刚性桩复合地基和复合桩基在重力式码头中的应用

吴晓龙

（中铁建苏州设计研究院有限公司，江苏 苏州 215000）

提要：在某重力式码头设计过程中，分别采用刚性桩复合地基方案和复合桩基方案解决地基承载力不足的问题，总结了两种方案的主要计算过程和计算理论，供类似设计参考。

引 言

现行《码头结构设计规范》（JTS 167-2018）指出，重力式码头地基承载力不足时可采用桩基，但水运行业相关规范并未给出采用桩基时地基承载力的计算方法。重力式码头采用桩基础时，桩基位于泥面以下，参考其他相关行业规范，常规的计算理论有《建设地基处理技术规范》（JGJ 79-2011）中的复合地基理论和《建筑桩基设计规范》（JGJ 94-2008）中考虑承台效应的复合桩基理论。

刚性桩复合地基是部分土体被刚性桩置换而形成的由地基土和刚性桩共同承载荷载的人工地基；复合桩基是由基桩和承台下地基土共同承担荷载的桩基础。二者的不同之处在于：前者上部荷载主要由桩间土承担，后者上部荷载主要由基桩承担。

刚性桩复合地基通过桩体将承受的上部荷载向下层土体传递，减小了桩间土的荷载，提升了复合地基的承载力。刚性桩复合地基通常会在桩顶与上部结构之间铺设一定厚度的褥垫层，褥垫层具有减小基础底面的集中应力，调整桩土荷载分担比，保证桩土共同作用的功能。

复合桩基桩顶与上部结构直接相连，摩擦型群桩在竖向荷载作用下，由于桩土相对位移，桩间土对承台产生一定的竖向抗力，成为桩基竖向承载力的一部分而承担荷载，该效应成为承台效应。复核桩基上部荷载主要由基桩承担，承台底部桩间土体承担的荷载占比受桩间土类型、桩中心距、桩长等因素影响。

1 基础资料

拟建工程位于某内河，为工作船码头。主要设计资料如下：

1）设计高水位20.60 m；设计低水位13.70 m。

2）地面均载20 kPa。

3）船舶系缆力150 kN。

4）抗震设防烈度为 6度，设计基本地震加速度值为0.05g。

5）设计采用某钻孔资料，主要指标如表1。

表1 各地层指标统计

2 上部主体结构设计

根据设计基础资料及使用要求，拟定上部结构采用重力式现浇混凝土结构，码头断面采用衡重式，码头前沿顶高程 21.60 m，码头前沿底高程9.60 m，现浇混凝土墙身高 12.0 m，墙身底宽6.60 m。墙身底部设置厚1.30 m的现浇钢筋混凝土基础板。基础板底宽9.0 m。

图1 上部结构设计示意

根据《水运工程地基设计规范》（JTS 147-2017）采用对数螺旋滑动面按条分法进行计算，地基承载力主要计算结果如表2。

按上述计算结果，码头结构重要性系数取1.0，地基承载力抗力分项系数计算值最小值为1.65，不能满足规范要求（规范要求分项系数2.0～3.0），需要对原地基进行处理。基础板底部荷载计算结果如表3。

表2 地基承载力主要计算结果

表3 基础板底部荷载计算结果 /kPa

3 刚性桩复合地基方案

3.1 地基承载力验算

基础底面的压力，应符合下列规定[1]：

式（1）、（2）中各符号解释详见文献[1]。

根据本文第 2节计算结果，最不利组合情况下，pk=（149.5+251.7）/2=200.6 kPa，pkmax=251.7 kPa。综合上述公式（1）、（2），为满足地基承载力要求，本工程修正后的复合地基承载力需满足条件fa≥209.7 kPa。

3.2 复合地基承载力特征值

修正后的地基承载力特征值按下式计算[1]：

式（3）中各符号解释详见文献[1]。

根据文献[2]3.0.4条，基础宽度的地基承载力修正系数ηb取0，基础埋深的地基承载力修正系数ηd取1.0。为简化计算，忽略褥垫层厚度，本工程基础埋深d为1.3 m，基础底面以上土的加权平均重度γm近似取10.0 kN/m3。将以上数据带入公式（3），修正后的地基承载力特征值计算公式为：

复合地基承载力特征值按下式计算[2]：

式（5）、（6）中各符号解释详见文献[2]。

设计桩基采用PHC-400-AB型管桩，等边三角形布置，桩距1.2 m，基础底面以下桩长12.0 m。上式中系数λ、β、ap均取1.0。经计算面积置换率m=0.10，Ra=470.2 kN， fspk=485.0 kPa。

综上，fa=493.0 kPa≥209.7 kPa，复合地基承载力满足要求。

4 复合桩基方案

4.1 桩基竖向承载力验算

偏心竖向力作用下，桩基竖向承载力计算应符合下列要求[3]：

式（7）、（8）中各符号解释详见文献[3]。

根据本文第 2节计算结果，pk=200.6 kPa，pkmax=251.7 kPa。

设计桩基型号及布置方案与复核地基方案相同。经计算，单根桩分担的面积为 1.25 m2，基桩平均竖向力和最大竖向力为：Nk=200.6×1.25=250.8 kN，Nkmax=251.7×1.25=314.6 kN。

综合式（7）、（8），为满足桩基竖向承载力要求，本工程复合基桩竖向承载力需满足条件R≥262.2 kN。

4.2 单桩竖向承载力特征值

考虑承台效应的复合基桩竖向承载力特征值按下列公式计算[3]：

式（9）、（10）、（11）中各符号解释详见文献[3]。

经计算，式中各参数值为：Ra=470.2 kN，ηc=0.10，fak=120 kPa，Ac=1.12 m2，将各参数代入式（9）可得R=489.1 kN。

综上，R=489.1 kN≥262.2 kN，复合基桩竖向承载力满足要求。

5 结 语

虽然在拟定的桩基设计参数条件下两种方案均能满足地基（桩基）承载力要求，但采用复合地基方案安全储备（493.0/209.7=2.35）要优于复合桩基方案（489.1/262.2=1.87）。主要原因在于，采用复合地基方案，在褥垫层的作用下，原地基土能相对较大的发挥其承载力，特别是采用挤土桩时，桩间土承载力发挥系数较高（可达0.9～1.0）。而复合桩基方案由于没有褥垫层，上部荷载直接作用于桩基上，承台效应系数（承台底面地基土承载力发挥率）较小，特别是在桩距较小的情况下（本工程仅约0.10），桩间土所起的作用有限。因此，在同等条件下按承载力控制设计，刚性桩复合地基经济性要优于复合桩基。