樁豎向排水通道的存在，很大程度上會加大軟土在荷載下的次固結變形，地基的次固結沉降通常用下式計算：

3.2彈塑性發展階段

位于地表的具有較高強度和相當大厚度的硬殼層，與下方的軟土形成較為鮮明的強度差和剛度差，這種由復合土層構成的低剛度水平和很大厚度的結構，在上部荷載作用下呈現一種特殊的承載方式，一種柔性的卻又類似板體性的承載方式，使地基的應力分布和承載變形規律產生一系列特有的性質。事實上，由土工織物散體樁構成的復合地基，不僅在于保護下方軟土不受擾動，對荷載起擴散作用，最重要的是它改變了地基的應力分布，使荷載集中于地基上部和“硬殼層”內，樁下方軟土由于“硬殼層”的板體作用而承受更小的壓力，地基的承載能力由此改善，穩定性也大為提高。

隨著土工織物散體樁上部褥墊層及預制混凝土厚度的增加，地基的彈性平衡狀態將被打破，變形的增大將削弱硬殼層的板體性作用，荷載擴散面減小，軟土上的應力大幅度增加，樁的塑性變形迅速發展。盡管如此，此時的“硬殼層”內仍然具有很強的應力集中，經處理過后的復合地基依然承受著大部分荷載，地基仍然處于穩定狀態，這時可叫做復合地基的彈塑性發展階段。

3.3極限承載階段

碼頭上土工織物散體樁處理深度與基床高度的關系尚待研究，但可以確定的是，隨著復合地基上部荷載的增大，其彈塑性承載階段將被打破，此后可分為三種情況：（1）“硬殼層”板體并未受到破壞，地基變形很大，荷載由在“硬殼層”中集中到“硬殼層”與軟土自然承擔，軟土上的應力大為增長，地基很快趨于破壞；（2）“硬殼層”內樁體變形量增大，在樁身下方一定區域內有鼓脹變形趨勢，荷載來不及傳入下方軟土，“硬殼層”本身趨于破壞；（3）即樁身鼓脹破壞并伴隨復合地基整體沉降失穩。

4.土工織物散體樁與剛性樁（灌注樁）的比較

以大連普灣新區某碼頭工程為例，在基礎設計階段選型時選用了土工織物散體樁基礎和灌注樁基礎作為對比方案。

工程地質為水下岸坡，大部分地段回填形成陸域，海底標高-1.39～1.99m，最大高差3.38m。根據鉆探揭露，場地地層自上而下為全新統拋石、全新統海積淤泥、粉質粘土、更新統海、陸積粘土及震旦系南關嶺組石灰巖。其中拋石層厚1～2m，淤泥層厚14～20m，其下粉質粘土、粉土層厚約25m，再下層為強風化、中風化石灰巖。

（1）土工織物散體樁方案：采用衡重式塊石砼胸墻。頂標高為+4.1m，上設0.6m高現澆砼壓頂，胸墻底部設有底板。為滿足地基承載力要求，需在底板底部設置土工織物散體樁，樁徑0.8m，正方形布置，中心間距1.5m，深度至-20m。然后將上層塊石層及部分已處理淤泥層挖除，開挖邊坡為1：2，然后基床回填，至頂標高-5.0m，胸墻后回填10～100kg塊石棱體，棱體外設二片石和混合倒濾層。見圖（a）。

（2）灌注樁方案：基礎采用φ1200mm嵌巖灌注樁，樁間距4m，其余結構相同。見圖（b）。

4.1土工織物散體樁復合地基計算

（1）承載力計算

土工織物散體樁單樁承載力采用以下公式計算：

5.結語

以上所研究的內容對現有的碼頭結構型式的應用提供了一個全新的思路，由土工織物散體樁處理泥面下軟土，達到深厚軟基淺層處理的目的，使重力式碼頭或扶壁式碼頭結構型式可在深厚軟基中得到應用，在滿足地基承載力的情況下具有環保、經濟、高效的特點。土工織物散體樁與樁間土構成類似于“硬殼層”軟土地基的工程特性，但與“硬殼層”軟土地基并不完全一致，深層軟土之上的土工織物散體樁式復合地基具有更大的承載能力及更廣的適應性。

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