组合桩在福州港白马港区湾坞作业区8#泊位工程的应用研究

陈 松

(福建省港航勘察设计院有限公司 福建福州 350002)

1 工程概况

该项目位于宁德地区福安市湾坞乡半屿村西侧，介于福州与温州之间，东临台湾海峡北口，是江西上饶在福建投资建设的飞地港。该工程新建5万吨级通用泊位1个，码头年货物吞吐量合计为200万吨，设计年通过能力230万吨。

根据钻孔资料显示，码头、栈桥区土层自上而下，分别为淤泥、粉质粘土、卵石、含卵石粉质粘土、碎块状强风化花岗岩、中风化花岗岩，其中淤泥层厚21 m～33 m，卵石层层厚2.10 m～17.60 m(土层呈浅灰、灰黄色，卵石岩性主要为凝灰熔岩，呈中风化状，卵石含量约占50%～60%，粒径一般在30 mm～60 mm之间，个别粒径可达120 mm，卵石呈次圆状，级配较差，泥砂充填，胶结较差，局部卵石含量较少均匀性较差，冲洪积成因。稍密-中密，饱和)。且卵石层底下存有含卵石粉质粘土，揭示层厚4.60 m～15.40 m，场地上部软弱土层厚度较大，工程地质条件较差。码头结构适合采用高桩结构[1]。

该工程设计的难点在于埋深16 m左右的卵石层下有1 m～5.2 m的淤泥质土、1.1 m～5.6 m的中砂层和4.9 m～20 m的粉质粘土，故桩基设计时，桩基础必须打穿卵石层。目前国内常见高桩梁板式码头桩基型式主要有钻孔灌注桩、预应力混凝土空心方桩、PHC管桩、钢管桩、组合桩等。

预制打入桩，一般预制混凝土桩难以穿越坚硬的土层，过量锤击数会导致桩身损坏、甚至断桩，进入坚硬持力层时往往出现桩尖达不到设计标高、桩长与设计桩长出入较大的问题。灌桩桩工期长、造价高、施工质量不易控制[2]。钢管桩具有强度高、刚度大、延伸性高，耐冲击等特点，但造价高，后期维护费用高[3]。钢混组合桩结合了混凝土管桩造价低和钢管桩抗弯性能好的优点，其上部的抗弯能力与钢管桩相当，在一定程度上弥补了预应力混凝土大管桩抗弯能力不足的应用瓶颈，在满足工程质量要求前提下，达到了降低成本目的[4]。综合考虑，本项目桩基设计采用组合桩。为保证工程进度及工程费用以及桩基设计的合理性及可施工性，该工程提出试沉桩，并根据试沉桩结果验证桩基设计方案。

2 桩基受力计算

2.1 设计荷载

(1)恒载：结构自重。

(2)均布荷载：30 kPa。

(3)起重机械荷载：45 t多用途门机(45 t-38 m，轨距16 m，基距12 m，轮数40个，每支腿10个轮，轮压：400 kN/轮)。

(4)流动机械荷载：Q45牵引车(前后轴距2.0 m，自重6.8 t，轮距1.72/1.47 m)，60 t集装箱拖挂车，40 t/20 t平板车，20 t自卸汽车，ZL50装载机空载通过(前后轴距3.25 m，自重17 t，额定载荷5 t)。

2.2 结构计算

(1)结构计算依据

①按照《海港总体设计规范》[5]与《码头结构设计规范》[6]中的规定进行计算。

②荷载按照《港口工程荷载规范》[7]中的规定进行计算。

(2)计算内容及方法

采用丰海技术咨询服务(上海)有限公司开发的《丰海港口工程计算系统》计算。

(3)计算结果

桩基内力计算：根据交通部颁发的现行有关规范，应用丰海技术咨询服务(上海)有限公司开发的《丰海港口工程计算系统》，对桩基进行计算。其结构抗力作用设计值均大于作用效应，满足设计规范要求，如表1及图1～图2所示。

表1 桩基计算结果汇总表

图1 桩基弯矩包络图(单位：kN·m )

图2 桩基剪力包络图(单位：kN )

3 试沉桩方案

3.1 桩基结构

A、B、C、D、E、F六点采用组合桩(上节采用D1200B32-2的大管桩，下节采用直径950 mm的Q345钢管桩，壁厚20 mm),桩总长均为65 m(其中，A、C、D、F四点上节大管桩长32 m，下节钢管桩长33 m；B点上节大管桩长46 m，下节钢管桩长19 m；E点上节大管桩长39 m，下节钢管桩长26 m；B点与E点桩主要是为了检验大管桩穿卵石层的能力，桩位见图4)。管桩的规格应符合《港口工程后张法预应力混凝土大管桩设计与施工规程》[8]及相关规范标准，如图3～图4所示。

该工程桩顶设计标高为7.10 m，桩端持力层为强风化花岗岩。

图3 码头结构平面图(单位：m)

图4 试沉桩桩位图(单位：m)

3.2 沉桩控制

采用不小于D-128柴油锤沉桩，预制桩沉桩以贯入度为主，标高校核为辅，终锤前10击平均贯入度控制在5 mm/击，当沉桩贯入度已达到控制贯入度，而桩端未达到设计标高时，应继续锤击贯入，或锤击30击～50击，其平均贯入度不应大于控制贯入度；桩端标高仍高出设计标高2 m时应会同设计部门研究解决。

3.3 试沉桩高应变检测

(1)试桩目的

①通过试沉桩，确定桩是否能穿透卵石层，通过分析桩在冲击力作用下产生的力和加速度，确定桩的轴向承载力，评价桩身完整性，并分析土的阻力分布、桩锤的性能指标、打桩时桩身应力及瞬间沉降特征。

②高应变动力检测结果判断桩基轴力是否满足设计要求。

③根据试桩结果调整桩型、停锤标准和调整桩长。

(2)试验要求

动载试验应根据《水运工程基桩试验检测技术规范》[9]。

当进行桩的轴向极限承载力检测时，检测桩在沉桩后至检测时的间歇时间，不应少于7 d。

贯入度小于1 cm以下，应连续进行测试，以了解不同贯入度情况下桩周及桩侧的承载力情况。

检测单位应用WEAP波动方程分析程序分析动载试验输出数据，以确定拟用桩锤将不会使桩出现超大应力，还应画一张极限承载力贯入度曲线，用于评估工程桩施打。

4 试沉桩结果

B点与E点试沉桩主要是为了检验大管桩穿卵石层的能力，实际沉桩过程中D、E、F点先试打，结果钢管均穿透卵石层，但是无法穿透含卵石粉质粘土，桩基持力层落在含卵石粉质粘土上(原设计为穿透含卵石粉质粘土，桩基持力层落在强风化花岗岩上)，E点桩未达到原先试沉桩的目的，故沉桩过程中B点桩钢管的长度由原先的19 m调整为13 m。试沉桩结果如表2和图5所示。

表2 试沉桩结果表

图5 实际沉桩断面图(单位：m)

5 基桩高应变检测结果

基桩高应变检测结果如表3所示。

表3 基桩高应变检测结果表

6 结论

通过试沉桩发现，穿透此类卵石层，钢管平均贯入度大概为17～23 mm/击，大管桩大概为6 mm/击，B桩由于锤击数(3087击)过多，导致桩身开裂，其他5根桩锤击数在1300击～1600击左右，桩身完整。通过试沉桩得知，大管桩本体穿透卵石层较难，钢管桩则问题不大。目前未对大管桩的总锤击数给个合理范围[8,10]，根据该工程试桩结果，建议组合桩的总锤击数应控制在2500击以内，今后类似工程可做借鉴。

该工程设计的难点在于桩基必须打穿卵石层，在不采用费用较昂贵以及后期维护费用高的钢管桩，在保证正常锤击数的情况下，采用大管桩加钢管桩的组合桩可以有效减少工程投资；同时通过试沉桩，也进一步论证了钢管桩的穿透能力，让大家对组合桩有全新的认识。