淺覆蓋層花崗巖地質中長樁碼頭結構設計

李 婷，吳佳蘋

（中交四航局港灣工程設計院有限公司，廣東 廣州 510290）

引 言

新建客運碼頭位于大萬山島西南萬山灣。工程地質勘察資料顯示，選址處無不良地質現象，但巖面較高，巖面傾斜度較大，幾乎沒有覆蓋層，且巖質為中風化花崗巖，屬于硬質巖。

基于防洪、海洋環境等方面的特殊考慮，該碼頭主體宜采用高樁梁板式透空結構，樁基擬選用進入微風化巖層的灌注型嵌巖樁。碼頭平臺主要承受船舶荷載和波浪力等水平力作用，樁基宜按彈性長樁要求設計。但受制于工程地質條件及施工機具能力制約，樁基入土深度無法滿足彈性長樁的構造要求，根據規范條件判斷，屬于中長樁的范圍。鑒于規范以及實際工程案例中關于中長樁內力計算及結構設計的內容較少，本項目考慮通過Midas civil建模，采用“m”法對樁基內力及樁側土體應力進行數值分析計算。

1 工程地質

根據工程地質勘察以及現場實際施工核實，碼頭所在場地基巖上覆蓋層極薄，對樁基的水平抗力作用幾乎可以忽略不計，中風化花崗巖層厚度為3～5 m不等，其下為微風化花崗巖層。各巖土層承載力特征值及沖（鉆）孔灌注樁樁基力學參數建議取值見表1。

表1 各巖土層承載力特征值及樁基設計參數

勘察試驗結果統計，場地內中風化巖層平均單軸抗壓強度77.4 MPa，標準值建議按70.0 MPa采用。

2 荷載條件

碼頭面均布荷載：按客運碼頭考慮取5 kPa。

船舶荷載：按 500 GT客船計算，系纜力150 kN、撞擊力309 kN。

波浪荷載：碼頭前沿 50年一遇設計波浪，極端高水位H1%=2 m，T=9.4 s，L=81.1 m；設計高水位H1%=1.94 m，T=9.4 s，L=76.4 m。

根據《港口與航道水文規范》（JTS 145-2015）有關規定，計算作用于樁體上的正向波浪力FDmax=8.72 kN，FImax=164.14 kN；力矩PDmax=55.65 kN·m，PImax=1.21 kN·m。

3 碼頭結構方案

圖1 碼頭斷面

碼頭平臺長度58.00 m，寬9.00 m，基樁采用?1 200灌注樁，按彈性長樁構造要求樁基入土深度需要6.92 m，由于場地中風化巖層厚度為3～5 m不等，微風化巖層很難鉆進，且中風化巖石飽和單軸抗壓強度標準值frk為70.0 MPa，滿足frk＞30 MPa要求，可按嵌巖樁計算，故基入巖深度按進入中風化巖層4.8 m以上考慮，中風化巖層薄的樁位按進入微風化巖層1.2 m控制，如遇夾砂層按照夾砂層以下巖面起算，實際入土深度平均為6 m。碼頭典型斷面如圖1所示。

4 碼頭樁基結構分析

4.1 樁基入土深度分析

根據《碼頭結構設計規范》（JTS 167-2018）附錄B中相關公式，樁的相對剛度為：

式中：Ep為樁材料的彈性模量；Ip為樁截面的慣性矩；m為樁側地基土的水平抗力系數隨深度增長的比例系數；b0為樁的換算寬度。

計算得T=1.73 m，樁的實際入土深度Lt平均為6 m，4T＞Lt≥2.5T，屬于中長樁范圍。

4.2 樁基計算3D模型

利用Midas civil建立碼頭梁板段排架的模型。根據樁的入土設計深度建立三維有限元模型，將土體視為彈性地基，樁為放置其中的豎向基礎梁。從泥面到樁底部分，每隔1.0 m設定計算點在x和y方向的雙向剛性邊界強度，根據各層土的m值確定該計算點的剛性邊界強度，在樁底施加Z方向的平動約束。作用在樁上的波浪力荷載按連續梁荷載的方式，從樁頂到泥面，每隔1.0 m施加一個，考慮前排樁的遮蔽作用，波浪力荷載僅施加于碼頭前排樁。

4.3 樁基計算結果分析

根據不同設計狀況，組合計算得到的最大樁基內力結果為：壓樁力 1 602.75 kN，拔樁力442.42 kN，樁彎矩1 268.34 kN·m。根據《碼頭結構設計規范》（JTS 167-2018）4.2.25條要求，本項目基巖飽和單軸抗壓強度標準值frk為70.0 MPa，滿足frk＞30 MPa要求，可按嵌巖樁計算。樁基軸向抗壓承載力設計值14 318.25 kN，軸向抗拔承載力設計值1 425.76 kN。承載力滿足要求。

根據《碼頭結構設計規范》（JTS 167-2018）4.2.24條要求，嵌巖深度需滿足不小于 1.5倍嵌巖段樁徑且應滿足：

式中：hr’為計算所需嵌巖深度；Vd為巖基頂面處樁身剪力設計值；β為系數，本項目中風化巖取為0.7；frk為巖石飽和單軸抗壓強度標準值，本項目取為70MPa；Md基巖頂面處樁身彎矩設計值；D'為嵌巖段樁身直徑。

當樁身混凝土軸心抗壓強度標準值 fck小于βfrk時，宜將fck代換公式中的βfrk進行計算。驗算計算所需嵌巖深度hr’為0.597 m，1.5倍嵌巖段樁徑為1.8 m，實際入巖深度不小于4 m，滿足嵌巖樁要求。

根據《碼頭結構設計規范》（JTS 167-2018）4.2.22.2款要求，承受水平力作用的中長樁，其樁側土體水平壓應力應滿足：

驗算結果泥面以下 h/3處，土體水平壓應力229.30 kN，土體水平抗力值603.71 kN；泥面以下h處，土體水平壓應力309.90 kN，土體水平抗力值767.12 kN。滿足要求。

經過以上計算分析，就本項目情況，樁基按照中長樁設計可滿足結構安全要求，因此灌注樁結構按灌注型嵌巖樁進行構造設計，主筋采用24根28號鋼筋，巖面上下 2 m范圍內螺旋筋加密至間距100 mm。

5 施工措施建議

本項目選址處覆蓋層淺，大部分位置巖面裸露，且巖面傾斜度較大，坡度可以達到1:3～1:2，地質條件對鋼平臺沉樁穩定不利，建議施工時可采用支撐式鋼桁架穩樁，或者采用人造基床穩樁。

同時，鑒于基巖裂隙發育，存在漏漿風險，建議鉆孔作業時采用邊鉆孔邊跟進鋼護筒的方式，鋼護筒跟進至巖面以下1 m深度。同時也可根據典型實施情況，實施調整漿液配方或濃度等措施。

巖面傾斜度大，鉆機沖孔時，易滑錘撞擊護筒產生位移，建議在平臺下安制簡易導向架或在跟進平臺上加焊槽鋼等限位導向措施，保證跟進之后的護筒垂直度。

6 結 語

以萬山群島為代表的外伶仃洋上眾多島嶼以及粵東粵西近海岸，覆蓋層較淺甚至基巖完全裸露的硬質巖區域分布十分廣泛，在此類特殊工程地質條件下實施樁基工程，本依托工程具有很強的代表性。

對入土（巖）深度無法滿足彈性長樁構造要求的樁基工程尤其是高樁碼頭的樁基結構，可依照規范關于中長樁或者剛性樁結構定義，先行計算其水平力作用效應，應用三維計算軟件進行樁基內力計算，根據樁基內力判斷樁徑是否合理，并根據樁側土體應力值與土體水平抗力值，判斷是否可按中長樁設計。如果樁基是進入覆蓋層較薄的硬質巖石地基，則在判斷實際入巖深度滿足嵌巖樁構造要求的情況下，可以按嵌巖樁進行結構設計，確保特殊地質條件下樁基結構滿足安全使用要求。