超长组合桩在外海深水码头中的应用

周枝荣，邹颋

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

1 工程概况

温州港乐清湾港区是温州港口开发条件最好的核心港区之一，为加快港区的开发建设步伐，先期启动温州港乐清湾港区一期工程，作为港区建设的起步工程。

工程建设规模为2个5万吨级泊位（水工结构按靠泊10万吨级集装箱船舶设计），设计年通过能力380万t，码头岸线长度为676 m。

结合工程的建设目标、地质条件、荷载条件、工程造价等因素，合理确定码头桩基型式成为本工程建设的关键技术问题之一。经研究讨论，推荐采用超长大管桩组合桩，目前施工单位已完成码头主体结构施工。

2 桩基选型考虑的主要因素

2.1 地质条件

工程场地属于低山残丘附近的滨海相淤积山前平原与海岸地貌，拟建码头前沿天然泥面标高为-11.7～-14.4 m，码头后沿天然泥面标高一般为-5.5～-6.5 m。

勘察报告[1]显示勘察深度范围地基主要土层分别是：Ⅰ3灰黄～灰色淤泥，标准贯入击数小于1击；Ⅱ1灰色淤泥质黏土，标准贯入击数为1～2击；Ⅱ2灰色黏土，标准贯入击数为3～5击；Ⅴ1灰色黏土，标准贯入击数6～9击；Ⅴ2灰色粉质黏土，标准贯入击数为9～13击；Ⅴ3灰色黏质粉土，标准贯入击数为15～32击；Ⅴ4灰色粉质黏土，标准贯入击数为10～17击；Ⅵ1灰绿～灰色粉质黏土，标准贯入击数为11～26击；Ⅶ杂色中粗砂混砾石，标准贯入击数一般大于50击；Ⅷ1灰绿～灰色粉质黏土，标准贯入击数为15～32击。

对地质勘察报告进一步分析，拟建场地表层为软弱淤泥和淤泥质黏土，厚达30.0～40.0 m，其下为黏土和粉质黏土，厚30.0～40.0 m。然而，理想持力层Ⅶ杂色中粗砂混砾石层分布较广，顶板起伏较小，顶板标高一般为-78.0～-85.0 m，厚度一般为1.5～6.6 m。

2.2 荷载条件

码头结构设计靠泊10万吨级集装箱船舶；集装箱装卸桥轮压较大，工作状态最大轮压750 kN，非工作状态最大轮压1 000 kN。

3 设计难点

本工程自然条件较差、设计水深大、码头使用荷载大，基础宜采用大直径的桩基。

1） 钢管桩方案

若码头桩基采用φ1 200 mm钢管桩，设计桩长需85 m，单根钢管桩的费用达32万元[2]，且须为满足桩基耐久性要求，采用牺牲阳极阴极保护与涂层联合防腐蚀措施，此外还需对桩基的防腐蚀措施进行定期检查维护。

2） 大管桩方案

若码头桩基采用φ1 200 mm大管桩，设计桩长亦需85 m，而长达85 m的大管桩除受预制条件的制约外，其自重就已达102 t，当时最大的打桩船无法满足起吊的要求。

综上分析，码头基桩采用何种既合适又经济的型式成为工程的关键技术点。

4 解决方案

4.1 桩基选型

φ1 200 mm大管桩组合桩（上部为长68 m的φ1 200 mm预应力大管桩，下部为φ942 mm钢管桩）总长可达85 m。因此，本工程码头基础可考虑的桩型为大管桩和钢管桩的组合桩。

根据对本工程地质条件的分析，码头结构宜选取Ⅶ杂色中粗砂混砾石层作为桩基的理想持力层，而Ⅶ层顶板标高一般为-78.00～-85.00 m，当桩尖进入Ⅶ层1 m以上时，对应的桩长需85～92 m，φ1 200 mm大管桩组合桩不能满足长度要求。如桩基选用长度84 m的φ1 200 mm大管桩组合桩，由于未入理想的桩基持力层，为了提高桩基的极限承载能力，组合桩桩尖拟采用半封闭型来提高桩基的桩端极限阻力，以满足结构设计的需要。

4.2 结构计算

依据本工程水工结构专题报告[2]和初步设计[3]对码头结构的比选分析，推荐码头结构采用现浇桩帽节点加预制横梁结构。排架间距10 m，每榀排架5个桩帽节点，桩基采用φ1 200 mm大管桩组合桩，桩长84 m，每榀排架布置12根桩。考虑到集装箱岸桥轮压大，前后轨道梁下面每个桩帽节点各3根呈“品”字型的基桩，同时考虑承受船舶荷载的需要，中间纵梁下面每个桩帽节点各布置1对叉桩。采用这样的桩基布置，不仅能使轨道下的桩基和叉桩桩力得到较充分的发挥，又能使各桩桩力较为均匀。

经过对码头结构的分析计算，桩基计算成果详见表1。码头结构断面见图1。

表1 码头结构桩基计算结果Table 1.Calculation of wharf structure pilefoundation

5 现场试验

5.1 静载试桩目的

对于码头桩基选型，桩基础推荐采用超长大管桩组合桩，但所需桩长较长，是现有施工条件及施工设备下所能预制、沉设的最长组合桩基。为此，提出对基桩进行垂直静荷载试验，以达到以下目的，为最终确定桩基型式与桩长提供可靠的依据。

1）通过静荷载试验确定桩的轴向抗压承载力推荐值；确定试桩区各土层的极限侧摩阻力值和极限端阻力值，选择码头区域基桩的合理持力层；

2） 实测试桩在吊运过程中桩身应力的分布规律；

3）根据打桩监测结果，为合理选择沉桩锤型及确定停锤标准提出参考意见；

4）通过高应变动力测试，将静荷载试验与动力测试结果进行对比，为工程桩检测提供依据。

5.2 试桩过程

试桩采用2根φ1 200 mm大管桩组合桩，试桩S1桩长81 m（68 m+13 m，十字板半封闭桩尖）、试桩S2桩长85 m（68 m+17 m，开口桩），入土深度分别达64 m和68 m，试桩桩尖分别位于Ⅴ4灰色粉质黏土层和Ⅵ1灰绿～灰色粉质黏土层，并分别进入Ⅴ2灰色粉质黏土层及以下黏性持力土层达6.7 m和10.7 m。根据桩基试验报告[4]，S1桩的极限承载力推荐值为9 000 kN，S2桩的极限承载力推荐值≥12 000 kN。对桩基试验成果进行分析，推算桩端承载力折减系数均超0.8，是港口工程桩基规范[5]推荐取值的至少1.6倍；由于开口桩尖的桩端承载力折减系数已超过0.8，桩尖已充分发挥出接近半封闭桩尖的效用，考虑到十字板半封闭桩尖相比于开口桩尖对提高桩端承载力的效果并不显著，最终确定本工程码头应用的φ1 200 mm大管桩组合桩均采用开口桩型式。此次对桩尖型式的优化将为工程节约成本约518万元。

图1 码头结构断面图Fig.1 Cross-section of thewharf structure

此外，根据桩基试验报告，并结合港口工程桩基规范[5]和建筑桩基技术规范[6]，经分析计算，当钢管桩（0.8 m≤D≤1.2 m，D为钢管桩桩外径）桩基入土深度较大（≥60D或60 m）且已进入黏性持力土层深度较深（≥7D）时，建议在计算钢管桩的垂直承载力极限值时，桩端承载力折减系数可取0.8。

5.3 试桩结论

1）吊运试验所得的弯矩值均未超过规范规定的抗裂弯矩值，且弯矩分布较均匀，因此吊点布置是安全合理的；

S1桩采用四点吊进行吊运试验，S2桩采用六点吊进行试验。从试验和理论计算结论均可知，无论是四点吊还是六点吊，最大负弯矩均出现在吊点位置上，其值在水平状态下最大，并随着桩的倾斜角度增加而减少；最大正弯矩均出现在倾角为45°时，并随着倾斜角度的增加开始减小。具体试验成果为：S1桩的最大负弯矩在R4吊点处，为-527.8 kN·m，相应最大混凝土压应力为-4.65 MPa；最大正弯矩在R2与R3吊点跨中处，为412.0 kN·m，相应最大混凝土拉应力为3.63 MPa。S2桩的最大负弯矩在R1吊点处，为-502.2 kN·m，相应最大混凝土压应力为-4.43 MPa，最大正弯矩在R2与R3吊点跨中处，为306.3 kN·m，相应最大混凝土拉应力为2.70 MPa。以上弯矩值均未超过大管桩的开裂弯矩值1 224 kN·m。

2）在该工程地质条件下，采用D138柴油锤开二档可以满足工程桩沉桩施工要求。

3）单桩静土阻力值和极限承载力推荐值及恢复系数详见表2。

表2 单桩静土阻力值和极限承载力推荐值Table 2 Single pile static soil resistance valueand the ultimate bearing capacity recommended value

6 工程实施

本工程码头采用φ1 200 mm大管桩组合桩，桩长84 m，共863根。工程现场已于2013年4月完成了全部码头设计桩基的沉设，桩基沉桩总体较为顺利，仅出现2根桩在距桩顶7~8 m位置断桩，经分析，断桩的主要原因是由于外海涌浪作用导致打桩船打桩锤击偏心而引起的。经设计确认后，在断桩桩位附近合适位置进行了补桩，补桩沉设无异常。

经对所有桩基沉桩记录进行统计分析，除1根超高4.45 m基桩由于桩顶裂纹停锤、1根超高约4.9 m基桩由于贯入度3.3 mm而停锤外，其余桩基均沉设至设计桩顶标高。桩基总锤击数平均为756击，最终贯入度平均为18.3 mm。

此外，依据技术要求，现场对码头桩基中的20根桩进行了高应变动力检测，包括沉桩异常的桩基，并对89根桩进行了低应变动力检测。经对检测结果分析，桩基极限承载力均≥9 700 kN，桩身完整性均良好。

根据码头桩基的沉桩情况分析，桩基的沉设情况良好，进一步验证了工程采用超长大管桩组合桩的合理性。

7 结语

通过理论计算、现场试验及工程实践，证明超长大管桩组合桩在乐清一期软土地基中的应用是可行的。

[1] 温州港乐清湾港区一期工程岩土工程勘察报告[R].上海：中交第三航务工程勘察设计院有限公司，2010.Geotechnical engineering investigation report on the Yueqingwan Port first phaseproject in Wenzhou Port[R].Shanghai：CCCCThird Harbor Consultants Co.，Ltd.，2010.

[2] 温州港乐清湾港区一期工程水工结构专题报告[R].上海：中交第三航务工程勘察设计院有限公司，2010.Special report on the hydraulic structure of the Yueqingwan Port first phase project in Wenzhou Port[R].Shanghai：CCCC Third Harbor Consultants Co.，Ltd.，2010.

[3] 温州港乐清湾港区一期工程初步设计[R].上海：中交第三航务工程勘察设计院有限公司，2011.Primary design for the Yueqingwan Port first phase project in Wenzhou Port[R].Shanghai：CCCCThird Harbor Consultants Co.，Ltd.，2011.

[4]温州港乐清湾港区一期工程试桩工程基桩试验报告[R].上海：上海港湾工程质量检测有限公司，2011.Test report for pile foundation in the pile testing engineering of the Yueqingwan Port first phaseproject in Wenzhou Port[R].Shanghai：Shanghai Harbor Quality Control&Testing Co.，Ltd.，2011.

[5]JTS167-4—2012，港口工程桩基规范[S].JTS167-4—2012，Codefor Pile Foundation of Harbour Engineering[S].

[6]JGJ94—2008，建筑桩基技术规范[S].JGJ94—2008，Technical Codefor Building Pile Foundation[S].