高樁碼頭樁基夾樁穩樁抗風浪技術應用

孫國峰 中交一航局第五工程有限公司

1.工程概況

本高樁碼頭樁基為PHC樁結構，樁基直徑均為1m，共計包含8個泊位，其中泊位平臺8座，泊位之間連接引橋9座，碼頭起始點由陸域護岸向外海側引出，整個高樁碼頭呈半環抱型布置，前沿線總長度為1.8km。項目應用到PHC樁的量為1011根，具體為：直樁334根，斜樁677根。其設計樁長均在35m至51m之間，斜樁最大斜率為4：1。碼頭設計高水位為+1.87m，設計低水位為+0.3m，極端高水位為+3.12m，極端低水位為-0.16m。

本高樁碼頭設計參數情況為：1號泊位泥面高程為-13.5m，樁底高程為-32.0m，樁頂高程為+3.10m，強風化巖層處于-33.0以下，樁身懸臂的長度為16.6m，個別部分樁基存在入巖情況；2號、3號泊位泥面高程為-12.7m,樁底高程為-31.0m,樁頂高程為+3.10m，強風化巖處于-34.0m以下，樁身懸臂長度為15.8m，樁基未有入巖情況；4號、5號泊位泥面高程為-9.5m，其中4號泊位樁底高程為-32.0m，5號泊位樁底高程為-28.0m，樁頂高程均為+3.10m，強風化巖處于-25m以下，樁身懸臂長度12.6m，樁基未有入巖情況；6號至8號泊位泥面高程為-8.0m，其中6號泊位樁底高程為-32.0m，7號泊位樁底高程為-37.0m，8號泊位樁底高程為-33.0m。設計樁頂高程均為+4.10m，強風化巖處于-36.0m以下，樁身懸臂長度為12.1m，樁基未有入巖情況。

本工程地處外海環境，而且本地區屬于臺風多發地區，因樁基數量較多，施工工期較長，中間需要跨過臺風期，碼頭部分樁基施工完成后，需要及時采取夾樁穩樁措施來保證樁基安全，防止風浪對樁基的破壞，減小工程損失。

2.自然條件

2.1 潮流（碼頭前沿港池）

（1）大潮時，工程完工后東向流最大流速為0.01～0.08m/s，工程完工后東向流最大流速時對應流向與碼頭前沿走向夾角為11°～83°。西向潮流工程后流速值約為0.01～0.10m/s，工程后西向流流速對應的流向與碼頭前沿走向夾角為0°～62°。工程完工后潮周期最大流速為0.01至0.13m/s。

（2）小潮時，工程完工后東向流最大流速為0.01～0.07m/s，工程完工后東向流最大流速時對應流向與碼頭前沿走向夾角為2°～80°。西向流流速最大時工程后流速為0.01～0.08m/s，工程完工后西向水流流向與碼頭前沿走向夾角為0°～62°。潮周期最大流速為0.02～0.09m/s。

2.2 風況

統計石碑山歷年的風況資料，風速儀的高度處于5m處時，常風向為東北向，頻率為28.67%，次常風向為東北東，頻率為17.18%，強風向為東南東。風速儀高度處于25m處時，一年內風速大于六級風力的天數為13d。

2.3 工程特點

本工程地處開敞的外海海域，本地區屬于風多、浪大地區，施工條件較為惡劣，地質情況較為復雜，施工難度較大。此外，每年7～9月為該地區臺風季節，熱帶氣旋出現時間集中在該季節，施工過程中易受臺風影響；根據相關統計資料顯示，1949～1992年期間，本地區受熱帶氣旋的影響達45個之多，平均下來每年1個，最多為3個。工程量較大，施工任務繁重，整體工期需要經歷臺風期，工程結構安全風險較大。

3.樁基夾樁穩樁工藝

樁基截樁施工結束后隨后開展夾樁作業，夾樁鋼梁采用方駁吊機組現場安裝完成，考慮夾樁鋼梁作為后續上部結構施工搭設平臺所用鋼梁為同一材料，擬采用采用對扣[20槽鋼進行夾樁復核計算，夾樁鋼梁為橫縱向布置，將樁基形成整體，布置成井字模式進行加固。并且同時結合上部結構施工所需要搭設的操作平臺，考慮操作平臺的結構尺寸及所在樁基支撐點的位置，確定夾樁標高設置在+2.43m，夾樁型鋼的底部支撐結構采用鋼抱箍，夾樁鋼梁架設在鋼抱箍牛腿上，并使用直徑28mm精軋螺紋鋼將樁基兩側夾樁鋼梁進行對拉緊固。鋼抱箍的尺寸設計均按照上部結構受力情況進行核算，保證鋼抱箍能夠加緊樁基，不出現下滑情況。

夾樁鋼梁的安裝，采用海上方駁吊機進行施工，由施工人員配合進行安裝緊固，注意方駁吊機駐位距樁大于3m，防止方駁吊機對樁造成破壞。夾樁鋼梁安裝施工過程中，配備海上浮排，施工人員站立在浮排上進行施工，施工過程中將浮排與樁基使用繩索進行捆綁加固，防止浮排出現傾覆的情況。

4.夾樁穩樁鋼梁核算

4.1 樁基受到的波浪力

分析本工程地質資料及設計波浪資料，根據《海港水文規范》（JTS145-2-2013）要求，設計波浪重現期采用50年一遇，設計波高累計頻率采用H1%，夾樁穩樁選擇最不利條件下的樁基進行計算，根據設計資料及計波要素，本海域正常狀態下取靜水面標高為+3.12m，波高為6.2m，周期為9.6s，波長為100m，泥面標高取-13.5m，水深為16.62m，管樁直徑為1.0m，斜樁樁身懸臂長度最長為17.1m。

根據《港口與航道水文規范》（JTS 145-2015）：作用于水底面以上高度z處柱體全斷面上與波向平行的正向力由速度分力和慣性分力組成，小尺度樁（柱），作用于整個柱體高度上的最大速度分力為PDmax，最大慣性分力為PImax，當z1和z2和間柱體斷面相同時，根據計算可得：PDmax=60.6kN；PImax=22.2kN。

對于小尺度樁（柱），可根據下式（1）計算作用于整個柱體高度上任何相位時的正向水平總波浪力：

式（1）中，t—時間，s。依據上式（1）可知，當t=0時（即波浪的波峰恰好經過柱體的中心線），P為最大值，即P=PDmax=60.6kN。由于夾樁結構是臨時結構，使用時間較短，樁基受到附著生物影響較小，根據規范要求，波浪增大系數取1.15。所以作用于整個柱體高度上的正向水平總波浪力為F波浪=69.7kN。

4.2 斜樁基所受的傾覆力

本工程中，斜樁最大斜率為4：1，斜樁最大的懸臂長度為17.1m，PHC 樁重量以最重懸臂長度的斜樁進行夾樁鋼梁的荷載計算，取GPHC=151.8kN。使用夾樁鋼梁將樁基夾樁穩樁后，夾樁鋼梁會提供給樁基一定的抗傾覆力，夾樁鋼梁所需要提供的抗傾覆力值為F抗傾=20.1kN。考慮最不利的情況，當波浪力和樁身的傾覆力作用在同一個方向時，夾樁鋼梁所受到的力為最大，此時，固夾樁鋼梁所受到的拉應力為：N=F波浪+F抗覆=89.8kN。

4.3 夾樁鋼梁受力復核計算

夾樁穩樁的方式采用橫縱向夾樁，使用鋼梁將樁基相連形成井字形結構，將樁基形成整體結構，共同抵抗波浪力的作用。擬采用[20槽鋼材料作為樁基兩側的夾樁鋼梁，為提高夾樁鋼梁的剛度，每側單根夾樁鋼梁由兩根槽鋼組成，槽鋼做對口焊接，固單根夾樁鋼梁所受到的波浪力N=44.9kN。根據設計圖紙，選取樁基之間的最大間距為不利條件，本工程中最長的縱向受力夾樁槽鋼長度為13.0m，最長橫向受力夾樁槽鋼長度為8.5m。

根據以上分析，對夾樁鋼梁進行穩定性驗算，見式（2）：

式（2）中，A—截面面積，取57.66cm2，φz、φy為軸心受壓構件穩定系數。

經計算，縱、橫向對扣槽鋼受力皆＜215N/mm2，因此皆滿足受力要求。

4.4 緊固螺栓受力復核計算

樁基兩側夾樁鋼梁采用直徑28mm 精軋螺紋鋼進行對拉緊固連接，故單根精軋螺紋鋼受力為P=1/2×44.9kN=22.45kN。

精軋螺紋鋼所受到的剪應力為f=P/（2πr2）=24.8N/mm2＜85N/mm2，基于上述計算分析可知，精軋螺紋鋼受力情況滿足工程實際需求。

5.結束語

綜合考慮上部結構施工，來確定夾樁標高及夾樁材料的選擇，通過計算最不利情況下波浪力對樁基的作用，核算夾樁鋼梁的受力情況，來確定樁基夾樁的穩定性，最大化的保證了樁基抗風浪的穩定性，值得類似工程借鑒。