復雜巖石地質(zhì)條件某高樁碼頭樁基設(shè)計要點

陳文生

（惠州港能源碼頭投資有限公司，廣東惠州 516000）

引言

嵌巖樁作為一種特殊類型的樁基，廣義上的定義是指下部有相當一段長度澆筑于巖層中樁基，近年來隨著我國水運工程的大規(guī)模發(fā)展和建設(shè)，嵌巖樁尤其是斜樁嵌巖在浙江、福建、廣東等東南沿海地區(qū)得到了廣泛應用，其相關(guān)設(shè)計理念、方法和施工技術(shù)日益完善。本文結(jié)合某工程強風化巖層厚、巖層上部覆蓋層薄的地質(zhì)特點，總結(jié)了嵌巖樁設(shè)計的總體思路和注意要點。

1 工程概況和地質(zhì)條件

某工程為5萬總噸液化烴泊位，位于惠州港荃灣港區(qū)，碼頭結(jié)構(gòu)型式為高樁梁板碼頭，碼頭頂高程為6.5 m，前沿底高程為-14.8 m，系靠船設(shè)施采用SC1700橡膠護舷和1 000 kN快速脫纜鉤，碼頭上部設(shè)置裝卸臂、登船梯和消防炮等工藝設(shè)備。

工程區(qū)域土層從上到下依次為②1流泥、②2淤泥、②3淤泥混砂、③1粉質(zhì)黏土、④2全風化巖、④3強風化巖、④4碎塊狀強風化巖和④5中風化巖。其中②1流泥層分布連續(xù)，水域所有鉆孔中均可見，層位較穩(wěn)定，厚度較大，層厚約4.5～18.0 m不等，平均標貫擊數(shù)N＜1擊；②2淤泥層分布不連續(xù)，層厚約0.5～12.4 m不等，平均標貫擊數(shù)N=1.4擊；②3淤泥混砂層分布不連續(xù)，僅在部分鉆孔中揭示，層厚約0.2～5.3 m不等，平均標貫擊數(shù)N=2.4擊；③1粉質(zhì)黏土層分布不連續(xù)，層厚約0.4～3.4 m不等，平均標貫擊數(shù)N=6.5擊；④2全風化巖層斷續(xù)分布，僅在少量鉆孔中揭露，層厚約1.1～1.5 m不等，平均標貫擊數(shù)N=45.5擊；④3強風化巖層分布較連續(xù)，層厚約0.3～7.5 m不等，本層層頂高程在-29.17～-12.89 m之間，平均標貫擊數(shù)N＞50擊；④4碎塊狀強風化巖層分布連續(xù)，揭示層頂高程在-36.32～-13.96 m之間；④5中風化巖層為凝灰?guī)r，凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖面頂面高程-48.07～-17.57 m不等，飽和抗壓強度約35 MPa。

整體來看，工程區(qū)域上層覆蓋層主要是流泥和淤泥等軟弱土層，土體力學性能很差，覆蓋層下部的④3強風化巖層和④4碎塊狀強風化巖層的標貫擊數(shù)大，錘擊度小，打入樁打入困難，④5中風化巖層埋藏較深，層頂高程為-48.07～-17.57 m，巖面分布起伏較大，且上部強風化巖層很厚，若以④5中風化巖層為持力層，需穿透強風化巖層，導致鉆孔深度很深，施工難度大，投資造價高，因此本工程宜選擇④4碎塊狀強風化巖層作為樁基持力層。

2 樁基承載力計算方法

承受水平力或力矩作用的樁基按照入土深度不同，可劃分為彈性長樁、中長樁和剛性長樁，滿足彈性長樁要求的樁基，按m法計算土體位移在規(guī)范允許范圍內(nèi)，土體水平抗力即可滿足設(shè)計要求。對于中長樁和剛性長樁，需對樁身周圍土體的水平抗力進行計算，文獻[2]-[8]對嵌巖樁水平承載力相關(guān)計算方法進行了介紹，主要計算方法包括經(jīng)驗法、國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范方法和彈性地基反力法等，也可以進行水平靜載試樁試驗，本工程由于樁端處于碎塊狀強風化巖層，入巖深度較深滿足彈性長樁要求，水平承載力不需要計算。

樁基軸向承載力采用規(guī)范中經(jīng)驗參數(shù)法計算，根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[1]，本工程樁基持力層為飽和單軸抗壓強度標準值小于l0 MPa的巖層，樁基軸向承載力不應按照嵌巖樁，宜按灌注樁進行計算。對于預制芯柱嵌巖樁，樁基軸向承載力包括預制樁樁側(cè)、樁端和芯柱段樁側(cè)、樁端阻力。其中預制樁樁端阻力本工程按變截面處環(huán)形截面面積乘以樁端處單位面積極限樁端阻力標準值（取泥漿護壁鉆孔樁指標）進行計算，其他段樁側(cè)、樁端按規(guī)范相關(guān)公式計算即可。

圖1 預制芯柱嵌巖樁樁基承載力組成

3 樁基選型對比分析

文獻[7]結(jié)合某工程實例對嵌巖樁的樁型進行了介紹，嵌巖樁嵌巖型式主要包括灌注型嵌巖樁、預制型植入嵌巖樁、預制型芯柱嵌巖樁、預制型錨桿嵌巖樁和組合（芯柱+錨桿）嵌巖樁。其中預制型植入嵌巖樁適用于樁承受較大的水平力或力矩，樁身強度要求高的情況；預制型芯柱嵌巖樁適用于水平力不大，樁軸向拉壓承載力不足的情況；預制型錨桿嵌巖樁適用于樁軸向受拉承載力不足的情況。由于工程區(qū)域巖面上部覆蓋層主要是流泥和淤泥等軟弱土層，且樁基持力層為分布很厚的④4碎塊狀強風化巖層，樁軸向拉壓承載力均不滿足設(shè)計要求，宜選擇灌注型嵌巖樁或預制型芯柱嵌巖樁。本次采用Φ1 300 mm鋼管混凝土樁、Φ1 200 mm PHC樁+芯柱嵌巖樁和Φ1 100 mm鋼管樁+芯柱嵌巖樁三種樁型進行對比，其中鋼管混凝土樁為灌注型嵌巖樁，為了增加樁身抗彎剛度，考慮鋼護筒與混凝土組合截面。

表1從施工難易程度和樁基軸向抗壓承載力兩方面對三種樁型進行了對比，相同嵌巖深度Φ1 300 mm鋼管混凝土樁樁基承載力最大，由于Φ 1 200 mm PHC樁空心直徑僅為0.9 m，其樁基承載力最小。本工程樁基持力層土體力學指標相對不高，需要嵌巖長度比較大，設(shè)計中需充分考慮嵌巖施工技術(shù)能力，為減少斜樁嵌巖施工難度，斜樁采用Φ1 100 mm鋼管樁+芯柱嵌巖樁比較合適，斜樁樁基承載力宜控制在4 500 kN左右，直樁由于嵌巖深度不受限，直樁承載力可不控制。

表1 不同樁型對比

4 樁基布置對比分析

碼頭結(jié)構(gòu)受力最大的特點是船舶、波浪等水平荷載很大，高樁碼頭排架設(shè)計的關(guān)鍵是如何高效的抵抗水平力。排架結(jié)構(gòu)設(shè)計從受力角度可分為柔性結(jié)構(gòu)和剛性結(jié)構(gòu)，柔性結(jié)構(gòu)常采用小直徑全直樁樁基，其受力特點是依靠樁基的抗彎剛度抵抗水平力，樁基受力均勻，但排架位移大；剛性結(jié)構(gòu)采用斜樁或大直徑直樁，其受力特點是斜樁通過軸力的水平向分力抵抗水平力，大直徑直樁是依靠樁基較大的抗彎剛度抵抗水平力，排架位移小。由于本工程為液體化工泊位，碼頭上部有眾多管線與后方陸域相連，要求碼頭變位較小，排架結(jié)構(gòu)宜選用剛性結(jié)構(gòu)，本次排架設(shè)計共考慮了2根Φ1 200 mm PHC樁直樁+4根Φ1 100 mm鋼管樁（方案一）和6根Φ1 300 mm鋼管混凝土樁全直樁（方案二），排架間距分別采用8 m，9 m和10 m進行對比分析。

嵌巖樁斜率的選擇對斜樁受力計算、施工期穩(wěn)樁、成孔都有很大的影響，文獻[3]對此進行了介紹，本工程覆蓋層是淤泥等軟弱土層，斜樁均采用5:1斜率。

圖2 排架斷面示意

由于本工程為液體化工碼頭，上部均載較小，排架間距對樁基內(nèi)力影響相對較小，考慮本次設(shè)計斜樁承載力受限制而直樁不受限制，方案一排架間距為8 m，方案二排架間距為10 m比較合適，但方案一水平位移更小且投資造價較省，更具優(yōu)勢。

表2 排架計算結(jié)果

5 沉樁和鉆孔過程中注意點

根據(jù)目前現(xiàn)有的施工案列，預制芯柱嵌巖樁沉樁過程中多有發(fā)生樁端變形、卷邊問題，現(xiàn)場處理難度大、時間長、成本高，因此沉樁終錘控制要預防樁端變形和卷邊發(fā)生。對于巖面上部覆蓋層比較薄或者以軟弱土體為主的嵌巖樁，樁基承載力主要由芯柱嵌巖部分承擔，預制樁部分的作用主要是施工期間作為鉆孔導向、灌注樁護筒、施工平臺支撐樁和使用期間傳遞碼頭上部荷載，因此對打入樁樁基承載力要求不高，應降低沉樁貫入度控制標準，宜通過試樁、試打確定沉樁貫入度標準。以本工程為例，對于局部區(qū)域覆蓋層厚的純打入樁終錘貫入度為5 mm，而嵌巖樁終錘貫入度則為10 mm。

6 結(jié)語

巖層上部覆蓋層薄、強風化巖層厚地質(zhì)條件下的嵌巖樁嵌巖深度大，但承載力水平不高，需要考慮施工技術(shù)條件對嵌巖深度的限制；嵌巖樁設(shè)計入土深度最好滿足彈性長樁要求，否則需要對土體水平抗力進行計算；樁基排架布置從受力角度可按柔性結(jié)構(gòu)（大變形）和剛性結(jié)構(gòu)（小變形）兩種思路進行布置，具體要結(jié)合碼頭使用功能要求，剛性排架樁基可設(shè)計成斜樁或大直徑直樁，前者依靠軸力提供水平抗力，后者依靠自身抗彎剛度提供水平抗力；預制芯柱嵌巖樁沉樁終錘貫入度控制標準宜降低，避免樁端發(fā)生變形、卷邊；鉆孔過程中要重視強風化巖遇水軟化和縮孔等問題。