鄭清松

(福建省交通規(guī)劃設計院有限公司，福州 350004)

1 前言

以高樁梁板式碼頭為代表的高樁碼頭， 在沿海港口工程中得到廣泛應用。尤其在軟土覆蓋層深厚的灣區(qū)，高樁碼頭以其結(jié)構(gòu)可靠、工藝成熟、造價經(jīng)濟、施工環(huán)保、對水域生態(tài)影響較小等多方面優(yōu)勢成為沿海大型港口工程的主流結(jié)構(gòu)形式。 常規(guī)碼頭樁基類型主要有預制混凝土樁、鋼管樁、灌注樁等，其中鋼管樁以其強度高、延性好、穿透性強等特點運用于各種復雜地基。 結(jié)合福建某碼頭工程， 探討應用于含硬質(zhì)夾層深厚軟基的鋼管樁設計參數(shù)，為類似工程設計提供借鑒。

2 工程概況

實例工程位于福州港三都澳港區(qū)，新建5 萬噸級通用泊位1 個，水工結(jié)構(gòu)按靠泊10 萬噸級散貨船設計，碼頭平臺及接岸引橋均采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)。工程海域區(qū)地貌屬濱海沉積地貌，后方陸域為構(gòu)造剝蝕丘陵地貌[1]。碼頭平臺區(qū)地質(zhì)復雜，地勢由南往北傾斜，坡度陡，基巖埋藏較深，但埋藏深度較為平緩；引橋區(qū)域基巖巖面高程變化較大，砂土狀強風化花崗巖層面標高由海側(cè)至岸側(cè)抬升近50 m。

碼頭平臺區(qū)域主要地層結(jié)構(gòu)自上而下依次為： 淤泥層、淤泥質(zhì)土層、砂土狀強風化花崗巖層、碎塊狀強風化花崗巖層、中風化花崗巖層。 其中以淤泥層、淤泥質(zhì)土層組成的軟土深厚，層厚27～40 m，物理力學特性極差，標貫擊數(shù)小于2 擊； 軟土層中揭露碎石夾層， 該夾層厚度2～14 m，重型動力觸探平均擊數(shù)13 擊，屬中密碎石土。淤泥質(zhì)土下臥土層為淺薄的砂土狀強風化層及碎塊狀強風化層，平均層厚不足2 m。

3 鋼管樁設計

3.1 樁基選型

樁基選型的主要因素包括：①碼頭平臺設計荷載，樁基需具備較大抗彎能力；②軟土層深厚，提供樁基側(cè)摩阻力有限；③軟土層中的碎石夾層密實度高、局部厚度大，樁基需具備良好貫穿能力。

碼頭樁基結(jié)構(gòu)可供選擇的成熟樁型主要有預應力砼方樁、鉆孔灌注樁、PHC 樁、大管樁及鋼管樁。結(jié)合該工程特點，因預應力方樁抗彎能力不足、PHC 樁及大管樁穿透能力有限、鉆孔灌注樁投資大工期長，實例工程最終選用鋼管樁作為碼頭平臺的樁基。

3.2 常規(guī)樁尖形式

近年來鋼管樁在港口工程中大量使用， 合理選擇鋼管樁樁尖形式成為設計過程中的重要研究內(nèi)容。 鋼管樁樁尖類型主要分為敞口及半敞口， 敞口樁即樁尖不設內(nèi)隔板， 半敞口樁即在樁尖內(nèi)部增設隔板， 樁尖形式見圖1。 樁尖的選擇直接決定樁體的穿透能力及樁端承載力，敞口樁主要缺點是通過樁尖土芯閉塞效應產(chǎn)生的樁端承載力較小，半敞口樁劣勢是沉樁時穿透性較差、實施較為困難。因此在樁基碼頭樁尖確定時需合理平衡地質(zhì)因素、碼頭荷載及經(jīng)濟性。

圖1 鋼管樁樁樁尖形式

3.3 含硬質(zhì)夾層土體的樁尖型式

工程區(qū)深厚軟土層中夾雜中密碎石土層。 碎石土夾層厚度大、密實度高、下臥軟土層力學性能極差，系典型含硬質(zhì)夾層深厚軟基。 碼頭樁基需穿透該硬質(zhì)夾層及其下臥軟土層至基巖持力層，對樁基的貫穿能力要求較高，因此樁基的穿透性能是樁尖形式選擇的決定性因素。 結(jié)合對樁基沉樁性能及硬質(zhì)夾層力學特性的判定， 優(yōu)先考慮敞口樁或者穿透性能良好的半敞開樁， 保證碼頭結(jié)構(gòu)安全性、沉樁施工可行性。

3.4 樁基承載能力確定

碼頭工程設計中的樁基承載力的確定主要參照 《碼頭結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[2]及《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[3]。

3.4.1 根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》確定樁基承載力

利用經(jīng)驗參數(shù)法確定鋼管樁的軸向抗壓強度承載力設計值：

式中，U 為樁周身長度；A 為樁尖截面面積；li為樁在各土層中的長度；qfi為樁在各土層中的極限側(cè)摩阻力；qR為樁端極限阻力；η 為承載力折減系數(shù)，具體確定方式見表1。

表1 《碼頭結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》中樁端承載力折減系數(shù)

表1 中承載力折減系數(shù)僅考慮黏性土樁內(nèi)土芯及樁徑對樁端土塞效應系數(shù)的影響， 未考慮持力層為風化巖或密實砂層的樁端承載能力折減系數(shù)， 對于復雜地質(zhì)的適用性有限。

3.4.2 根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》確定樁基承載力

采用經(jīng)驗系數(shù)法確定鋼管樁單樁豎向極限承載力標準值：

式中：u 為樁的周長；qsik為樁周第i 層土側(cè)摩阻力；li為第i 層土厚度；qbk為樁端土極限端阻力；Ap為樁端投影面積；D 為鋼管樁外徑；λp為樁端土塞效應系數(shù)。 上式中樁端土塞效應系數(shù)管樁的計算僅考慮樁端持力層的土塞效果， 未考慮持力層有深厚上覆土體時樁內(nèi)土芯對土塞效應的加強。因此在軟基層深厚的地質(zhì)條件下，按照公式(2)計算的承載力標準值偏保守。

3.4.3 深厚軟基中樁基承載力的確定

在地質(zhì)復雜的樁基碼頭工程中， 如按上述規(guī)范確定應用于深厚軟基的敞口鋼管樁承載能力，在適用性、合理性上均顯不足。 根據(jù)王君輝等[4]的研究，鋼管樁沉樁時土體進入鋼管樁內(nèi)形成土芯， 土芯穩(wěn)定即土體無法繼續(xù)進入樁體時達完全閉塞狀態(tài)。依照以上原則，在考慮鋼管樁內(nèi)土芯對閉塞系數(shù)的增強影響，對應用于深厚軟基、持力層為強風化層的敞口式鋼管樁樁端承載力的計算方式進行修正。

(1)計算原則

樁周側(cè)摩阻力計算原理成熟，借鑒公式(2)進行計算。樁端承載力的計算主要修正樁端土塞效應系數(shù)的選取。針對深厚軟基地質(zhì)， 樁端土塞效應系數(shù)可以視為樁體內(nèi)黏性土土芯相對于管壁移動時的摩擦力形成的豎向阻力PL與樁端處巖基的極限承載能力Ru的比值， 當PL≥Ru則樁端完全封閉，樁端土塞效應系數(shù)取1.0。 修正樁基承載力計算公式為：

式中：f=PL/Ru，f≥1.0 時取f=1.0。

(2)PL的確定

根據(jù)閆澍旺等[5]的研究，采用應用廣泛的山原法進行推導，當鋼管樁穿透的土體由多層土層組成，樁內(nèi)土芯也呈成層狀分布。

式中：c 為黏性土的粘聚力；φ 為黏性土的內(nèi)摩擦角；Υ 為土的有效容重；k 為土的側(cè)向壓力系數(shù)；μ 為砂土與管壁的摩擦因數(shù)；A0為管內(nèi)橫截面積。

令K=μk，其推薦指標范圍如表2 所示。

表2 SY/T1009-1993K 的計算系數(shù)K 推薦表

敞口鋼管樁內(nèi)土芯豎向總阻力值為：

3.4.4 實例工程的樁基承載能力確定

(1)樁體參數(shù)

實例工程采用外徑1.2 m 的敞口式鋼管樁作為碼頭基樁，壁厚d=22 mm，樁身周長U=3.77 m，管內(nèi)橫截面積A0=1.05 m2，樁基持力層為碎塊狀強風化花崗巖。 選取2根試樁位置K4、K22 進行樁基承載力的計算， 樁基入土深度約40 m，土層參數(shù)見表3。

表3 土體主要物理力學性質(zhì)指標建議取值表

(2)按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》計算樁基承載力

樁基承載力計算結(jié)果如表4 所示。

表4 規(guī)范樁基承載力計算結(jié)果

計算結(jié)果表明，按規(guī)范樁端土塞效應系數(shù)取值偏小，致樁基承載力偏小， K4、K22 樁位承載力不能滿足設計樁力要求，需增加排架樁數(shù)或增大樁徑。

(3)按修正法計算樁基承載力

按考慮樁體內(nèi)土芯作用的修正法公式(3)～(6)計算樁基承載力，結(jié)果見表5。

表5 修正法樁基承載力計算結(jié)果

計算結(jié)果表明， 根據(jù)修正法計算的樁基承載力滿足樁基承載力設計要求。 當1.2 m 直徑敞口鋼管樁入土深度近40 m 時，其樁端土塞效應有大幅度提升。

在深厚軟土地基的設計中， 尤其在持力層堅硬且上覆土層性狀較差的不利地質(zhì)情況下， 如僅通過樁基進入持力層深度進行樁端土塞效應系數(shù)的判別， 設計參數(shù)過于保守，或造成樁基投資不必要的投資浪費。

4 試樁高應變檢測結(jié)果

為驗證修正法計算得出的樁基承載力， 對試樁位K4、K22 進行高應變檢測。 檢測結(jié)果[6]與計算結(jié)果對比情況如表6 所示。

表6 高應變檢測及結(jié)果比較

采用規(guī)范計算的樁基承載力結(jié)果與高應變檢測結(jié)果偏差值大于30%； 采用修正算法計算的樁基承載力偏差比率很小，與樁基高應變檢測結(jié)果相近。 因此，當鋼管樁應用于深厚軟基時， 建議采用上述修正法進行敞口鋼管樁樁基承載力的計算。

5 結(jié)論

(1)工程設計中，對應用于含硬質(zhì)夾層深厚軟基的鋼管樁應充分認識地質(zhì)條件的特殊性，避免按照規(guī)范盲目確定樁基設計參數(shù)，尤其是樁尖形式和樁端土塞效應系數(shù)。

(2)應用于該類型地質(zhì)的鋼管樁應合理確定其樁尖形式，樁基需穿透硬質(zhì)夾層及其下臥軟土層至基巖持力層。故樁基的穿透性能是樁尖形式選擇的決定性因素， 建議在有硬質(zhì)夾層的深厚軟基地質(zhì)條件下， 設計選擇敞口樁或者穿透性能良好的半敞開樁。

(3)敞口鋼管樁在確定其樁端土塞效應系數(shù)時，應充分考慮上覆土體對樁內(nèi)土芯土塞效應的強化， 合理選擇樁基樁徑、壁厚及持力層，以優(yōu)化設計、合理節(jié)約項目投資。