重力式码头后轨道梁基桩的优化设计及应用实践
2015-12-08陈波宋兰芳王广贤
陈波，宋兰芳，王广贤
（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州510230）
重力式码头后轨道梁基桩的优化设计及应用实践
陈波，宋兰芳，王广贤
（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州510230）
依托海南某正在实施的工程项目，对于基桩贯穿较厚的中密砂层及硬黏土层的情况，进行了方案优化设计，初步探讨码头后轨道梁基桩中抗拔桩的连接设计，并对打桩中的一些问题及解决对策进行了总结，可为类似工程的设计及施工提供借鉴经验。
后轨道梁基桩；优化设计；抗拔桩
0 引言
对重力式码头后轨道梁桩基桩一般采用灌注桩或陆上施打PHC管桩，灌注桩一般费用较高且施工速度相对较慢，而PHC管桩具有抗压强度高、产品规格多、搭配灵活、接长方便和施工速度快等优点，一般情况下，软土、黏性土、粉土、砂土及全风化岩体等地层条件均可采用。对桩基需穿越较厚中密砂层的情况，桩基打入需利用砂土液化效应连续施打，因此管节连接时间及强度较难得到保障。本文结合海南洋浦某大型重力式集装箱码头后轨道梁基桩的优化设计及应用实践过程，对重力式码头后轨道梁基桩的设计，尤其是PHC管桩管节连接强度的设计进行了初步探讨，并对本工程后轨道梁基桩的应用实践进行了总结。
1 工程概况
码头采用重力式沉箱结构，结构设计底高程为-18.0 m，码头沉箱底宽15.8 m，沉箱后设置抛石棱体，棱体顶标高为-5.0 m，棱体后设置倒滤结构，后方回填中粗砂并振冲密实至N≥15击。码头布置2条QU120轨道，轨距35 m，前轨距码头前沿线4 m，直接铺设在胸墙上，后轨铺设在现浇轨道梁上，轨道梁为C40倒T形钢筋混凝土结构，梁总高2.8 m，轨道梁下采用φ800 mmPHC管桩双桩作为基础，PHC管桩间距3.5 m。本工程共有φ800 mmPHC管桩（B型）458根，桩身混凝土设计强度等级为C80，壁厚为130 mm，单桩结构轴向承载力设计值6 876 kN，极限弯矩1 059 kN·m，抗裂弯矩588 kN·m。本工程码头前沿配置65 t-65 m岸边集装箱装卸桥，预留80 t-66 m岸边集装箱装卸桥荷载，集装箱装卸桥参数：轨距35 m，基距15.1 m，支腿4个，10个轮/
支腿，轮距1.1 m，工作状态最大轮压920 kN/轮，非工作状态最大轮压1 280 kN/轮，上拔力3 000 kN/角。
2 基桩优化设计
2.1 地质条件分析
PHC管桩虽然具有诸多优点，但也存在脆性较高的突出弱点，沉桩过程中会出现裂缝、桩头打裂甚至桩身断裂现象。王振祝总结某工程PHC管桩施工经验，强调地质勘察在PHC管桩施工中的重要性，同时也突出试桩在复杂地质条件下的重要性[1]。实践经验表明，在应用PHC管桩时，应注重研究当地的地质条件，采用的施工方法与对策应因地制宜，充分发挥PHC管桩在水运工程技术上的优越性能及其最大效益。
本工程区地层可大致划分为上部地层、中部地层和下部地层三部分。上部地层为第四系全新统海相沉积层，主要层位为淤泥、淤泥质土、粉细砂、中粗砂、珊瑚碎石土，总体上场区上部地层以低强度的淤泥、松散砂土等软弱土为主，工程特性较差。工程区中部地层为第四系晚中更新统冲积海积沉积层，主要层位为粉质黏土—粉土、粉细砂、中粗砂，其中③2粉质黏土—粉土层局部较连续分布，平均层底标高-13.94 m，平均层厚5.21 m，平均N=11.0击（8～15击），具中等压缩性、一定强度，属中硬土；③3粉质黏土—粉土层局部较连续分布，平均层底标高-19.51 m，平均层厚3.68 m，平均N=22.9击（15～34击），具中等压缩性、中等强度，属中硬土，总体上场区中部地层以中硬土为主，工程特性较好。工程区下部地层为第四系早更新统冲积海积沉积层，主要层位为粉质黏土—粉土、粉细砂、中粗砂，其中④1粉质黏土—粉土层在码头区连续分布，平均揭示厚度19.18 m，平均N=50.5击（33～83击），具中等偏低压缩性、较高强度，属中硬土，总体上场区下部地层以中硬土为主，一般具中等或较高强度，是本区良好的地基持力层。经码头基槽开挖后在后轨道梁打桩位置处，场区上部土层基本全部被挖除，码头后轨道梁基桩持力层宜选在连续分布的④1粉质黏土—粉土层中。持力层上面的覆盖土层有原状土层和回填的中粗砂层，原状土层主要为中部地层的中硬土，其中③2和③3粉质黏土—粉土，混较多细中砂，局部呈黏性土混砂状，局部近弱胶结状，回填的中粗砂层厚度有10～25 m不等，同时基桩要满足设计承载力的要求，基桩需进入持力层④1粉质黏土—粉土5～15 m不等，设计必须考虑这些土层给沉桩带来的困难。
2.2 基桩比选
集装箱装卸桥轮压大，对不均匀沉降反应灵敏，需对其后轨道基础进行处理。对装卸桥后轨道基础结构方案，可采用钻孔灌注桩方案和打入桩方案，其中打入桩方案可以采用钢管桩方案和PHC管桩方案，经比较钢管桩方案的造价高，依据JTS 167-8—2013《水运工程先张法预应力高强混凝土管桩设计与施工规程》[2]，设计使用年限为50 a时，推荐桩型直径大于等于800 mm的PHC基桩，管节长度可达7～30 m，基桩承载力较大，抗弯性能好，在桩位布置上可以拉大桩的间距，降低打桩困难。
针对本工程初步设计，拟采用φ800 mmPHC管桩双桩方案和φ1 200 mm灌注桩方案进行比选。结构方案一：后轨道基础采用φ800 mmPHC管桩双桩结构方案。钢桩尖的长度取为3.0 m，基桩以④1粉质黏土—粉土层作为桩端持力层，桩排架间距为3.8 m，悬臂长1.0 m，轨道梁为现浇C40倒T形钢筋混凝土结构，翼缘宽3.2 m，翼缘高1.2 m，梁总高2.8 m，梁肋宽2.2 m。结构方案二：后轨道基础采用φ1 200 mm灌注桩结构方案，基桩以④1粉质黏土—粉土层作为桩端持力层，桩排架间距为3.8 m，悬臂长1.2 m，轨道梁为现浇C40矩形钢筋混凝土结构，梁高2.8 m，梁宽2.2 m。经过技术经济比选，结构方案一后轨道梁延米造价为6.56万元，结构方案二后轨道梁延米造价为7.81万元，PHC管桩结构方案延米造价更优，并且采用PHC管桩结构方案还具有如下优点：施工周期短，能更好满足工期要求；施工简便，质量控制较容易，施工质量易保证。综合考虑推荐φ800 mmPHC管桩双桩结构方案。
2.3 组合桩钢桩尖的选择
通过对地质条件的分析，如果沉桩时要保证PHC管桩能顺利穿越覆盖土层并进入持力层达到设计标高，难度较大，在海南洋浦地区尚无成功案例可以参考。减少沉桩阻力关键是提高桩端穿越覆盖土层的穿透能力，如果全部选用钢管桩，肯定不存在问题，但通过比较经济上成本太高，实践证明对于上部荷载较大以致桩尖持力层需选
在入土深度较深土层的结构物，在周围环境因素制约较小的情况下，其基桩选型可以采用“PHC管桩结合超长钢桩靴”的方案，这是一种行之有效、较钻孔灌注桩基桩更便捷、经济、质量可靠的方法[3]。同时依据JTS 167-4—2012《港口工程桩基规范》[4]，沉桩贯入难度较大时，一种有效的途径是采用预应力混凝土管桩与钢管桩组成的组合桩。针对本工程施工图设计，依据地质条件决定选用长度为3 m和6 m的两种规格桩尖进行设计，均为开口型钢桩尖，对持力层较高、基桩要进入持力层④1粉质黏土～粉土较长的区段，采用6 m长的钢桩尖，其余区段采用3 m长的钢桩尖，并以钢桩尖的长度替代工程桩的有效桩长。3 m长的钢桩尖壁厚18 mm，6 m长的钢桩尖壁厚22 mm，桩尖管身均布12条加强肋，桩尖与PHC管桩连接处加焊25 mm的加强钢板，通过这一措施能有效提高桩端穿越覆盖土层的能力。3 m长钢桩尖立面图如图1所示。
图1 3 m长钢桩尖立面图Fig.1 3 m steelpile tip elevation
2.4 接桩处的连接设计
海南地区台风频繁，基桩的抗拔能力尤为重要。依据现场打桩实际情况，基桩最多要分三节焊接接桩打桩，对于焊缝强度的验算依据JTS 152—2012《水运工程钢结构设计规范》[5]，直角角焊缝的强度可按下式计算：
根据上述验算可以看到，焊缝强度从设计计算角度能满足工程需要，但是由于现场焊接的质量良莠不齐，存在焊缝不饱满、焊缝坡口尺寸太小、焊缝冷却时间不够、焊缝缺乏保护等问题，焊缝出现质量问题几率很大。为确保码头防风拉索下基桩的抗拔承载力，对最后一节接桩处的连接进行了设计加强。先把抗拔桩与普通桩区别开，对于普通桩，设计的桩芯混凝土为桩顶下3 m，对于抗拔桩，管桩填芯混凝土的高度H可按下式确定：
式中：Qct为单桩竖向抗拔承载力设计值，经计算为487.5 kN；Um为管桩内孔圆周长；fn为填芯混凝土与管桩内壁的黏结强度设计值，取0.3 N/ mm2。管桩内孔受拉钢筋面积As可按下式确定：
式中：As为管桩内孔受拉钢筋面积；fy为抗拉钢筋的抗拉强度极限值，取300 MPa。
经计算对于抗拔桩若仅桩顶处采用3 m的桩芯混凝土，回填中粗砂的单位面积极限侧摩阻力标准值取40 kPa计算，最后一节基桩能提供的抗拔承载力仅为379.7 kN
钢筋均布，受拉钢筋的设计经采用上面的公式验算满足要求。通过把抗拔桩与普通桩区别开，分别设计不同的填芯混凝土连接高度以及填芯钢筋数量，这样既确保了抗拔桩的抗拔承载力能够满足设计要求，又能节省部分普通桩的填芯混凝土的工程量。
3 沉桩及沉桩控制标准
沉桩前要求先进行试沉桩，设计要求采用D100柴油锤沉桩，终锤贯入度取最后3阵，每阵10击，平均贯入度不大于5 mm/击。通过试沉桩发现有部分基桩在距离设计标高大于3.0 m时就达到了终锤贯入度，对此施工单位提出，回填中粗砂层经振冲密实处理以及上部流动机械的碾压后，密实度较大，引起打桩阻力较大，为此经与现场共同探讨，确定将PHC管桩的沉桩控制标准调整为：沉桩以标高控制为主，贯入度作为校核，终锤贯入度取最后3阵，每阵10击，终锤分以下3种情况：1）当桩尖已达设计标高，平均贯入度≤8 mm/击时，可以终锤；2）当桩尖已达设计标高，平均贯入度＞8 mm/击时，应及时报监理工程师并与设计联系；3）当桩尖未达设计标高，且桩尖距设计标高≤1 m，平均贯入度以3 mm/击控制，可以终锤；当桩尖距设计标高＞1 m，应及时报监理工程师并与设计联系。
通过打桩实践证明试沉桩调整后的沉桩控制标准，对本工程余下基桩的沉桩更加适应。
4 检测
4.1 单桩竖向抗压静载试验
本工程单桩竖向抗压静载试验共计2根，桩号分别为B117和B96桩，试验采用慢速维持荷载法，依据试验可判定该桩竖向抗压极限承载力不低于7 000 kN[6]，满足设计要求。
4.2 高应变检测
本工程高应变检测共27根次[6]，其中17根桩初打检测得到的承载力为5 207～5 917 kN，10根次复打检测得到的承载力为7 014～7 598 kN，满足设计要求，桩身完整性均为100%。由于打桩时土体受到扰动，故通过复打、初打结果对比得到本工程区土体恢复系数为1.28～1.33。
4.3 低应变检测
本工程低应变检测共135根桩，均为Ⅰ类桩[6]。
5 结语
1）工程实践表明，在PHC管桩施工过程中，应注重研究当地地质条件、控制锤击贯入度，使管桩施工质量达到设计要求。
2）PHC管桩打入老黏土层时，宜设置钢桩尖，在基桩要贯穿较厚的中密砂层及硬黏土层时，沉桩难度较大，可采用PHC管桩与钢管桩组成的组合桩。
3）陆上施打PHC基桩往往都要焊接接桩，对桩基需贯穿较厚的中密砂层的情况，打桩需利用砂土的液化效应连续施打，因此管节的连接时间及强度较难得到保障，并且由于现场焊接质量良莠不齐，抗拔承载力难以保证，通过把抗拔桩与普通桩区别开，分别设计不同的填芯混凝土连接高度以及填芯钢筋数量，既确保了抗拔桩的抗拔承载力能够满足设计要求，又能节省部分普通桩的填芯混凝土的工程量。
4）对于PHC管桩桩基，宜采用多种方式进行检测。
[1]王振祝.澳门国际机场联络桥工程桩基施工中遇到的几个疑难问题与对策[J].水运工程，1995（2）：35-40. WANG Zhen-zhu.Knotty problems and measures in construction ofpile foundation for the contactbridge of Macao International Airport[J].Port&Waterway Engineering,1995(2):35-40.
[2]JTS 167-8—2013，水运工程先张法预应力高强混凝土管桩设计与施工规程[S]. JTS 167-8—2013,Code for design and construction for pretensioned spun high-strength concrete pile ofport and waterway engineering[S].
[3]宋杰.“PHC混凝土管桩结合超长钢桩靴”的应用及分析[J].建筑施工，2004，26（1）：20-22. SONG Jie.Application and analysis of PHC concrete pipe-pile combined with extra long steel pile shoe[J].Building Construction, 2004,26(1):20-22.
[4]JTS 167-4—2012，港口工程桩基规范[S]. JTS 167-4—2012,Code for pile foundation of harbor engineering [S].
[5]JTS 152—2012，水运工程钢结构设计规范[S]. JTS 152—2012,Code for design of steel structures in port and waterway engineering[S].
[6]天津港湾工程质量检测中心有限公司.海南洋浦港洋浦港区小铲滩作业区起步工程码头工程-桩基检测报告[R].2014. Tianjin Port Engineering Quality Inspection Center Co.,Ltd.Inspection reporton pile foundation in terminalprojectofpreliminary engineering at Xiaochantan operation area in Yangpu Port,Hainan [R].2014.
Optimal design and application for pile foundation of rear rail beam of gravity quay
CHEN Bo,SONG Lan-fang,WANG Guang-xian
（CCCC-FHDIEngineering Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510230,China）
Depending on one project which under construction in Hainan province,for the pile has to through medium dense sand layer and hard clay layer,we optimized the design,studied on designing the uplift pile connection of rear rail beam，and discussed some of the problems encountered in the piling process and the measures of solving them,which can provide design and construction
for the similar projects.
pile foundation of rear rail beam;optimal design;uplift pile
U652.74；U656.111
A
2095-7874（2015）12-0037-04
10.7640/zggwjs201512009
2015-07-04
陈波（1980—），男，广东高州人，硕士，高级工程师，主要从事港航工程设计及管理工作。E-mail：chenbo@fhdigz.com
