斜向鉆孔灌注嵌巖樁在外海小型高樁碼頭中的應(yīng)用探討

于佳乾 湯晨 張政生

摘 要：本文結(jié)合某工程案例，通過方案比選，探討斜向鉆孔灌注嵌巖樁在外海小型碼頭建設(shè)中的技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)適用性。

關(guān)鍵詞：外海；小型；高樁碼頭；斜向；灌注樁

中圖分類號：U655.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）5-0047-03

1 引言

目前，我國在外海的港口建設(shè)技術(shù)已經(jīng)十分成熟，各類已經(jīng)建成投產(chǎn)的大中型碼頭已不計(jì)其數(shù)，且碼頭等級在不斷刷新高；但有部分小型碼頭，特別是漁業(yè)碼頭，碼頭等級較低，但因選址限制需要建設(shè)在外海位置時，碼頭設(shè)計(jì)荷載中工藝荷載、船舶荷載等均不是控制因素，而結(jié)構(gòu)承受的波浪力成為控制荷載。根據(jù)工程區(qū)域地質(zhì)條件，或者受用海審批限制需要采用透空式結(jié)構(gòu)時，高樁梁板式碼頭結(jié)構(gòu)為比較常見的一種結(jié)構(gòu)型式。對于覆蓋層較小的巖基地質(zhì)，預(yù)制樁沉樁困難，抗拔承載力不能滿足要求，基樁設(shè)計(jì)常規(guī)采用全直樁灌注嵌巖樁。外海小型碼頭由于結(jié)構(gòu)受波浪力控制，結(jié)構(gòu)承受較大的水平力和面板上托力，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的彎矩很大，設(shè)計(jì)的灌注嵌巖樁樁徑及樁數(shù)往往較大，從而造價偏高，相對于小型碼頭而言，方案的經(jīng)濟(jì)性不盡合理；隨著斜向鉆孔灌注樁施工技術(shù)的出現(xiàn)，若設(shè)計(jì)時用斜向灌注嵌巖樁取代豎直向灌注嵌巖樁，則結(jié)構(gòu)受力條件將大大改善，樁徑及樁數(shù)都可減小，從而節(jié)約造價，對于外海小型碼頭來說，方案將更為經(jīng)濟(jì)合理實(shí)用。

下面以舟山外海某漁業(yè)碼頭工程案例對上述觀點(diǎn)進(jìn)行分析探討。

2 工程概況

2.1 自然條件

舟山某漁業(yè)碼頭位于外海區(qū)域，掩護(hù)條件較差，自然條件如下：

2.1.1 設(shè)計(jì)水位

設(shè)計(jì)高潮位：1.90m（高潮累積頻率10%）；

設(shè)計(jì)低潮位：-1.87m（低潮累積頻率90%）；

極端高潮位：2.82 米（五十年一遇）；

極端低潮位：-2.85 米（五十年一遇）。

2.1.2 潮流

海域潮流為往復(fù)流，漲潮流向NW，流速2～3節(jié)，落潮流向SE 流速2～3節(jié)。

2.1.3 波浪

強(qiáng)浪向?yàn)镾SE向，實(shí)測最大波高H1%為3.79m。

2.1.4 工程地質(zhì)

地貌屬浙東南沿海島嶼區(qū)，場地地貌類型為山麓濱海淤積地貌，自上而下為①層素填土、②層粗砂、③層花崗巖、③-1層強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及③-2 層中風(fēng)化花崗巖，對于樁基礎(chǔ)，持力層可選③-2 層中風(fēng)化花崗巖。

2.1.5 地震

本區(qū)抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，分組第一組。

2.2 工程總體布置

現(xiàn)狀碼頭面標(biāo)高3.40m，碼頭前沿設(shè)計(jì)泥面高程-4.57m，碼頭結(jié)構(gòu)為重力式方塊碼頭（見圖1）。根據(jù)使用需求，碼頭需要延長1個泊位，靠泊船型為300hp漁船。

3 碼頭結(jié)構(gòu)方案

3.1 初步方案擬定

因重力式碼頭為實(shí)體式結(jié)構(gòu)，受用海審批限制，建設(shè)單位明確要求采用透空式高樁梁板碼頭結(jié)構(gòu)型式。

根據(jù)地質(zhì)條件，初步方案考慮標(biāo)準(zhǔn)排架間距7m，基樁采用φ1200mm嵌巖灌注樁，每榀排架下布置3根直樁，樁端均進(jìn)入中風(fēng)化花崗巖不小于3倍樁徑。碼頭平臺上部采用現(xiàn)澆上下橫梁，預(yù)制安裝縱向梁、預(yù)制面板的結(jié)構(gòu)，并通過現(xiàn)澆面層連成整體（如圖2）。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

考慮到本工程位于外海，波浪力為結(jié)構(gòu)控制荷載，為改善碼頭受力條件，優(yōu)化方案標(biāo)準(zhǔn)排架間距7m，基樁采用φ1000mm嵌巖灌注樁，每榀排架下布置1對叉樁和1根直樁，樁端均進(jìn)入中風(fēng)化花崗巖不小于3倍樁徑；碼頭上部結(jié)構(gòu)同前述初步方案（如圖3）。

4 碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 荷載計(jì)算

4.1.1 船舶荷載

船舶荷載按照《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）中公式進(jìn)行計(jì)算，主要考慮船舶系纜力及船舶撞擊力，經(jīng)計(jì)算，船舶系纜力為76kN、船舶撞擊力為8kJ；按經(jīng)驗(yàn)，船舶系纜力與船舶在波浪作用下的橫搖力遠(yuǎn)小于船舶撞擊力可不考慮。

4.1.2 波浪力

波浪力按照《港口與航道水文規(guī)范》（JTS145-2015）中公式進(jìn)行計(jì)算，主要考慮波浪對橫梁端部、前邊梁、靠船構(gòu)件及水平撐的水平向作用力；波浪對碼頭面板底部的浮托力及對碼頭面板頂面的下砸力，經(jīng)計(jì)算波浪水平向合力為900kN，波浪浮托力約40kpa。

4.2 碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算

碼頭結(jié)構(gòu)計(jì)算時，根據(jù)《高樁碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（JTS167-1-2010），可簡化為平面問題，按縱、橫兩個方向進(jìn)行計(jì)算。橫向排架按柔性樁臺計(jì)算，按最不利作用效應(yīng)組合確定樁基和橫梁的內(nèi)力；縱梁按彈性支座連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算。本工程計(jì)算時主要考慮的外部荷載有船舶荷載、波浪力、水流力、人群荷載及水平地震力，按照最不利工況進(jìn)行組合。

通過上述外部荷載計(jì)算結(jié)果分析，波浪力作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他外部荷載作用，是本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主導(dǎo)控制荷載，碼頭樁基結(jié)構(gòu)受力控制工況為：恒載+均載（滿布）+水流力+波浪力，通過專業(yè)的軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，初始方案及優(yōu)化方案樁基的主要結(jié)構(gòu)計(jì)算如表1及圖4～7所示。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果表明，在外海強(qiáng)波浪力作用下，斜樁的設(shè)置，對改善碼頭結(jié)構(gòu)受力條件效果顯著，優(yōu)化方案樁基軸力較初始方案增大不少，彎矩較初始方案大大減少。而初始方案初擬直徑在相同荷載條件下，需大幅度增大配筋方可滿足規(guī)范要求。

5 斜向灌注嵌巖樁設(shè)計(jì)

碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，灌注嵌巖樁直樁的設(shè)計(jì)較為成熟，在此不再敘述；而對于斜向灌注嵌巖樁的設(shè)計(jì)，應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)相對較少。

5.1 斜向受拔樁設(shè)計(jì)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，由于波浪對面板的浮托力及水平力較大，樁基中一根上拔力較大，首先計(jì)算抗拉承載力是否滿足要求。由于覆蓋層較淺及嵌巖深度有限所能提供的極限抗拉承載力較小，若不能滿足抗拉承載力，則需在樁端設(shè)置錨桿，錨桿錨入中風(fēng)化巖層，錨桿可有效提供一定的抗拉效應(yīng)，解決抗拉承載力不足的問題，錨桿錨固長度及直徑可按按《港口工程樁基規(guī)范》（JTS167-4-2012）相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，錨固長度不宜小于3m。

5.2 斜向受壓樁設(shè)計(jì)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，由于波浪對面板的下砸力及水平力較大，為能滿足垂直極限承載力的要求，采用斜向灌注嵌巖樁，嵌入中風(fēng)化巖層端可按照固接設(shè)計(jì)，嵌巖深度應(yīng)不小于計(jì)算嵌巖深度（可按《港口工程樁基規(guī)范》（JTS167-4-2012）公式4.3.5計(jì)算），且應(yīng)不小于1.5倍嵌巖段樁徑。

6 經(jīng)濟(jì)性分析

工程的經(jīng)濟(jì)性是衡量工程設(shè)計(jì)合理性的一個重要標(biāo)準(zhǔn)，本工程設(shè)計(jì)的優(yōu)化方案較初始方案的經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在樁基設(shè)計(jì)中，樁基由3根φ1200mm嵌巖灌注樁直樁優(yōu)化為3根φ1000mm嵌巖灌注樁斜樁，工程造價可明顯降低，經(jīng)濟(jì)分析如下：

根據(jù)上述表中數(shù)據(jù)，優(yōu)化方案較初始方案單榀排架節(jié)省50003元，約19%，一般連片式高樁碼頭排架數(shù)量較多，優(yōu)化方案可大幅度降低工程總投資，為小型碼頭的經(jīng)濟(jì)可行性提供有利依據(jù)。

7 結(jié)語

在外海掩護(hù)條件差、持力層為中風(fēng)化巖層的小型碼頭設(shè)計(jì)過程中，采用斜向灌注嵌巖樁，可以大大改善結(jié)構(gòu)受力的合理性，同時施工工藝也能夠得到保證，能有效地降低工程造價，具有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

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