高震地区墩式码头桩基布置比较

熊浦年 广东省航运规划设计院有限公司

1.研究背景

印尼某电厂配套8000 吨级驳船码头位于北纬1°22′08.21″东经125°05′08.67″海域，该海域位于全球地震活动最强烈的环太平洋火山带地震中。码头建设因受到项目地质条件及及施工技艺、等多方面的制约需采用高桩墩式码头结构。桩基码头的整体刚度相对于重力式码头而言较小，在受震情况下容易产生较大的位移。因此研究比较一种合理的桩基布置形式对于本项目的实施，以及后续同类项目的建设具有较大意义。

2.自然条件

2.1 设计水位

本报告的高程系统采KEMA克马平均海平面。

极端高水位（重现期50年高水位）：0.94m

设计高水位（高潮累积频率10%）：0.73m

设计低水位（低潮累积频率10%）：-0.56m

极端低水位（重现期50年低水位）：-0.69m

平均水位：0.0m

2.2 泥沙及波浪

根据本项目的波浪泥沙数学模型及水文报告，项目所在地主要为以弱潮汐涨落控制基岩粉砂质海岸，泥沙来源有限，主要粒径为0.02mm到0.05mm之间，少数砾石区域的中间砾径在8.25至10.05mm之间。根据数模及物模结果，码头竣工后，最大水流流速约为0.23米每秒。由于码头东侧已建电厂取水口拦砂堤，故泥沙对码头的影响较小。

本工程对海域波况进行了为期1个月的监测，测量时间为2018年8月4日～2018年9月3日。分析结果显示工程海域波浪方向较为集中，体现为S～SE之间，强浪向及常浪向为SSE向，发生频率约52%，平均波高0.58m、平均周期3.4s、最大有效波高1.14m、最大波高为1.9m。且本码头属透空式桩基结构，故本码头水工结构对波浪作用的影响可以忽略不计。

2.3 工程地质

依据现状码头的相关地质勘查报告，本工程码头所处地区地质分布比较均匀，起伏不大，上软下硬。基本上分为灰色淤泥，灰色亚粘土（局部为灰色淤泥质亚粘土），灰色中粗砂和砂页岩风化层。

根据地勘报告揭示的结果以及现场试验、实验室试验所测得的数据。场地地下土壤剖面由软至硬粘土/淤泥土组成，钻孔深度达60m。可大体上分为3层：第1层：非常松散至中密砂，位于海底平面以下约10m至12m。第2层：由中软粉质粉砂组成（SPT值为4至15）这些层位于海平面下12至50m。第3层：硬粉质，深至极深砂组成，SPT值大于50，位于海平面下50m。

3.总平面布置

3.1 总平面布置原则

总平面布置在靠考虑电厂使用方式，船舶装卸作业及项目总投资的基础上，结合项目所在地波浪，水深等自然条件上，依照《海港总体设计规范》（JTS 165-2013）等相关规范要求；充分考虑码头装卸工艺，提高固定设备的装卸效率，减少皮带机及输煤廊道的长度。在满靠泊要求前提下，尽可能利用原有的水深条件，减少疏浚量，降低工程造价，节约投资。

3.2 设计船型主尺寸

设计代表船型主尺寸见表1。

表1 设计代表船型尺度

3.3 码头平面布置方案

印尼某电厂配套码头作为电厂输煤来源的重要分部工程，主要采用高桩墩式结构，码头总长122米，最大处宽度17米。共5个墩台，包括两个系缆墩台，两个靠船吊机墩台，一个卸煤漏斗平台墩台。码头前方作业平台通过长150米宽8米的引桥与后方陆域相连，码头平面布置方案详见图1。

图1 码头水工平面布置方案图

4.结构分析

针对码头受震下可能出现破坏最为严重的组分进行地震反应谱分析，通过调整桩基平面布置形式，桩的扭转角度，分析桩身受力的变化及结构的整体位移，推荐较为合理耐用的桩基平面布置形式。

4.1 分析对象选取

因吊机靠船墩台作为码头主要墩台中承受荷载种类最多，包括固定吊荷载、波浪荷载、撞击力荷载、系缆力荷载等，荷载载荷最大，数量最多。且码头受震时工作人员的安全隐患较重，所以选择靠船墩台作为本报告分析的水工构筑物。

4.2 码头荷载

①码头前沿均布荷载：20kPa。

②固定吊基础荷载：最大倾覆力矩6900kN·m，最大垂直力1250kN,最大水平力140kN。

③移动荷载：25t汽车吊。

④系缆力650kN，撞击力445kN每鼓（两鼓一板）。

4.3 地震荷载及反应谱

4.3.1 场地条件

场地参数见表2。

表2 场地参数

4.3.2 反应谱

根据ASCE 7-1011.4条计算地震加速度反应谱相关特征参数，并通过MIDAS CIVIL有限元分析软件倒入后可得设计加速度反应谱曲线如下：

通过计算整理

对于T≤T0:（分段①）

图2 无量纲加速度反应谱曲线

4.4 吊机靠船墩台结构方案

吊机靠船墩台主要由上部现浇C40混凝土实体墩及下部桩基组成，由于项目地处于环太平洋火山地震带，震烈较大，周期较长，因此桩基优先选用，质量轻，延性大，弹性好的钢管桩，以降低地震危害。墩台采用直径1016mm的钢管桩。桩身材料为ASTM A252，壁厚18mm。钢管桩打入持力层ML砂层不少于2倍桩径且最后10击的平均贯入度小于6mm。

图3 码头水工平面布置方案图

吊机墩台上部尺寸为17m长，15m宽，厚度为2m。本文分析的3种吊机墩台结构方案主要区别于桩基的布置方案。

方案一：吊机靠船墩台采用全直钢管桩，规格为Φ1016mm钢管桩，壁厚18mm形成基础，桩长50.1m。

方案二：吊机靠船墩台中心采用4根斜度为3:1扭角为30°的斜桩，其余为全直桩。

方案三：吊机靠船墩采用全斜桩，斜度为3:1扭角为30°。

5.结构计算

本次计算采用“MIDAS CIVIL有限元软件”对结构进行建模计算。

码头作用包括结构自重、地震作用、船舶作用力、人群荷载、堆货荷载、工艺设备及流动机械荷载等。各作用效应按《水运工程抗震设计规范》JTS 146-2012,对实际可能在码头结构上同时出现的作用，按不同水位情况下偶然状况予以考虑组合。

地震作用下的荷载组合主要考虑地震效应+结构自重力+船舶系缆力。

吊机靠船墩台采用全直桩，规格为Φ1016mm钢管桩，壁厚18mm形成基础，桩长50.1m，钢管桩持力层进入ML砂层不少于2倍桩径且最后10击的平均贯入度小于6mm。其桩基内力和单桩承载力设计值见表4。

表3 桩基特征表

表4 桩基承载力计算结果表

图4 墩台断面图

6.对比分析

三种结构方案的优缺点对比情况见表5。

表5 结构方案比选表

结合桩基础受力及施工方法分析，结构方案一桩基础受力分布更均匀，整体性好，且施工较为方便，地震下桩基结构的受力较为均衡，能充分发挥钢管桩延性大的优势，减少震时结构损坏的可能性。结构方案二均布斜桩方案，使用期设置斜桩的墩台能有效减少船舶靠船时结构体系承受水平作用力下的横向位移，但局部的斜桩支撑容易使得局部刚度发生较大的变化，地震作用下荷载较为集中，容易造成桩端拉裂，劈裂等损伤。结构方案三全斜桩方案能有效提高码头的水平刚度，提升使用过程中的抗水平位移能力，但为满足抗震要求，需设置较多的斜桩。桩基间距较近，且斜度不一，施工较为不变。综合考虑，本次设计推荐结构方案一。

7.设计体会和结论

（1）强震地区高桩墩式码头的桩基布置对于研究强震下高桩墩式码头桩基结构的强度以及受震下桩基的破坏成因具有重要的参考与指导意义，对于地震地区桩基的布置方式具有一定的借鉴意义。

（2）采用全直桩基础的高桩墩式码头能够有效的提升结构体自身的自振周期，虽减少了结构体抗水平位移的能力，但同时降低的结构体在水平向的刚度大小，使得地震作用的水平荷载难以对结构体局部造成较大的破坏，降低了结构体震后受损的风险。

（3）高桩墩式码头由于上部墩体现浇混凝土量较大，上部结构体积大，质量较大，受震时全斜桩结构需要大量的斜桩来分散地震作用下产生的桩拔力，工程造价较大，且施工较为不便，设计过程中还需大量对比研究桩基的布设方式，对设计与施工均有一定的难度。但在可能的情况下，采用全斜桩的合理的布置形式能够对约束结构体水平向位移产生积极的作用。

（4）对于有使用与作业要求的墩台在考虑地震作用时码头的位移除应考虑平台面本身的位移，还应考虑桩土接触面，及设备上方作业空间的位移，对结构的整体安全性进行充分的研究。

8.总结

随着世界各地经济发展方向转变以及第三世界国家对工业性基建设施的需求增加等因素，码头建设的范围也逐步加大，许多地震带上的第三世界国家对于建设港口需求也逐步加大。如何在条件较为恶劣的地震带上建设码头逐渐成为了我国一带一路建设过程中亟需考虑的问题。结合本项目的研究与分析，采用全直桩的钢管墩式桩码头抵抗强震灾害的能力较强，其不但能充分发挥钢管桩自身延性，弹性较好的，且质量轻的特征。还能减少震时结构的破坏可能性，降低震后结构破坏的程度，还能极快的加大项目的施工速度，既便于设计分析，也便于施工。本文通过对不同桩基形式的墩式码头受震情况下桩身内力的分析比较，对强震地区下高桩墩式码头的桩基设计及平面布置具有一定意义，也为同类型码头工程优化结构设计提供了一种思考方向。