高压旋喷桩在重力式沉箱码头设计中的应用研究

张晋恺，李 健，白金浩，黄明俊

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

关键字：高压旋喷桩；软基加固；沉箱码头

引 言

高压旋喷桩技术可应用于水运工程中的软基加固、止水防渗以及减小结构后方土压力等[1]。以厦门港海沧港区 22#～24#泊位工程为例，码头结构标准段采用“沉箱+抛石基床”方案，为尽量减少码头施工时对厦漳大桥桥墩的影响，桥墩附近处码头结构选用“沉箱+高压旋喷桩基础”方案。本文通过理论计算，进一步研究高压旋喷桩在重力式沉箱码头设计中的可行性。

1 依托项目背景

本文依托项目为厦门港海沧港区某泊位工程，该工程位于九龙江河口湾北岸，其东侧为已建20#～21#泊位，西侧为规划建设的通用泊位。厦漳大桥横穿厦门港海沧港区该泊位码头及陆域部分，其中北汊主桥的北桥墩海侧边线距离码头前沿线约46 m。

本工程码头为重力式沉箱结构，标准段基床采用大开挖换填块石处理方案。因厦漳大桥桥墩的存在，为减少码头施工及使用时对桥墩的影响、节省投资，桥墩附近的码头结构方案需重新进行选型论证。

2 码头结构方案选型

码头结构考虑“沉箱+抛石基床”和“沉箱+高压旋喷桩基础”两种方案进行比选。

2.1 “沉箱+抛石基床”方案

1）结构方案

沉箱顶高程3.0 m，单个沉箱底宽14.35 m、纵向长18.21 m，设置前趾（长度为1.2 m），每个沉箱重约2 200 t。沉箱内底部填砂，顶部回填10～50 kg块石。沉箱上部现浇钢筋混凝土胸墙，码头后抛填抛石棱体。棱体后设置土工布、混合倒滤层及二片石垫层。沉箱底部基床为10～100 kg块石。为降低造价，基床下部的基槽根据承载力开挖至密实的粗砂混卵石层。由于抛石基床较厚，在满足应力要求的基床面以下，采用夯实处理后的开山石。

2）存在主要问题

北汊主桥桥墩位于拟建码头的 24#泊位，其中主桥墩海侧边界距离码头前沿线仅为46 m，桥墩处码头结构若采用“沉箱+抛石基床”方案，基槽开挖底高程约29 m，基槽开挖施工时北汊主桥墩底部土体会被部分挖除，桥墩海侧边界处开挖深度约15 m，码头开挖断面如图1所示。

图1 “沉箱+抛石基床”码头断面示意

2.2 “沉箱+高压旋喷桩基础”方案

1）结构方案

为尽量减少基槽开挖对桥墩的不利影响，码头采用“沉箱+高压旋喷桩基础”结构，岸坡同样进行高压旋喷桩加固。本方案先对码头基床底部以及桥墩还海侧的三面进行高压旋喷桩防护，后进行基槽和岸坡开挖。码头地基处理方式由大开挖换填改为高压旋喷桩，基槽开挖深度可抬高至-14.6 m，后方边坡在此基础上进行开挖，底部坡度 1:2，顶部淤泥质土坡度 1:4。基槽开挖后进行顶部抛石基床施工，基床施工完成后进行沉箱安放及上部结构和后方回填施工。沉箱及上部结构同“沉箱+抛石基床”方案。本方案施工过程中辅以相应的检测措施，码头断面及桥墩防护范围如图2、图3所示。

图2 “沉箱+高压旋喷桩基础”码头断面示意

图3 桥墩处高压旋喷桩处理平面

2）存在主要问题

本方案需先进行高压旋喷桩施工，后进行岸坡和基槽开挖。为保证成桩质量，高压旋喷桩施工时按陆上施工考虑，实施前需先回填泥面高程至施工水位以上，由于基床底高程较低，高压旋喷桩实施效果有待于进一步验证。

2.3 码头结构方案选型

桥墩处码头结构采用“沉箱+抛石基床”方案时，桥墩周边土体会被不均匀挖除。经与大桥设计单位沟通，桥墩附近土体不允许直接开挖，故抛石基床方案在桥墩处不可行，桥墩处码头选用“沉箱+高压旋喷桩基础”方案。

3 码头结构方案优化

3.1 高压旋喷桩处理深度优化

1）地质条件

工程所在位置处的土层上部为海相成因的淤泥混砂、中砂、淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土，中部为海陆交互相的粘土、粉质粘土及陆相成因的残积土，下部为全、强、中风化花岗岩。

地层结构自上而下依次为：①1淤泥混砂、①2中粗砂、淤泥夹层、②1淤泥、②2淤泥质粘土、③1粘土、③2粉质粘土、③3粗砾砂、③4圆砾混卵石、④残积土、④1全风化岩、④2强风化花岗岩、⑤中风化花岗岩。

表1 各岩土层地基容许承载力

2）高压旋喷桩处理深度优化

标准段码头主要选用③4圆砾混卵石（局部③3粗砾砂）作基础持力层，桥墩处码头基础采用高压旋喷桩处理，可根据整体稳定性计算初步判定桩底高程。稳定按平面问题考虑，假定滑动体是刚体，滑动面是圆弧面，计算公式及水位按“港口工程地基规范（JTS 147-1-2010）”采用未处理土体采用快剪强度指标，高压旋喷桩处理区域综合土体强度指标取c=271 kPa，Φ=31°。高压旋喷桩处理至③4圆砾混卵石和③2粉质粘土层时，计算结果如图 4所示。

通过计算得知，高压旋喷桩的处理深度仍需达到③4圆砾混卵石层，当处理深度提升至③2粉质粘土层层，码头结构不满足整体稳定性要求。

图4 整体稳定计算1

3.2 旋喷区域综合土体指标优化

根据3.1节的计算结果，高压旋喷桩处理区域综合土体强度指标取c=271 kPa，Φ=31°时，码头整体稳定抗力分项系数为 1.402，满足规范要求。降低旋喷桩处理区域土体综合强度指标，经反复试算，当码头结构整体稳定抗力分项系数不低于 1.0时，得到优化后的土体强度指标c=200 kPa。其中，试算结果如图5所示。

图5 整体稳定计算2

3.3 高压旋喷桩平面布置优化

1）单桩竖向承载力特征值

单桩竖向承载力特征值若无现场载荷试验时，可按照以下两公式分别估算桩周土和桩端土的抗力所提供的单桩承载力及桩身材料强度确定的单桩承载力后取小值[2]。

单桩承载力（桩身强度提供）计算公式如下：

式中：

Ra为单桩竖向承载力（kN）；

fcu为相同配比室内试块 28 d立方体抗压强度均值（kPa），取3 000 kPa；

η为桩身强度折减系数（湿法取0.25～0.33），本文取0.3；

Ap为桩身面积（m2）。

单桩承载力（桩周土和桩端土抗力提供）计算公式如下：

式中：

Ra为单桩竖向承载力（kN）；

up为桩体周长（m）；

qsi为土层侧阻力（kPa）；

li为土层厚度（m）；

qp为土层端阻力（kPa）；

Ap为桩身面积（m2）。

2）复合地基承载力

竖向承载旋喷桩复合地基承载力特征值若无现场载荷试验，也可按下式估算[2]：

式中：

fspk为复合地基承载力特征值（kN）；

m为面积置换率；

Ra为单桩竖向承载力特征值（kN）；

Ap为桩身面积（m2）；

β为折减系数，宜按经验取值（无经验时可取0.75～0.95），承载力高时取大值；

fsk为处理后桩间土的承载力特征值（kPa），缺乏经验时可用天然地基承载力代替。

3）旋喷桩平面布置优化

根据前文计算，高压旋喷桩处理深度需至粗砂混卵石层。通过假定高压旋喷桩的置换率，分别验算高压旋喷桩处理土体的单桩竖向承载力，以及高压旋喷桩处理区域复合地基承载力，当复合地基承载力满足规范要求时确定的面积置换率对应高压旋喷桩最优平面布置。

通过反复试算，当旋喷桩直径D=1 m、桩体间距L=1.2 m（面积置换率m=0.545）时，复合地基承载力特征值fspk=516 kPa；当旋喷桩直径D=1 m、桩体间距L=1.5 m（m=0.349）时，fspk=347 kPa；本工程沉箱码头基底应力最大值为 502 kPa，为保证安全，同时考虑施工可行性，本工程旋喷桩直径取1.0 m，优化后桩体中心距取1.2 m。实际工程应用时，应结合现场试验确定相应计算参数的合理性。

4 结 语

高压旋喷桩主要应用于水运工程中的软基加固、止水帷幕、减小结构后方土压力等。本文为尽量减少码头施工时对大桥桥墩的影响，桥墩附近处码头结构采用“沉箱+高压旋喷桩基础”方案。该方案通过整体稳定性计算确定旋喷桩处理深度及旋喷桩综合强度指标，通过复合地基承载力计算进一步优化旋喷桩的平面布置，从而确定高压旋喷桩在重力式沉箱码头设计中的理论可行性。本文研究为重力式沉箱码头基础处理方式提供一种新的设计思路，对相似工程设计具有一定的参考意义。