预制高强混凝土薄壁钢管桩在满堂式码头中的应用

◎ 章康 中交第三航务工程勘察设计院有限公司

许仁超 福建省福州港口发展中心水运工程质量安全技术站

1.满堂式桩基码头

满堂式高桩码头，通常采用桩基平台与接岸结构相结合的结构型式。这种结构型式在盐田、连云港等地区有许多成功应用案例。由于护岸施工完成后桩基施工难度较大，桩基先行施工，待桩基施工完成后进行桩间抛石形成接岸结构。为避免后实施的护岸结构对桩基的影响，桩基宜采用全直桩结构。

桩基结构桩型的合理选择是高桩式水工结构设计的关键。根据成桩的工艺，可以分为打入桩、灌注桩（嵌岩桩）。灌注桩（嵌岩桩）主要用于软土层厚度较小，下卧层以岩基为主的地基，具有截面惯性矩大、承载力高、对地基条件适应性好等特点，但桩基费用高，施工速度慢，需投入较多的成桩设备才能保证施工进度。当软土层较厚时，可优先采用打入桩，与灌注桩相比，其具有有施工工艺简单、施工速度快等优势。预应力方桩、预应力高强度混凝土管桩（PHC桩）、后张法预应力混凝土大管桩、钢管桩为最为常用的打入桩桩基形式。

2.TSC桩简介

预制高强混凝土薄壁钢管桩（TSC桩）是一种新型桩型，目前已在舟山等地区有较多的成功应用案例，技术成熟。其外壁为薄壁钢管桩，内壁为经离心工艺成型的混凝土强度不低于C80的素混凝土、预应力混凝土，内壁和外壁共同构成复合管桩。

3.工程案例应用

3.1 工程简介

福建某泊位工程，建设1个5万吨级多用途泊位，水工结构按照10万吨级集装箱船设计。相邻北侧已建码头采用沉箱重力式结构，南侧拟建码头采用高桩梁板结构。码头长325m（含38.18m北侧码头预留段），宽51.5m，顶高程10.0 m，码头前沿设计泥面-15.60m。码头平台上，前沿至岸桥后轨设计均载30kN/m2，后轨至码头平台后沿设计均载为40kN/m2。集装箱岸桥轨距30m，基距15.5m，轮距1.1m，8轮/腿，两台岸桥最小间距3m。工作状态最大轮压850kN/轮（海侧）、680 kN/轮（陆侧），非工作状态最大轮压1010 kN/轮（海侧）、1190 kN/轮（陆侧）。

根据地勘报告，距码头前沿70～180m后方已通过人工填石形成大面积陆域场地，部分场地已做堆场使用。海域区为海积层（稍密～密实的砂性土、流塑状淤泥、可塑状粉质粘土等），厚度40～48m，其下为强-中风化岩，下卧层中无明显有软弱土层分布。根据勘探揭露地层的地质时代、成因类型、埋藏深度、物理力学性质指标及其工程地质特征，自上而下依次为：抛填石①、细砂②、淤泥②-1、粉质粘土③、中砂③-1、黏土④、粉质粘土⑤、粗砂⑤-1、全风化花岗岩⑥、砂土状强风化花岗岩⑦、中风化花岗岩⑧。

考虑重力式结构持力层埋深较深，水工结构如采用重力式结构，基槽开挖回填量大，一方面将影响现场堆场的使用，另一方面会影响海洋环生态境。采用高桩结构不但可以减少上述影响，相比重力式结构还可以减少工程造价。

除了灌注桩外，由于本工程软土层较厚，桩基还可考虑打入桩。综合考虑设计船型及全直桩平台受力特性，在水平力作用下桩顶需承受较大弯矩，故本工程打入桩考虑钢管桩及TSC桩方案。在进行比较后，该码头满堂式全直桩方案采用的结构形式如下：码头平台采用高桩梁板式结构，桩基一般采用Φ1200mmTSC桩（每榀排架海侧4 根桩采用Φ1200mmTSC-P-II型（C型），钢管壁厚10mm，岸侧6 根桩采用Φ1200mmTSC-P-II型（C型），钢管壁厚14mm，桩壁厚均为150mm）、排架间距10m，每榀排架布置10根桩。根据现状，码头北侧已建码头预留沉箱，抛石层较厚，不具备打入桩条件，采用Φ1300mm冲孔灌注桩作为码头桩基结构基础。

3.2 设计桩力的比较

比选桩基结构分别选用Φ1300mm的灌注桩、Φ1200mm钢管桩（计算壁厚20mm），桩基布置数量及形式和TSC桩结构方案相同。在外部荷载相同的情况下，各结构均无拉桩，设计最大桩力、最大应力及设计最大桩弯矩如表1所示。因结构均采用全直桩，桩数及布置相同，Φ1300mm灌注桩、Φ1200mm钢管桩桩基结构的设计最大桩弯矩基本一致，Φ1200mm结构同一排架内采用两种不同壁厚的桩基，设计最大桩弯矩略大。另外，Φ1300mm灌注桩为实心混凝土结构，桩基自重大，Φ1200mm钢管桩、Φ1200mmTSC桩结构为空心，桩基自重小，所以在三种桩基结构中，设计最大桩力值最大，Φ120 0mm钢管桩最小，Φ1200mmTSC在两者之间。

经计算Φ1300mm灌注桩受力钢筋的配筋率近3.8%，Φ1200mm钢管桩的最大应力已接近钢材的强度设计值，桩基受力已近极限。但钢管壁厚10mm的Φ1200mmTSCP-II（C型），纯弯时抗弯强度设计值7298kN·m，钢管壁厚14mm的Φ1200mmTSC-P-II（C型），纯弯时抗弯强度设计值达8848kN·m。

3.3 水平荷载作用下位移的比较

实心的灌注桩的因截面惯性矩大，刚度大，TSC桩外壁为薄壁钢管，内壁为混凝土，截面惯性矩次之，且钢材弹性模量大于混凝土的弹性模量，刚度较大，钢管桩壁厚远小于TSC桩的总壁厚，截面惯性矩最小，刚度也最小。在本工程中，对比采用相同桩数、桩基布置下Φ1300mm的灌注桩、Φ1200mm钢管桩和TSC桩结构，在船舶靠岸撞击力作用下的位移对比可知（表2），应用Φ1200mmTSC桩结构产生的水平位移显著小于Φ1200mm钢管桩结构的水平位移，略大于Φ1300mm灌注桩结构的位移。

表1 采用不同桩基结构的设计桩内力

表2 船舶靠岸撞击力作用下采用不同桩基结构的水平位移

3.4 造价的比较

本工程三种桩基结构的持力层均选为强风化～中风化花岗岩，各桩基结构的桩长相近，桩基制作及施工的费用，直接决定了三种方案的实际造价。因桩基数量一致，本文只需比较单根桩的不含税市场价(元)。

灌注桩虽然在材料费用上的成本低于钢管桩和TSC桩，钢护筒只需简易防腐，成本低，但其需要进行施工平台施工，钻孔并设置钢护筒，总的单桩成本高于其他桩型。TSC桩的成品外购费用低于钢管桩，且无需施工平台、钻孔、钢护筒，单桩成本低于其他桩型，本工程共使用260根TSC桩，相较其他桩型经济优势明显。

3.5 施工方面的比较

码头平台桩基采用灌注桩，其施工工艺繁杂，需要搭设施工平台、设置钢护筒、钻孔、清孔、吊放钢筋笼骨架、灌注水下混凝土等，各工序均在水上进行，施工周期比较长。质量方面，要控制混凝土浇筑前孔底沉渣厚度，保证单根灌注桩的混凝土连续浇筑，桩身无断层或夹层。

4.结论

对于桩基采用全直桩的满堂式高桩码头，需要保证桩基具有抗弯能力强，当选用打入桩时还需要确保其具备耐锤击性能好的特点。除了传统的灌注桩、钢管桩作为桩基外，TSC桩因其兼具钢管桩及混凝土管桩的优点，不但具备上述特点，价格又低于钢管桩。