黄骅港某码头工程中的桩基设计方案比选

郝刚 王馨

摘 要：通过对黄骅港某码头工程两种桩基方案中预应力混凝土空心方桩与PHC桩抗弯性能、抗剪性能、抗冻性能的比较，最终选用预应力混凝土空心方桩作为本工程实际的桩基方案。

关键词：黄骅港 抗弯 抗剪 抗冻 冰荷载 耐久性

1.工程概况

本工程为黄骅港某10万吨级码头工程桩基工程。工程地点位于河北省渤海湾西南岸，大口河河口外北侧海区。拟建工程场地第四系覆盖层厚度较大，下伏基岩埋藏较深，覆盖层多为淤泥、粘土、粉土等可塑性土层。另外由于黄骅地区缺少砂、石等回填材料，码头结构也不宜考虑需要大量回填料的重力式和板桩式等结构型式，拟建码头宜采用桩基形式。

桩基码头目前常用PHC桩和预应力混凝土空心方桩。PHC管桩一般为C80高强混凝土经离心工艺成型的桩，承载力较高，混凝土抗冻性较好。预应力混凝土空心方桩是一种结合了预应力空心管桩与混凝土预制方桩的特点而产生的新型桩。它不仅保持了管桩的混凝土强度高、材料成本节约、施工方便等优点，同时也具备了方桩的抗弯能力强、抗剪强度高、抗冻性好的优点。两种桩型在北方地区均有应用。

本工程主体桩基础拟采用650mm×650mm的预应力混凝土空心方桩方案和Φ800mmPHC桩方案进行比选。

方案一：桩基为6 5 0 m m×650mm预应力混凝土空心方桩， 混凝土C50F300。前方承台排架间距为6m，每個标准排架6根桩，其中包括2对叉桩，1对双直桩，桩底标高-55.0m～-58.0m。

方案二：桩基为Φ800mm PHC桩（斜桩为C型，直桩为B型），混凝土C80F300。承台排架间距为6 m，每个标准排架6根桩，其中包括2对叉桩，1对双直桩，桩底标高-55.0m～-58.0m。

两方案上部结构相同（码头断面图见图1），桩端持力层均为灰褐色、含少量云母片，切面较光滑，无摇震反应，呈饱和、可塑状态粉质粘土。工程地质情况各土层指标见表1所示。

2.桩基承载力计算

2.1 截面尺寸比较

两种桩的截面尺寸见表2.

根据表2可知，6 5 0 m m×650mm预应力混凝土空心方桩与φ8 0 0 m m PHC桩外周长基本相当，而650mm×650mm预应力混凝土空心方桩截面积稍大，比φ800mmPHC桩大20%。

2.2 桩基承载力计算

根据《建筑桩基规范》（JGJ94-2008）混凝土空心桩单桩竖向极限承载力标准值，可按下列公式计算：

根据地质剖面，选用7-2粘土层为持力层，桩端阻力标准值为2350kPa，经过计算，两种桩的单桩竖向极限承载力标准值比较见表3。

由表3计算结果可以得出，650mm×650mm预应力混凝土空心方桩单桩竖向极限承载力标准值与φ800mmPHC桩相当。

因此，所在工程主体桩基础采用 650mm×650mm的预应力混凝土空心方桩方案和φ800mmPHC桩方案进行设计比较，具有可行性。

3.方案比较

3.1抗弯性能比较

3.3抗冻性能比较

本工程所在地区地处华北平原，冬季常受寒潮侵袭，产生海冰。在冰封期，大范围的海冰对近海建筑物产生的破坏力不可逆转、危害较大，对码头桩基的抗冻性能研究在北方严寒地区工程中十分必要。

3.3.1近年冰情及影响

根据该地区海冰实测资料分析统计，本区初冰日在12 月上旬，盛冰日在12 月下旬，融冰日在2 月下旬，终冰日在3 月上旬，总冰期91 天，盛冰期58 天。流冰厚度最大0.2m，流冰速度一般为0.3～0.4m/s，流冰方向主要集中在偏西（WNW、W、WSW）和偏东（ENE、NE）两个主方向。

自2009 年12 月下旬以来，受频繁冷空气影响，北方地区主要港口都遭遇了严重的海冰灾害。黄骅港海域自2010 年元旦开始港池及航道内出现大面积浮冰，1 月受大风降温影响，迅速进入严重冰期。冰情严重时黄骅港港池内冰厚多数在50cm 左右，在港池死角处出现了厚度为1m以上的堆积冰，船舶进出港及靠离泊都极为困难。

3.3.2冰荷载作用

海冰产生的冰荷载是北方严寒地区水工建筑物设计时考虑的主要荷载之一，冰荷载作用主要包括局部挤压力、撞击力、摩擦力、因水位变化产生的竖向力和因水温变化产生的膨胀力。根据本工程桩基所处位置及使用要求，冰荷载主要考虑冰排挤压力、浮冰产生的撞击力和水位上升时对桩产生的竖向力。

①根据《港口工程荷载规范》JTS144-1-2010，冰排在直立桩前连续挤压破碎时，产生的极限挤压冰力标准值：

FI=ImkBHσc （4）

F I——极限挤压冰力标准值（kN）；

I——冰的局部挤压系数；

m——桩、墩迎冰面形状系数，方形可取1.0，圆形取0.9；

k——冰与桩、墩之间的接触条件系数，可取0.32；

B——桩、墩迎冰面投影宽度（m）；

H——单层平整冰计算冰厚（m），本工程取0.5m；

σc——冰的单轴抗压强度标准值（kPa），本工程取1.99Mpa。

3.3.3抗冻性及其措施分析

冰荷载对两种桩基的作用力相当，经计算两种桩型均能承受冰荷载的作用。

不可忽视的是，PHC管桩桩头为空心截面，其浮浆较多。在桩基施打过程中，PHC桩桩头容易产生竖向裂缝。桩头又多处于水位变动区，在冰凌期，桩头裂缝会加剧开展，从而影响桩的耐久性。為了避免这类问题，目前常用在管桩桩身外包玻璃钢符合材料等防护措施来提高桩的抗冲击强度和耐久性，玻璃钢外包层一般设置在设计高水位以上0.5m至设计低水位以下1m的范围内，外包层玻璃钢防护在一定程度上增加了工程造价，影响施工进度。

预应力混凝土空心方桩桩顶6m范围一般为实心段，抗打击性相对较强，耐久性较好，冰凌期可不采用防护措施，减少防护措施费用，提高施工进度。

3.4经济性比较

本工程中桩基础部分每延米单价为， 650mm×650mm预应力混凝土空心方桩约25.87万元/米（含防腐费用）。φ800mmPHC管桩约24.43万元/米，若虑抗冻防护措施费用，φ800mmPHC管桩每延米单价25.08万元/米。可见，此工程中φ8 0 0 m m PHC管桩与650mm×650mm预应力混凝土空心方桩方案，造价相差不大。

4.结论

（1）与φ800mmPHC管桩比较，650mm×650mm预应力混凝土空心方桩在抗弯性能、抗剪性能方面有明显的优势。

（2）650mm×650mm预应力混凝土空心方桩与φ800mmPHC管桩均能承受冰荷载的作用。但由于冰凌期水位变动区处于方桩桩头混凝土实心段，相较于PHC管桩空心桩头，预应力混凝土空心方桩抗冻性更强，且节省了防护措施费用，有利于推进施工进度。

（3）由于预应力混凝土空心方桩桩顶6m范围一般为实心段，抗打击能力相比φ800mmPHC管桩较强。

综上所述，两种方案造价相当，但与φ8 0 0 m m P H C管桩比较，650mm×650mm预应力混凝土空心方桩耐久性、抗冻性、抗打击能力更强。故本工程采用650mm×650mm预应力混凝土空心方桩作为基桩。

目前基桩施工已完成。根据对6根试桩进行初打和复打高应变动力检测结果表明：桩身完整；初打检测单桩竖向承载力最大值为5329kN，最小值为3912kN；经8～10天桩周土体恢复后复打检测单桩竖向承载力最大值为7703kN，最小值为7344kN；初复打桩的土体恢复系数最大值1.96，最小值1.44。桩身完整性及承载能力均符合规范标准、满足设计要求，经过冬季冰凌期检验桩身完好。

实际上，650mm×650mm预应力混凝土空心方桩在天津港及黄骅港5～10万吨级码头建设中已得到广泛应用，积累了丰富经验。本工程采用650mm×650mm预应力混凝土空心方桩桩基方案符合工程实际、效果良好，适宜在类似工程中推广。

参考文献：

[1]JGJ94-2008，建筑桩基规范[s].

[2]龚沛，预应力混凝土空心方桩在实际工程中的应用[J]，山西建筑，2010.6.

[3]凌应轩等，预应力混凝土管桩剪切承载力计算方法[J]，地基与基础，2007.1.

[4]芦志强，吴澎，曹妃甸矿石码头一期工程冰荷载研究[J].水运工程.2006.10.

[5]汪冬冬，许礼雍，王成启，大管桩和PHC管桩在北方港口码头工程中的应用前景[J].水运工程.2013.1.

[6]JTS144-1-2010，港口工程荷载规范[S].