組合樁在福州港白馬港區灣塢作業區8#泊位工程的應用研究

陳 松

(福建省港航勘察設計院有限公司 福建福州 350002)

1 工程概況

該項目位于寧德地區福安市灣塢鄉半嶼村西側，介于福州與溫州之間，東臨臺灣海峽北口，是江西上饒在福建投資建設的飛地港。該工程新建5萬噸級通用泊位1個，碼頭年貨物吞吐量合計為200萬噸，設計年通過能力230萬噸。

根據鉆孔資料顯示，碼頭、棧橋區土層自上而下，分別為淤泥、粉質粘土、卵石、含卵石粉質粘土、碎塊狀強風化花崗巖、中風化花崗巖，其中淤泥層厚21 m～33 m，卵石層層厚2.10 m～17.60 m(土層呈淺灰、灰黃色，卵石巖性主要為凝灰熔巖，呈中風化狀，卵石含量約占50%～60%，粒徑一般在30 mm～60 mm之間，個別粒徑可達120 mm，卵石呈次圓狀，級配較差，泥砂充填，膠結較差，局部卵石含量較少均勻性較差，沖洪積成因。稍密-中密，飽和)。且卵石層底下存有含卵石粉質粘土，揭示層厚4.60 m～15.40 m，場地上部軟弱土層厚度較大，工程地質條件較差。碼頭結構適合采用高樁結構[1]。

該工程設計的難點在于埋深16 m左右的卵石層下有1 m～5.2 m的淤泥質土、1.1 m～5.6 m的中砂層和4.9 m～20 m的粉質粘土，故樁基設計時，樁基礎必須打穿卵石層。目前國內常見高樁梁板式碼頭樁基型式主要有鉆孔灌注樁、預應力混凝土空心方樁、PHC管樁、鋼管樁、組合樁等。

預制打入樁，一般預制混凝土樁難以穿越堅硬的土層，過量錘擊數會導致樁身損壞、甚至斷樁，進入堅硬持力層時往往出現樁尖達不到設計標高、樁長與設計樁長出入較大的問題。灌樁樁工期長、造價高、施工質量不易控制[2]。鋼管樁具有強度高、剛度大、延伸性高，耐沖擊等特點，但造價高，后期維護費用高[3]。鋼混組合樁結合了混凝土管樁造價低和鋼管樁抗彎性能好的優點，其上部的抗彎能力與鋼管樁相當，在一定程度上彌補了預應力混凝土大管樁抗彎能力不足的應用瓶頸，在滿足工程質量要求前提下，達到了降低成本目的[4]。綜合考慮，本項目樁基設計采用組合樁。為保證工程進度及工程費用以及樁基設計的合理性及可施工性，該工程提出試沉樁，并根據試沉樁結果驗證樁基設計方案。

2 樁基受力計算

2.1 設計荷載

(1)恒載：結構自重。

(2)均布荷載：30 kPa。

(3)起重機械荷載：45 t多用途門機(45 t-38 m，軌距16 m，基距12 m，輪數40個，每支腿10個輪，輪壓：400 kN/輪)。

(4)流動機械荷載：Q45牽引車(前后軸距2.0 m，自重6.8 t，輪距1.72/1.47 m)，60 t集裝箱拖掛車，40 t/20 t平板車，20 t自卸汽車，ZL50裝載機空載通過(前后軸距3.25 m，自重17 t，額定載荷5 t)。

2.2 結構計算

(1)結構計算依據

①按照《海港總體設計規范》[5]與《碼頭結構設計規范》[6]中的規定進行計算。

②荷載按照《港口工程荷載規范》[7]中的規定進行計算。

(2)計算內容及方法

采用豐海技術咨詢服務(上海)有限公司開發的《豐海港口工程計算系統》計算。

(3)計算結果

樁基內力計算：根據交通部頒發的現行有關規范，應用豐海技術咨詢服務(上海)有限公司開發的《豐海港口工程計算系統》，對樁基進行計算。其結構抗力作用設計值均大于作用效應，滿足設計規范要求，如表1及圖1～圖2所示。

表1 樁基計算結果匯總表

圖1 樁基彎矩包絡圖(單位：kN·m )

圖2 樁基剪力包絡圖(單位：kN )

3 試沉樁方案

3.1 樁基結構

A、B、C、D、E、F六點采用組合樁(上節采用D1200B32-2的大管樁，下節采用直徑950 mm的Q345鋼管樁，壁厚20 mm),樁總長均為65 m(其中，A、C、D、F四點上節大管樁長32 m，下節鋼管樁長33 m；B點上節大管樁長46 m，下節鋼管樁長19 m；E點上節大管樁長39 m，下節鋼管樁長26 m；B點與E點樁主要是為了檢驗大管樁穿卵石層的能力，樁位見圖4)。管樁的規格應符合《港口工程后張法預應力混凝土大管樁設計與施工規程》[8]及相關規范標準，如圖3～圖4所示。

該工程樁頂設計標高為7.10 m，樁端持力層為強風化花崗巖。

圖3 碼頭結構平面圖(單位：m)

圖4 試沉樁樁位圖(單位：m)

3.2 沉樁控制

采用不小于D-128柴油錘沉樁，預制樁沉樁以貫入度為主，標高校核為輔，終錘前10擊平均貫入度控制在5 mm/擊，當沉樁貫入度已達到控制貫入度，而樁端未達到設計標高時，應繼續錘擊貫入，或錘擊30擊～50擊，其平均貫入度不應大于控制貫入度；樁端標高仍高出設計標高2 m時應會同設計部門研究解決。

3.3 試沉樁高應變檢測

(1)試樁目的

①通過試沉樁，確定樁是否能穿透卵石層，通過分析樁在沖擊力作用下產生的力和加速度，確定樁的軸向承載力，評價樁身完整性，并分析土的阻力分布、樁錘的性能指標、打樁時樁身應力及瞬間沉降特征。

②高應變動力檢測結果判斷樁基軸力是否滿足設計要求。

③根據試樁結果調整樁型、停錘標準和調整樁長。

(2)試驗要求

動載試驗應根據《水運工程基樁試驗檢測技術規范》[9]。

當進行樁的軸向極限承載力檢測時，檢測樁在沉樁后至檢測時的間歇時間，不應少于7 d。

貫入度小于1 cm以下，應連續進行測試，以了解不同貫入度情況下樁周及樁側的承載力情況。

檢測單位應用WEAP波動方程分析程序分析動載試驗輸出數據，以確定擬用樁錘將不會使樁出現超大應力，還應畫一張極限承載力貫入度曲線，用于評估工程樁施打。

4 試沉樁結果

B點與E點試沉樁主要是為了檢驗大管樁穿卵石層的能力，實際沉樁過程中D、E、F點先試打，結果鋼管均穿透卵石層，但是無法穿透含卵石粉質粘土，樁基持力層落在含卵石粉質粘土上(原設計為穿透含卵石粉質粘土，樁基持力層落在強風化花崗巖上)，E點樁未達到原先試沉樁的目的，故沉樁過程中B點樁鋼管的長度由原先的19 m調整為13 m。試沉樁結果如表2和圖5所示。

表2 試沉樁結果表

圖5 實際沉樁斷面圖(單位：m)

5 基樁高應變檢測結果

基樁高應變檢測結果如表3所示。

表3 基樁高應變檢測結果表

6 結論

通過試沉樁發現，穿透此類卵石層，鋼管平均貫入度大概為17～23 mm/擊，大管樁大概為6 mm/擊，B樁由于錘擊數(3087擊)過多，導致樁身開裂，其他5根樁錘擊數在1300擊～1600擊左右，樁身完整。通過試沉樁得知，大管樁本體穿透卵石層較難，鋼管樁則問題不大。目前未對大管樁的總錘擊數給個合理范圍[8,10]，根據該工程試樁結果，建議組合樁的總錘擊數應控制在2500擊以內，今后類似工程可做借鑒。

該工程設計的難點在于樁基必須打穿卵石層，在不采用費用較昂貴以及后期維護費用高的鋼管樁，在保證正常錘擊數的情況下，采用大管樁加鋼管樁的組合樁可以有效減少工程投資；同時通過試沉樁，也進一步論證了鋼管樁的穿透能力，讓大家對組合樁有全新的認識。