硬质夹层深厚软基钢管桩设计

郑清松

(福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004)

1 前言

以高桩梁板式码头为代表的高桩码头， 在沿海港口工程中得到广泛应用。尤其在软土覆盖层深厚的湾区，高桩码头以其结构可靠、工艺成熟、造价经济、施工环保、对水域生态影响较小等多方面优势成为沿海大型港口工程的主流结构形式。 常规码头桩基类型主要有预制混凝土桩、钢管桩、灌注桩等，其中钢管桩以其强度高、延性好、穿透性强等特点运用于各种复杂地基。 结合福建某码头工程， 探讨应用于含硬质夹层深厚软基的钢管桩设计参数，为类似工程设计提供借鉴。

2 工程概况

实例工程位于福州港三都澳港区，新建5 万吨级通用泊位1 个，水工结构按靠泊10 万吨级散货船设计，码头平台及接岸引桥均采用高桩梁板式结构。工程海域区地貌属滨海沉积地貌，后方陆域为构造剥蚀丘陵地貌[1]。码头平台区地质复杂，地势由南往北倾斜，坡度陡，基岩埋藏较深，但埋藏深度较为平缓；引桥区域基岩岩面高程变化较大，砂土状强风化花岗岩层面标高由海侧至岸侧抬升近50 m。

码头平台区域主要地层结构自上而下依次为： 淤泥层、淤泥质土层、砂土状强风化花岗岩层、碎块状强风化花岗岩层、中风化花岗岩层。 其中以淤泥层、淤泥质土层组成的软土深厚，层厚27～40 m，物理力学特性极差，标贯击数小于2 击； 软土层中揭露碎石夹层， 该夹层厚度2～14 m，重型动力触探平均击数13 击，属中密碎石土。淤泥质土下卧土层为浅薄的砂土状强风化层及碎块状强风化层，平均层厚不足2 m。

3 钢管桩设计

3.1 桩基选型

桩基选型的主要因素包括：①码头平台设计荷载，桩基需具备较大抗弯能力；②软土层深厚，提供桩基侧摩阻力有限；③软土层中的碎石夹层密实度高、局部厚度大，桩基需具备良好贯穿能力。

码头桩基结构可供选择的成熟桩型主要有预应力砼方桩、钻孔灌注桩、PHC 桩、大管桩及钢管桩。结合该工程特点，因预应力方桩抗弯能力不足、PHC 桩及大管桩穿透能力有限、钻孔灌注桩投资大工期长，实例工程最终选用钢管桩作为码头平台的桩基。

3.2 常规桩尖形式

近年来钢管桩在港口工程中大量使用， 合理选择钢管桩桩尖形式成为设计过程中的重要研究内容。 钢管桩桩尖类型主要分为敞口及半敞口， 敞口桩即桩尖不设内隔板， 半敞口桩即在桩尖内部增设隔板， 桩尖形式见图1。 桩尖的选择直接决定桩体的穿透能力及桩端承载力，敞口桩主要缺点是通过桩尖土芯闭塞效应产生的桩端承载力较小，半敞口桩劣势是沉桩时穿透性较差、实施较为困难。因此在桩基码头桩尖确定时需合理平衡地质因素、码头荷载及经济性。

图1 钢管桩桩桩尖形式

3.3 含硬质夹层土体的桩尖型式

工程区深厚软土层中夹杂中密碎石土层。 碎石土夹层厚度大、密实度高、下卧软土层力学性能极差，系典型含硬质夹层深厚软基。 码头桩基需穿透该硬质夹层及其下卧软土层至基岩持力层，对桩基的贯穿能力要求较高，因此桩基的穿透性能是桩尖形式选择的决定性因素。 结合对桩基沉桩性能及硬质夹层力学特性的判定， 优先考虑敞口桩或者穿透性能良好的半敞开桩， 保证码头结构安全性、沉桩施工可行性。

3.4 桩基承载能力确定

码头工程设计中的桩基承载力的确定主要参照 《码头结构设计规范》[2]及《建筑桩基技术规范》[3]。

3.4.1 根据《码头结构设计规范》确定桩基承载力

利用经验参数法确定钢管桩的轴向抗压强度承载力设计值：

式中，U 为桩周身长度；A 为桩尖截面面积；li为桩在各土层中的长度；qfi为桩在各土层中的极限侧摩阻力；qR为桩端极限阻力；η 为承载力折减系数，具体确定方式见表1。

表1 《码头结构设计规范》中桩端承载力折减系数

表1 中承载力折减系数仅考虑黏性土桩内土芯及桩径对桩端土塞效应系数的影响， 未考虑持力层为风化岩或密实砂层的桩端承载能力折减系数， 对于复杂地质的适用性有限。

3.4.2 根据《建筑桩基技术规范》确定桩基承载力

采用经验系数法确定钢管桩单桩竖向极限承载力标准值：

式中：u 为桩的周长；qsik为桩周第i 层土侧摩阻力；li为第i 层土厚度；qbk为桩端土极限端阻力；Ap为桩端投影面积；D 为钢管桩外径；λp为桩端土塞效应系数。 上式中桩端土塞效应系数管桩的计算仅考虑桩端持力层的土塞效果， 未考虑持力层有深厚上覆土体时桩内土芯对土塞效应的加强。因此在软基层深厚的地质条件下，按照公式(2)计算的承载力标准值偏保守。

3.4.3 深厚软基中桩基承载力的确定

在地质复杂的桩基码头工程中， 如按上述规范确定应用于深厚软基的敞口钢管桩承载能力，在适用性、合理性上均显不足。 根据王君辉等[4]的研究，钢管桩沉桩时土体进入钢管桩内形成土芯， 土芯稳定即土体无法继续进入桩体时达完全闭塞状态。依照以上原则，在考虑钢管桩内土芯对闭塞系数的增强影响，对应用于深厚软基、持力层为强风化层的敞口式钢管桩桩端承载力的计算方式进行修正。

(1)计算原则

桩周侧摩阻力计算原理成熟，借鉴公式(2)进行计算。桩端承载力的计算主要修正桩端土塞效应系数的选取。针对深厚软基地质， 桩端土塞效应系数可以视为桩体内黏性土土芯相对于管壁移动时的摩擦力形成的竖向阻力PL与桩端处岩基的极限承载能力Ru的比值， 当PL≥Ru则桩端完全封闭，桩端土塞效应系数取1.0。 修正桩基承载力计算公式为：

式中：f=PL/Ru，f≥1.0 时取f=1.0。

(2)PL的确定

根据闫澍旺等[5]的研究，采用应用广泛的山原法进行推导，当钢管桩穿透的土体由多层土层组成，桩内土芯也呈成层状分布。

式中：c 为黏性土的粘聚力；φ 为黏性土的内摩擦角；Υ 为土的有效容重；k 为土的侧向压力系数；μ 为砂土与管壁的摩擦因数；A0为管内横截面积。

令K=μk，其推荐指标范围如表2 所示。

表2 SY/T1009-1993K 的计算系数K 推荐表

敞口钢管桩内土芯竖向总阻力值为：

3.4.4 实例工程的桩基承载能力确定

(1)桩体参数

实例工程采用外径1.2 m 的敞口式钢管桩作为码头基桩，壁厚d=22 mm，桩身周长U=3.77 m，管内横截面积A0=1.05 m2，桩基持力层为碎块状强风化花岗岩。 选取2根试桩位置K4、K22 进行桩基承载力的计算， 桩基入土深度约40 m，土层参数见表3。

表3 土体主要物理力学性质指标建议取值表

(2)按《建筑桩基技术规范》计算桩基承载力

桩基承载力计算结果如表4 所示。

表4 规范桩基承载力计算结果

计算结果表明，按规范桩端土塞效应系数取值偏小，致桩基承载力偏小， K4、K22 桩位承载力不能满足设计桩力要求，需增加排架桩数或增大桩径。

(3)按修正法计算桩基承载力

按考虑桩体内土芯作用的修正法公式(3)～(6)计算桩基承载力，结果见表5。

表5 修正法桩基承载力计算结果

计算结果表明， 根据修正法计算的桩基承载力满足桩基承载力设计要求。 当1.2 m 直径敞口钢管桩入土深度近40 m 时，其桩端土塞效应有大幅度提升。

在深厚软土地基的设计中， 尤其在持力层坚硬且上覆土层性状较差的不利地质情况下， 如仅通过桩基进入持力层深度进行桩端土塞效应系数的判别， 设计参数过于保守，或造成桩基投资不必要的投资浪费。

4 试桩高应变检测结果

为验证修正法计算得出的桩基承载力， 对试桩位K4、K22 进行高应变检测。 检测结果[6]与计算结果对比情况如表6 所示。

表6 高应变检测及结果比较

采用规范计算的桩基承载力结果与高应变检测结果偏差值大于30%； 采用修正算法计算的桩基承载力偏差比率很小，与桩基高应变检测结果相近。 因此，当钢管桩应用于深厚软基时， 建议采用上述修正法进行敞口钢管桩桩基承载力的计算。

5 结论

(1)工程设计中，对应用于含硬质夹层深厚软基的钢管桩应充分认识地质条件的特殊性，避免按照规范盲目确定桩基设计参数，尤其是桩尖形式和桩端土塞效应系数。

(2)应用于该类型地质的钢管桩应合理确定其桩尖形式，桩基需穿透硬质夹层及其下卧软土层至基岩持力层。故桩基的穿透性能是桩尖形式选择的决定性因素， 建议在有硬质夹层的深厚软基地质条件下， 设计选择敞口桩或者穿透性能良好的半敞开桩。

(3)敞口钢管桩在确定其桩端土塞效应系数时，应充分考虑上覆土体对桩内土芯土塞效应的强化， 合理选择桩基桩径、壁厚及持力层，以优化设计、合理节约项目投资。