泰興港區(qū)虹橋通用碼頭樁基力學(xué)參數(shù)設(shè)計計算

盧超健，胡建華（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北武漢　430060）

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泰興港區(qū)虹橋通用碼頭樁基力學(xué)參數(shù)設(shè)計計算

盧超健，胡建華
（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北武漢430060）

摘要：以泰興港區(qū)虹橋通用碼頭為研究對象，首先對其工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件進(jìn)行了調(diào)查，通過巖土物理力學(xué)試驗，獲取了碼頭工程區(qū)巖土的物理性指標(biāo)、壓縮指標(biāo)以及直接快剪強(qiáng)度指標(biāo)。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合碼頭建筑物的特點及對地基的要求，對碼頭基礎(chǔ)型式及持力層的選擇進(jìn)行了設(shè)計，對碼頭樁基的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了計算，對樁基設(shè)計方案進(jìn)行了說明，同時交代了施工中應(yīng)注意的一些事項，研究結(jié)論能夠為碼頭的設(shè)計和施工提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：碼頭；樁基；持力層；力學(xué)參數(shù)

0　引言

樁基作為常用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式，由于能將上部結(jié)構(gòu)荷載通過樁基傳遞給巖土體中的穩(wěn)定持力層，而受到廣泛使用［1-3］。樁基的顯著特點是能適應(yīng)各類復(fù)雜的地質(zhì)和地形條件，正因為此，樁基在港口碼頭中也無可爭議的成為首選基礎(chǔ)形式［4］。然而，近些年來碼頭樁基質(zhì)量問題越發(fā)突出，已經(jīng)成為影響碼頭安全使用的最大安全隱患，引發(fā)質(zhì)量問題的因素除了施工方面，其設(shè)計參數(shù)計算的準(zhǔn)確性，也是不可忽視的一部分［5］。本文以泰興港區(qū)虹橋通用碼頭為研究對象，對其樁基的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計計算。為確保設(shè)計參數(shù)的準(zhǔn)確性，首先對工程場地進(jìn)行詳細(xì)勘察，對勘察成果進(jìn)行細(xì)致分析，從而獲取了工程場地的詳細(xì)工程概況；其次，現(xiàn)場取樣對巖土的物理力學(xué)性質(zhì)及指標(biāo)開展多項試驗研究和分析，從而獲得工程場地巖土的準(zhǔn)確工程性質(zhì)；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)碼頭建筑物的特點及對地基的要求，結(jié)合場地條件、綜合荷載組合、施工技術(shù)等因素，有針對性地選擇天然地基、樁基作為該工程的樁基設(shè)計選型；最后對樁基的力學(xué)參數(shù)開展設(shè)計計算，從而為碼頭的設(shè)計和施工提供參考借鑒。

1　工程概況

1.1工程概況

工程擬建70000DWT通用泊位1個，50000DWT件雜（含重大件）1個和10000DWT件雜貨泊位1個，占用長江岸線689m，長江碼頭水工結(jié)構(gòu)按照100000DWT散貨船設(shè)計；擬利用七圩閘段岸線開挖形成內(nèi)港池，新建6個1000DWT普通散貨泊位，占用岸線長476.5m。

1.2工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

1.2.1地形地貌

項目地處泰興市虹橋鎮(zhèn)七圩閘附近，七圩汽渡上游約1km處。勘區(qū)地貌單元屬長江下游沖積成因的河床及河漫灘地貌，擬建碼頭位于長江北（東）岸，長江水流在此呈南偏東方向?？眳^(qū)所處的長江水面較寬，擬建碼頭與長江對面現(xiàn)有碼頭的距離約2km。江邊天一重工廠區(qū)段采用漿砌塊石或拋石護(hù)岸，其余部分為袋裝吹填砂護(hù)岸或自然岸坡。

防洪堤勘區(qū)防洪堤內(nèi)側(cè)陸域地形較平坦，區(qū)內(nèi)主要為廠房、村莊、農(nóng)田、水溝、漁塘。堤頂高程一般在6.9～7.2m之間。防洪堤迎水面坡角外陸域地勢平坦開闊，自然地貌形態(tài)單一，為河漫灘人工吹填抬高而成。地面高程一般4～6m，局部略有起伏，靠近七圩閘河、內(nèi)港池泊位處局部堆有較高的吹填砂，坡頂高程達(dá)9～10m。地形地貌如圖1所示。

圖1　現(xiàn)場地形地貌

1.2.2地質(zhì)構(gòu)造

泰興市大地構(gòu)造上位于揚子準(zhǔn)地臺下?lián)P子臺坳鹽城～南京臺拱褶帶，位于鎮(zhèn)江～溧水?dāng)嗦⊙亟枷輧?nèi)；地質(zhì)構(gòu)造上位于寧—通構(gòu)造帶，屬于蘇北拗陷區(qū)和蘇南隆起區(qū)的交接地區(qū)，地表均覆蓋了第四季全新系統(tǒng)現(xiàn)代沉積。區(qū)域性斷裂為靖江～如皋斷裂，呈NE向，從常州市金壇縣經(jīng)靖江生祠鎮(zhèn)進(jìn)入泰興市南部，該斷裂是一條規(guī)模大、切割深、控制地層多的區(qū)域性大斷裂，是兩個三級構(gòu)造單元的分界。在周邊的泰州市境內(nèi)主要有泰州斷裂和姜堰斷裂兩條隱伏斷裂。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，勘區(qū)無活動斷裂構(gòu)造通過，地質(zhì)構(gòu)造處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，適宜工程項目建設(shè)。

1.2.3地層條件

工程區(qū)巖土層主要為第四系全新統(tǒng)河流沖積形成的河床相及漫灘相地層，陸域表層分布有吹填砂或人工填土。依據(jù)鉆探資料及土工試驗成果、原位測試等數(shù)據(jù)資料分析，自上而下可分為以下單元土體：

1.2.4特殊巖土

工程區(qū)的特殊巖土主要為吹填砂及軟土。陸域表層廣泛分布有粉細(xì)砂，人工吹填而成，厚度、密實度不均，一般呈松散狀，工程性能較差［6］。上部分布有淤泥及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、滲透性低、抗剪強(qiáng)度低、靈敏度高、觸變性及流變性強(qiáng)的特征，工程性能極差［7］。區(qū)域有不規(guī)則夾鈣質(zhì)膠結(jié)塊，類型為鈣質(zhì)膠結(jié)粉砂～細(xì)砂巖、含粉砂的鈣質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)微～泥晶灰?guī)r，其極限單軸抗壓強(qiáng)度在6.56～37.01MPa之間，點荷載強(qiáng)度在0.22～1.91MPa之間。具有分布不均，厚度不均的特點，強(qiáng)度高的特征。

1.2.5水文地質(zhì)

該區(qū)域陸域地勢平坦，微地形略有起伏，地表水主要為河流水、溝塘水。由于臨近長江，與長江水有密切的水力聯(lián)系，其補給來源為大氣降水及長江水補給。

地下水主要含水層為第四系沖積沉積的粉細(xì)砂層、粉土層及中粗砂層，分布較連續(xù)，貫通性較好，厚度較大，地下水賦存量較大。地下水為上層滯水和承壓水。

2　巖土物理力學(xué)試驗

2.1試驗方案

為設(shè)計計算碼頭樁基的力學(xué)參數(shù)，需首先對其巖土的物理力學(xué)性質(zhì)及指標(biāo)進(jìn)行研究，巖土物理力學(xué)性質(zhì)通過室內(nèi)土工試驗獲取。從現(xiàn)場取樣，經(jīng)密封防震處理后運回土工試驗室。試驗操作過程嚴(yán)格遵照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123-1999［8］規(guī)定進(jìn)行，確保試驗數(shù)據(jù)的真實可靠性，主要試驗項目包括［9］：物理性試驗——含水量、重度、比重、飽和度、孔隙比、塑限、塑性指數(shù)、液限、液性指數(shù)等；力學(xué)性試驗——直剪、固結(jié)快剪、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、固結(jié)試驗、滲透試驗等；水質(zhì)分析試驗——判斷地下水對混凝土及鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性；土質(zhì)分析試驗——判斷土對混凝土、鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性。

2.2試驗結(jié)果

經(jīng)單元土體特性指標(biāo)綜合統(tǒng)計，除粉質(zhì)黏土混砂不均及不規(guī)則夾薄砂層造成固結(jié)系數(shù)、滲透系數(shù)統(tǒng)計結(jié)果離散性較大外，力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)變異系數(shù)多小于0.3，統(tǒng)計結(jié)果表明各項試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。各巖土層試驗測試指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果如表1、表2所示。

表1　土層一般物理性指標(biāo)及壓縮指標(biāo)

表2　土層直接快剪強(qiáng)度指標(biāo)

3　樁基設(shè)計與計算

3.1基礎(chǔ)型式設(shè)計

根據(jù)碼頭建筑物的特點及對地基的要求，結(jié)合場地條件、綜合荷載組合、施工技術(shù)等因素，工程建筑物基礎(chǔ)分別選用天然地基、樁基。

（1）長江碼頭區(qū)：根據(jù)巖土層分布特征及建筑物特點，碼頭平臺及引橋采用樁基礎(chǔ)方案，采用打入樁或鉆孔灌注樁，根據(jù)上部荷載要求選用粉細(xì)砂層或中粗砂層作為樁基樁端持力層。樁入土深度視荷載大小經(jīng)計算后確定。

（2）內(nèi)港池區(qū)：內(nèi)港池碼頭根據(jù)各建筑物特點及荷載選用樁基礎(chǔ)方案。樁基選用打入樁、鉆孔灌注樁或板樁，根據(jù)上部荷載要求選用粉質(zhì)黏土以下單元體作為樁基樁端持力層，樁入土深度視荷載大小經(jīng)計算后確定。

（3）陸域堆場及土建區(qū)：根據(jù)各建筑物特點及荷載選用樁基礎(chǔ)方案或天然基礎(chǔ)方案。天然基礎(chǔ)：利用陸域上部①②土層經(jīng)強(qiáng)度、變形驗算后視需要選取，必要時可先進(jìn)行地基處理。樁基礎(chǔ)：根據(jù)構(gòu)筑物基礎(chǔ)類型，上部荷載等因素選擇合適的樁基類型。以④及以下土層作為樁基樁端持力層，采用鉆孔灌注樁或打入樁，樁入土深度視荷載大小經(jīng)計算后確定。

3.2樁基力學(xué)參數(shù)設(shè)計

樁基力學(xué)參數(shù)設(shè)計結(jié)果如表3、表4所示。

表3　碼頭區(qū)巖土設(shè)計參數(shù)

表4　陸域堆場區(qū)巖土設(shè)計參數(shù)

4　樁基設(shè)計方案說明

4.1鉆孔樁設(shè)計方案說明

工程場地內(nèi)中上部地層的粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土，淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土強(qiáng)度較差或一般，不影響鉆、沖孔灌注樁成孔，但在成樁過程中應(yīng)保持鉆孔內(nèi)水位不低于地下水位，同時根據(jù)地層情況調(diào)整泥漿配合比，保證在沖、鉆孔過程中不出現(xiàn)垮孔或者縮孔。

場地中部粉細(xì)砂層，在沖、鉆孔過程中需保持孔內(nèi)水位不低于地下水位，同時保證泥漿的比重，防止孔壁滲水、失穩(wěn)，同時保證泥漿能夠?qū)⒋诸w粒隨泥漿帶出。在沖、鉆孔樁達(dá)到設(shè)計標(biāo)高時，應(yīng)仔細(xì)檢查樁底沉渣厚度，防止沉渣厚度過大影響樁基單樁承載力及加大樁基沉降。此外，在施工過程中應(yīng)注意可能對江水造成的泥漿污染。

4.2打入樁設(shè)計方案說明

工程場地上部地層均為強(qiáng)度較低的黏性土層或松散-稍密的砂土層，對于打入樁的沉樁影響不大。下部為中密～密實砂層，沉樁較困難，另據(jù)勘察結(jié)果揭示，在粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂、粉細(xì)砂土層中局部夾鈣質(zhì)膠結(jié)塊（巖塊類型為含粉砂灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)膠結(jié)粉細(xì)砂巖），厚2～10cm不等，沉樁會有一定難度，基礎(chǔ)施工時選擇合適的機(jī)械設(shè)備，選用有效的施打能量，同時防止樁頭被打裂。

此外，在局部厚度較大的軟土層中打入長樁，可能會產(chǎn)生因拉應(yīng)力而造成的樁拉裂，在施工過程中應(yīng)予注意。

4.3施工中的注意事項

工程場地的陸域表層分布有人工吹填而成的粉細(xì)砂，厚度及密實度不均，在Ⅵ度地區(qū)雖不用考慮其液化影響，但設(shè)計須對其不均勻沉降予以考慮。另外，對于淤泥及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，分布較廣泛，厚度較大，工程性能極差，在Ⅵ度地區(qū)雖不用考慮其震陷的風(fēng)險，但應(yīng)對其可能產(chǎn)生的負(fù)摩阻力及不均勻沉降予以關(guān)注。

若采用打入樁，需合理安排打樁順序和進(jìn)度，并注意軟弱土層中的粉細(xì)砂夾層，應(yīng)采取一定措施進(jìn)行沉樁，以免造成樁身偏移或傾斜等現(xiàn)象；若采用鉆孔灌注樁，由于場區(qū)地層砂層較多，易沉淀，建議調(diào)配好泥漿濃度，并應(yīng)盡量減少空孔時間，采取合理的護(hù)壁措施，做好沉渣處理，以保證樁尖達(dá)到設(shè)計層位。局部地段軟弱土層較厚，灌注樁施工時，應(yīng)注意側(cè)壁土縮孔對護(hù)筒的擠壓變形影響。

5　結(jié)語

本文通過對泰興港區(qū)虹橋通用碼頭樁基力學(xué)參數(shù)展開設(shè)計與計算，得到了一些有益的結(jié)論，同時，在后續(xù)樁基施工過程中，應(yīng)特別注意以下事項：在鉆孔樁成樁過程中，應(yīng)保持鉆孔內(nèi)水位不低于地下水位，同時根據(jù)地層情況調(diào)整泥漿配合比，保證在沖、鉆孔過程中不出現(xiàn)垮孔或者縮孔。在打入樁沉樁過程中，會遇到土層中局部夾鈣質(zhì)膠結(jié)塊（巖塊類型為含粉砂灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)膠結(jié)粉細(xì)砂巖），沉樁會有一定難度，基礎(chǔ)施工時選擇合適的機(jī)械設(shè)備，選用有效的施打能量，同時防止樁頭被打裂。此外，在局部厚度較大的軟土層中打入長樁，可能會產(chǎn)生因拉應(yīng)力而造成的樁拉裂，在施工過程中應(yīng)予注意。

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Design and Calculation of Mechanical Parameters for Pile Foundations of Hongqiao General Cargo Terminal in Taixing Port

Keywords:wharf；pile foundation；supporting layer；mechanical parameters

Abstract:Based on Hongqiao general cargo terminal in Taixing port，its engineering geological and hydrogeological conditions are investigated.Through the rock physical mechanics test，the geotechnical physical index，compression index and direct quick shear strength index are obtained.On the basis，combined with the characteristics of the wharf structure and the requirements of the foundation，the pier foundation type and the bearing layer are designed.In addition，the mechanical parameters of the project are calculated，with some note-worthy factors in the construction presented.The study can provide the basis for design and construction of similar projects.

中圖分類號：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-9107（2016）04-0039-04

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.04.039

收稿日期：2015-12-26

作者簡介：盧超?。?975-），男，湖北武漢人，本科，工程師，主要從事工程地質(zhì)方面工作。