鋼管組合板樁在接岸結構和防波擋沙堤中的應用

張 余，原 娟，張俊健

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

引言

由于我國海岸線的地質條件，重力式和高樁結構在我國港口海岸及近海工程中廣泛應用，板樁結構尤其是鋼板樁結構應用較少，隨著我國鋼板樁行業的迅速發展，鋼板樁的應用前景越來越廣闊。其中鋼管組合板樁結構較地連墻及單一板樁結構可以更好的適應復雜地質條件、方便施工、對各種水平和豎向荷載的適應能力強、能很好的滿足水平抗彎和豎向承載力要求[1]，可以充分利用這些優勢推廣應用。本文結合工程案例，依據歐洲標準介紹鋼管組合板樁在高樁碼頭接岸結構和防波擋沙堤方面的應用。

1 鋼管組合板樁高樁碼頭接岸結構

高樁碼頭接岸結構的選取取決于地質條件、地震災害影響、碼頭平臺寬度、土壓力、地基應力和沉降等因素。傳統的接岸結構多為拋石斜坡和重力式擋土墻，拋石斜坡接岸根據放坡長度不同，需要一定的碼頭后方承臺寬度，以符合用海要求；重力式擋土墻接岸結構要求有良好的地質條件以滿足地基承載力要求。對于噸級較大碼頭考慮拋石斜坡和重力式擋土墻結合，以減小擋土墻高度同時減小拋石斜坡放坡長度。接岸結構型式的選取即要考慮造價同時也要考慮用海要求、結構對地質的適應性[2-4]。

板樁結構在公路、鐵路邊坡加固方面有廣泛的應用，通常采用混凝土抗滑樁及混凝土擋土板組合，起到加固抗滑作用[5]。在港口工程中同樣會遇到類似接岸問題，對于十萬噸級以上的泊位，接岸邊坡高度較高，混凝土抗滑樁及擋土板已無法滿足需求，需要考慮抗彎能力強，承載能力大的新型結構型式。

鋼管組合板樁有其獨特的截面和受力機制，板樁承受鋼管樁之間土拱范圍內土體壓力，不需進入很深土體起到邊坡擋土作用即可。通過加大鋼管樁直徑可以適應不同強度要求，且鋼材量增加非常有限。

1.1 工程概況

某海港工程項目需要圍灣造陸，形成7 000 TEU集裝箱碼頭及后方堆場，泊位長度630 m，碼頭頂高程5.5 m，碼頭前沿底高程-16 m。

1）設計水位：設計高水位2.4 m；設計低水位0.3 m。2）設計波浪及海流：波高1.99 m，流速0.5 m/s。3）碼頭及堆場設計荷載：60 t STS起重機軌距30.48 m，起重荷載1 139 t；堆貨荷載60 kPa。

4）7 000 TEU集裝箱船，碼頭上對應配置1600H錐形橡膠護舷和2 000 kN系船柱系靠泊設施。

5）地震：重現期475年的地震基巖峰值加速度為0.505g。

6）灣內地質：土層分布不連續，主要是松散～中密土質，包括低液限粉土、粉土質砂，以粉土為主成坡較差，地震時存在液化可能，其下為中密～密實的膠結碎石，膠結較弱易碎；持力層為風化基巖。

1.2 碼頭接岸結構方案

因為上層主要是松散低液限粉土，成坡條件較差，這對碼頭接岸結構的選型有較大影響。如果采用常規的拋石斜坡接岸結構，放坡長度較長，碼頭要考慮較寬的后方承臺與后方堆場銜接；如果采用重力式擋土墻接岸結構，地基處理不當會出現不均勻沉降，導致墻向前傾倒，向下傾斜；綜合考慮地質和碼頭使用需求，接岸結構采用鋼管樁組合板樁接岸。

模糊數學是研究與處理模糊性事物的一種新的數學模式[2]，濃香型白酒的窖泥質量本身是一些客觀存在的模糊概念和模糊現象，應用模糊數學模型可對評價中的模糊性問題進行定量化處理，以反映窖泥質量的不確定性。本研究應用模糊數學模型，從感官和理化指標上對窖泥質量差異進行評價，以數據來客觀反映濃香型白酒窖池窖泥質量的好壞。

一方面板樁直立接岸可以減少因為放坡增加的碼頭結構寬度，另外鋼管樁組合板樁通過合理組合，具有較大的水平抗彎和豎向承載力，其中鋼管樁可以很好適應本工程地質，鋼管樁之間輔樁擋土，有效減少地震滑坡危險，同時碼頭前方承臺可以作為板樁接岸結構的水平支撐，起到板樁結構拉桿及錨定結構作用，節省材料及施工成本[6]。

碼頭前方承臺基礎采用?1.5 m鋼管樁，排架間距8.0 m，軌道基礎下排架間增設一根?1.5 m鋼管樁。碼頭接岸結構基礎采用?1.5 m/Z18鋼管樁組合板樁。結構平面及斷面見圖1、圖2。

圖1 碼頭結構平面示意

圖2 碼頭結構斷面

1.3 結構計算方法及工況組合

利用Algor軟件建立二維平面模型對碼頭及接岸結構進行結構模擬及靜力分析[7]。將接岸結構即鋼管組合板樁簡化模擬成所有水平力由鋼管樁承受，結構參數以鋼管樁為主，水平力計算時考慮碼頭高樁平臺對接岸結構的錨定作用。鋼管樁結構與土體間的相互關系利用地基反力系數法確定的土彈簧來模擬[8]，結構計算模型見圖3。

圖3 結構計算模型

在分析和設計碼頭結構時，需根據BS 6349-1-2:2016中STR &GEO荷載分項系數表1和組合系數表3，承載能力極限狀態（ULS）和正常使用極限狀態（SLS）荷載組合表2進行荷載組合。接岸結構水平力在承載能力極限狀態計算時應根據EN 1997-1:2004附錄A表A.4按設計路徑DA1的兩種組合（Combination 1即C1，Combination 2即C2，）選取土體指標（M）的分項系數。土體指標分項系數與STR &GEO分項系數選取應對應。

承載能力極限狀態設計（ULS）用于強度設計。荷載的分項系數γG、γQ應按照BS 6349-1-2:2016表2的規定取值，γQ應與組合系數表3中的ψ一起使用。C1組合時永久荷載考慮壓樁承載力時分項系數取1.35，考慮拉樁承載力時分項系數取1.0，土體指標中有效內摩擦角、粘聚力和抗剪強度分項系數均取1.4。C2組合時永久荷載分項系數取1.0，土體指標中有效內摩擦角和粘聚力分項系數取1.25，抗剪強度分項系數取1.4。

正常使用極限狀態設計（SLS）用于結構正常使用特性設計，對于鋼結構需按標準組合（characteristic）進行結構位移分析。只有非主導可變作用考慮組合系數ψ0。

1.4 計算結論

根據模型計算分析，接岸結構鋼管組合板樁的內力計算結果見表1。

表1 接岸板樁結構內力計算結果

該結構方案中碼頭前方承臺及鋼管組合板樁均能滿足承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的設計要求。接岸結構樁力控制樁長，位移控制結構剛度，若減小剛度會使用結構位移更大使得前方承臺不能滿足門機設備使用要求。

2 鋼管組合板樁防波擋沙結構

2.1 工程概況

孟加拉某工程區為改善港區作業條件、減少港池航道回淤，擬布置環抱式防波堤和擋沙堤，分別位于港池、航道南北兩側。北擋沙堤總長度為2 190 m，南防波堤總長度為2 521 m。

1）設計水位（CD）：極端高水位9.51 m；設計高水位4.91 m；設計低水位0.43 m。

2）設計波浪：工程海域波浪集中于SW到S向，50年一遇極端高水位設計波高H1%=6.1 m，波周期T=13.1 s，設計高水位設計波高H1%=4.0 m，波周期T=13.1 s。該處屬于潮流動力地貌，最大潮流流速可達1.4 m/s，泥沙回淤問題嚴重。

3）地質條件：地質主要是粉質粘土和砂層，地震峰值加速度Z=0.164g，50年內超越概率10 %的設防烈度，表層松散砂可能會發生液化。

2.2 防波擋沙結構方案

如果采用拋石斜坡堤或半圓型預制混凝土防波堤底部均需要進行地基處理：先開挖后回填中粗砂袋做透水層，再進行塑料排水板水上施工；考慮地震工況下整體穩定，坡身寬度較寬，而且南、北防波堤長度較長，石料用量較大，工程區域石料缺乏，常規斜坡堤造價較高。

南防波堤建成后可對整個港池和北擋沙堤形成較好的掩護，所以北擋沙堤的使用功能主要是擋沙。綜合考慮水文及地質條件，推薦南防波堤采用鋼管組合板樁+斜頂樁結構，北擋沙堤堤頭100 m同南防波堤，北擋沙堤其余段采用無錨鋼管組合板樁結構，可減少石料用量以達到節省工程投資的目的。

圖4 防波堤結構斷面示意

2.3 結構計算方法及工況組合

利用SAP2000軟件建立二維平面模型，鋼管樁結構與土體間的相互關系利用地基反力系數法確定的土彈簧來模擬[7]，防波堤計算模型見圖5。

圖5 防波堤計算模型示意

結構分析采用英國標準BS 6349-1-2:2016進行承載能力極限狀態（ULS）的強度分析。

承載能力極限狀態（ULS）荷載組合如下：

1）1.35×自重+1.5×波吸力

2）1.35×自重+1.5×波壓力

3）1.0×自重+1.0×地震力

2.4 計算結論

南防波堤結構最終選用?1 000+Z18-700鋼管組合板樁+?1 000鋼管斜頂樁間距2.4 m，計算壁厚12 mm（不含腐蝕厚度），北擋沙堤選用?1 000+Z18-700無錨鋼管組合板樁。根據模型計算分析，結構內力計算結果見表2。

表2 板樁結構內力計算結果

南防波堤、北擋沙堤結構滿足承載能力極限狀態設計要求。結構中樁基打入一定的深度即能滿足樁基承載力也能滿足“踢腳”穩定要求。

3 結語

項目所在區域地質條件差、地震震級高，拋石散體結構及重力式擋土墻組合的接岸型式在地震工況下整體穩定不滿足使用要求，將后方接岸做成鋼管組合板樁主樁鋼管樁打入按設計要求打入一定深度，輔樁板樁擋土只需入土1～2 m即可，這樣可以解決整體穩定問題；還可以減小因接岸放坡增加的承臺寬度；結構類型一致均為鋼管樁方便施工；鋼管主樁對抵抗較大的地震及船舶水平荷載有絕對優勢；前方承臺又起到接岸板樁錨定作用。防波擋沙堤結構案例二常規設計思路即拋石斜坡堤，但項目所在地區石料缺乏造價高、海況條件惡劣波高大周期長、地震表層土液化、防波擋沙堤總長4 711 m，根據工程區實際情況充分發揮鋼管組合板樁的結構特性：具有較強的水平抗彎和豎向承載能力，主樁鋼管樁可以適應復雜地質條件及波浪力，且方便施工，輔樁可以起阻擋作用。在結構方案設計、施工方案、造價方面鋼管組合板樁結構具有很好的應用優勢。