高樁碼頭樁基夾樁穩(wěn)樁抗風(fēng)浪技術(shù)應(yīng)用

孫國峰 中交一航局第五工程有限公司

1.工程概況

本高樁碼頭樁基為PHC樁結(jié)構(gòu)，樁基直徑均為1m，共計包含8個泊位，其中泊位平臺8座，泊位之間連接引橋9座，碼頭起始點由陸域護(hù)岸向外海側(cè)引出，整個高樁碼頭呈半環(huán)抱型布置，前沿線總長度為1.8km。項目應(yīng)用到PHC樁的量為1011根，具體為：直樁334根，斜樁677根。其設(shè)計樁長均在35m至51m之間，斜樁最大斜率為4：1。碼頭設(shè)計高水位為+1.87m，設(shè)計低水位為+0.3m，極端高水位為+3.12m，極端低水位為-0.16m。

本高樁碼頭設(shè)計參數(shù)情況為：1號泊位泥面高程為-13.5m，樁底高程為-32.0m，樁頂高程為+3.10m，強(qiáng)風(fēng)化巖層處于-33.0以下，樁身懸臂的長度為16.6m，個別部分樁基存在入巖情況；2號、3號泊位泥面高程為-12.7m,樁底高程為-31.0m,樁頂高程為+3.10m，強(qiáng)風(fēng)化巖處于-34.0m以下，樁身懸臂長度為15.8m，樁基未有入巖情況；4號、5號泊位泥面高程為-9.5m，其中4號泊位樁底高程為-32.0m，5號泊位樁底高程為-28.0m，樁頂高程均為+3.10m，強(qiáng)風(fēng)化巖處于-25m以下，樁身懸臂長度12.6m，樁基未有入巖情況；6號至8號泊位泥面高程為-8.0m，其中6號泊位樁底高程為-32.0m，7號泊位樁底高程為-37.0m，8號泊位樁底高程為-33.0m。設(shè)計樁頂高程均為+4.10m，強(qiáng)風(fēng)化巖處于-36.0m以下，樁身懸臂長度為12.1m，樁基未有入巖情況。

本工程地處外海環(huán)境，而且本地區(qū)屬于臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)，因樁基數(shù)量較多，施工工期較長，中間需要跨過臺風(fēng)期，碼頭部分樁基施工完成后，需要及時采取夾樁穩(wěn)樁措施來保證樁基安全，防止風(fēng)浪對樁基的破壞，減小工程損失。

2.自然條件

2.1 潮流（碼頭前沿港池）

（1）大潮時，工程完工后東向流最大流速為0.01～0.08m/s，工程完工后東向流最大流速時對應(yīng)流向與碼頭前沿走向夾角為11°～83°。西向潮流工程后流速值約為0.01～0.10m/s，工程后西向流流速對應(yīng)的流向與碼頭前沿走向夾角為0°～62°。工程完工后潮周期最大流速為0.01至0.13m/s。

（2）小潮時，工程完工后東向流最大流速為0.01～0.07m/s，工程完工后東向流最大流速時對應(yīng)流向與碼頭前沿走向夾角為2°～80°。西向流流速最大時工程后流速為0.01～0.08m/s，工程完工后西向水流流向與碼頭前沿走向夾角為0°～62°。潮周期最大流速為0.02～0.09m/s。

2.2 風(fēng)況

統(tǒng)計石碑山歷年的風(fēng)況資料，風(fēng)速儀的高度處于5m處時，常風(fēng)向為東北向，頻率為28.67%，次常風(fēng)向為東北東，頻率為17.18%，強(qiáng)風(fēng)向為東南東。風(fēng)速儀高度處于25m處時，一年內(nèi)風(fēng)速大于六級風(fēng)力的天數(shù)為13d。

2.3 工程特點

本工程地處開敞的外海海域，本地區(qū)屬于風(fēng)多、浪大地區(qū)，施工條件較為惡劣，地質(zhì)情況較為復(fù)雜，施工難度較大。此外，每年7～9月為該地區(qū)臺風(fēng)季節(jié)，熱帶氣旋出現(xiàn)時間集中在該季節(jié)，施工過程中易受臺風(fēng)影響；根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計資料顯示，1949～1992年期間，本地區(qū)受熱帶氣旋的影響達(dá)45個之多，平均下來每年1個，最多為3個。工程量較大，施工任務(wù)繁重，整體工期需要經(jīng)歷臺風(fēng)期，工程結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險較大。

3.樁基夾樁穩(wěn)樁工藝

樁基截樁施工結(jié)束后隨后開展夾樁作業(yè)，夾樁鋼梁采用方駁吊機(jī)組現(xiàn)場安裝完成，考慮夾樁鋼梁作為后續(xù)上部結(jié)構(gòu)施工搭設(shè)平臺所用鋼梁為同一材料，擬采用采用對扣[20槽鋼進(jìn)行夾樁復(fù)核計算，夾樁鋼梁為橫縱向布置，將樁基形成整體，布置成井字模式進(jìn)行加固。并且同時結(jié)合上部結(jié)構(gòu)施工所需要搭設(shè)的操作平臺，考慮操作平臺的結(jié)構(gòu)尺寸及所在樁基支撐點的位置，確定夾樁標(biāo)高設(shè)置在+2.43m，夾樁型鋼的底部支撐結(jié)構(gòu)采用鋼抱箍，夾樁鋼梁架設(shè)在鋼抱箍牛腿上，并使用直徑28mm精軋螺紋鋼將樁基兩側(cè)夾樁鋼梁進(jìn)行對拉緊固。鋼抱箍的尺寸設(shè)計均按照上部結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行核算，保證鋼抱箍能夠加緊樁基，不出現(xiàn)下滑情況。

夾樁鋼梁的安裝，采用海上方駁吊機(jī)進(jìn)行施工，由施工人員配合進(jìn)行安裝緊固，注意方駁吊機(jī)駐位距樁大于3m，防止方駁吊機(jī)對樁造成破壞。夾樁鋼梁安裝施工過程中，配備海上浮排，施工人員站立在浮排上進(jìn)行施工，施工過程中將浮排與樁基使用繩索進(jìn)行捆綁加固，防止浮排出現(xiàn)傾覆的情況。

4.夾樁穩(wěn)樁鋼梁核算

4.1 樁基受到的波浪力

分析本工程地質(zhì)資料及設(shè)計波浪資料，根據(jù)《海港水文規(guī)范》（JTS145-2-2013）要求，設(shè)計波浪重現(xiàn)期采用50年一遇，設(shè)計波高累計頻率采用H1%，夾樁穩(wěn)樁選擇最不利條件下的樁基進(jìn)行計算，根據(jù)設(shè)計資料及計波要素，本海域正常狀態(tài)下取靜水面標(biāo)高為+3.12m，波高為6.2m，周期為9.6s，波長為100m，泥面標(biāo)高取-13.5m，水深為16.62m，管樁直徑為1.0m，斜樁樁身懸臂長度最長為17.1m。

根據(jù)《港口與航道水文規(guī)范》（JTS 145-2015）：作用于水底面以上高度z處柱體全斷面上與波向平行的正向力由速度分力和慣性分力組成，小尺度樁（柱），作用于整個柱體高度上的最大速度分力為PDmax，最大慣性分力為PImax，當(dāng)z1和z2和間柱體斷面相同時，根據(jù)計算可得：PDmax=60.6kN；PImax=22.2kN。

對于小尺度樁（柱），可根據(jù)下式（1）計算作用于整個柱體高度上任何相位時的正向水平總波浪力：

式（1）中，t—時間，s。依據(jù)上式（1）可知，當(dāng)t=0時（即波浪的波峰恰好經(jīng)過柱體的中心線），P為最大值，即P=PDmax=60.6kN。由于夾樁結(jié)構(gòu)是臨時結(jié)構(gòu)，使用時間較短，樁基受到附著生物影響較小，根據(jù)規(guī)范要求，波浪增大系數(shù)取1.15。所以作用于整個柱體高度上的正向水平總波浪力為F波浪=69.7kN。

4.2 斜樁基所受的傾覆力

本工程中，斜樁最大斜率為4：1，斜樁最大的懸臂長度為17.1m，PHC 樁重量以最重懸臂長度的斜樁進(jìn)行夾樁鋼梁的荷載計算，取GPHC=151.8kN。使用夾樁鋼梁將樁基夾樁穩(wěn)樁后，夾樁鋼梁會提供給樁基一定的抗傾覆力，夾樁鋼梁所需要提供的抗傾覆力值為F抗傾=20.1kN。考慮最不利的情況，當(dāng)波浪力和樁身的傾覆力作用在同一個方向時，夾樁鋼梁所受到的力為最大，此時，固夾樁鋼梁所受到的拉應(yīng)力為：N=F波浪+F抗覆=89.8kN。

4.3 夾樁鋼梁受力復(fù)核計算

夾樁穩(wěn)樁的方式采用橫縱向夾樁，使用鋼梁將樁基相連形成井字形結(jié)構(gòu)，將樁基形成整體結(jié)構(gòu)，共同抵抗波浪力的作用。擬采用[20槽鋼材料作為樁基兩側(cè)的夾樁鋼梁，為提高夾樁鋼梁的剛度，每側(cè)單根夾樁鋼梁由兩根槽鋼組成，槽鋼做對口焊接，固單根夾樁鋼梁所受到的波浪力N=44.9kN。根據(jù)設(shè)計圖紙，選取樁基之間的最大間距為不利條件，本工程中最長的縱向受力夾樁槽鋼長度為13.0m，最長橫向受力夾樁槽鋼長度為8.5m。

根據(jù)以上分析，對夾樁鋼梁進(jìn)行穩(wěn)定性驗算，見式（2）：

式（2）中，A—截面面積，取57.66cm2，φz、φy為軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)。

經(jīng)計算，縱、橫向?qū)鄄垆撌芰裕?15N/mm2，因此皆滿足受力要求。

4.4 緊固螺栓受力復(fù)核計算

樁基兩側(cè)夾樁鋼梁采用直徑28mm 精軋螺紋鋼進(jìn)行對拉緊固連接，故單根精軋螺紋鋼受力為P=1/2×44.9kN=22.45kN。

精軋螺紋鋼所受到的剪應(yīng)力為f=P/（2πr2）=24.8N/mm2＜85N/mm2，基于上述計算分析可知，精軋螺紋鋼受力情況滿足工程實際需求。

5.結(jié)束語

綜合考慮上部結(jié)構(gòu)施工，來確定夾樁標(biāo)高及夾樁材料的選擇，通過計算最不利情況下波浪力對樁基的作用，核算夾樁鋼梁的受力情況，來確定樁基夾樁的穩(wěn)定性，最大化的保證了樁基抗風(fēng)浪的穩(wěn)定性，值得類似工程借鑒。