复杂岩石地质条件某高桩码头桩基设计要点

陈文生

（惠州港能源码头投资有限公司，广东惠州 516000）

引言

嵌岩桩作为一种特殊类型的桩基，广义上的定义是指下部有相当一段长度浇筑于岩层中桩基，近年来随着我国水运工程的大规模发展和建设，嵌岩桩尤其是斜桩嵌岩在浙江、福建、广东等东南沿海地区得到了广泛应用，其相关设计理念、方法和施工技术日益完善。本文结合某工程强风化岩层厚、岩层上部覆盖层薄的地质特点，总结了嵌岩桩设计的总体思路和注意要点。

1 工程概况和地质条件

某工程为5万总吨液化烃泊位，位于惠州港荃湾港区，码头结构型式为高桩梁板码头，码头顶高程为6.5 m，前沿底高程为-14.8 m，系靠船设施采用SC1700橡胶护舷和1 000 kN快速脱缆钩，码头上部设置装卸臂、登船梯和消防炮等工艺设备。

工程区域土层从上到下依次为②1流泥、②2淤泥、②3淤泥混砂、③1粉质黏土、④2全风化岩、④3强风化岩、④4碎块状强风化岩和④5中风化岩。其中②1流泥层分布连续，水域所有钻孔中均可见，层位较稳定，厚度较大，层厚约4.5～18.0 m不等，平均标贯击数N＜1击；②2淤泥层分布不连续，层厚约0.5～12.4 m不等，平均标贯击数N=1.4击；②3淤泥混砂层分布不连续，仅在部分钻孔中揭示，层厚约0.2～5.3 m不等，平均标贯击数N=2.4击；③1粉质黏土层分布不连续，层厚约0.4～3.4 m不等，平均标贯击数N=6.5击；④2全风化岩层断续分布，仅在少量钻孔中揭露，层厚约1.1～1.5 m不等，平均标贯击数N=45.5击；④3强风化岩层分布较连续，层厚约0.3～7.5 m不等，本层层顶高程在-29.17～-12.89 m之间，平均标贯击数N＞50击；④4碎块状强风化岩层分布连续，揭示层顶高程在-36.32～-13.96 m之间；④5中风化岩层为凝灰岩，凝灰结构，块状构造，岩面顶面高程-48.07～-17.57 m不等，饱和抗压强度约35 MPa。

整体来看，工程区域上层覆盖层主要是流泥和淤泥等软弱土层，土体力学性能很差，覆盖层下部的④3强风化岩层和④4碎块状强风化岩层的标贯击数大，锤击度小，打入桩打入困难，④5中风化岩层埋藏较深，层顶高程为-48.07～-17.57 m，岩面分布起伏较大，且上部强风化岩层很厚，若以④5中风化岩层为持力层，需穿透强风化岩层，导致钻孔深度很深，施工难度大，投资造价高，因此本工程宜选择④4碎块状强风化岩层作为桩基持力层。

2 桩基承载力计算方法

承受水平力或力矩作用的桩基按照入土深度不同，可划分为弹性长桩、中长桩和刚性长桩，满足弹性长桩要求的桩基，按m法计算土体位移在规范允许范围内，土体水平抗力即可满足设计要求。对于中长桩和刚性长桩，需对桩身周围土体的水平抗力进行计算，文献[2]-[8]对嵌岩桩水平承载力相关计算方法进行了介绍，主要计算方法包括经验法、国内外相关规范方法和弹性地基反力法等，也可以进行水平静载试桩试验，本工程由于桩端处于碎块状强风化岩层，入岩深度较深满足弹性长桩要求，水平承载力不需要计算。

桩基轴向承载力采用规范中经验参数法计算，根据《码头结构设计规范》[1]，本工程桩基持力层为饱和单轴抗压强度标准值小于l0 MPa的岩层，桩基轴向承载力不应按照嵌岩桩，宜按灌注桩进行计算。对于预制芯柱嵌岩桩，桩基轴向承载力包括预制桩桩侧、桩端和芯柱段桩侧、桩端阻力。其中预制桩桩端阻力本工程按变截面处环形截面面积乘以桩端处单位面积极限桩端阻力标准值（取泥浆护壁钻孔桩指标）进行计算，其他段桩侧、桩端按规范相关公式计算即可。

图1 预制芯柱嵌岩桩桩基承载力组成

3 桩基选型对比分析

文献[7]结合某工程实例对嵌岩桩的桩型进行了介绍，嵌岩桩嵌岩型式主要包括灌注型嵌岩桩、预制型植入嵌岩桩、预制型芯柱嵌岩桩、预制型锚杆嵌岩桩和组合（芯柱+锚杆）嵌岩桩。其中预制型植入嵌岩桩适用于桩承受较大的水平力或力矩，桩身强度要求高的情况；预制型芯柱嵌岩桩适用于水平力不大，桩轴向拉压承载力不足的情况；预制型锚杆嵌岩桩适用于桩轴向受拉承载力不足的情况。由于工程区域岩面上部覆盖层主要是流泥和淤泥等软弱土层，且桩基持力层为分布很厚的④4碎块状强风化岩层，桩轴向拉压承载力均不满足设计要求，宜选择灌注型嵌岩桩或预制型芯柱嵌岩桩。本次采用Φ1 300 mm钢管混凝土桩、Φ1 200 mm PHC桩+芯柱嵌岩桩和Φ1 100 mm钢管桩+芯柱嵌岩桩三种桩型进行对比，其中钢管混凝土桩为灌注型嵌岩桩，为了增加桩身抗弯刚度，考虑钢护筒与混凝土组合截面。

表1从施工难易程度和桩基轴向抗压承载力两方面对三种桩型进行了对比，相同嵌岩深度Φ1 300 mm钢管混凝土桩桩基承载力最大，由于Φ 1 200 mm PHC桩空心直径仅为0.9 m，其桩基承载力最小。本工程桩基持力层土体力学指标相对不高，需要嵌岩长度比较大，设计中需充分考虑嵌岩施工技术能力，为减少斜桩嵌岩施工难度，斜桩采用Φ1 100 mm钢管桩+芯柱嵌岩桩比较合适，斜桩桩基承载力宜控制在4 500 kN左右，直桩由于嵌岩深度不受限，直桩承载力可不控制。

表1 不同桩型对比

4 桩基布置对比分析

码头结构受力最大的特点是船舶、波浪等水平荷载很大，高桩码头排架设计的关键是如何高效的抵抗水平力。排架结构设计从受力角度可分为柔性结构和刚性结构，柔性结构常采用小直径全直桩桩基，其受力特点是依靠桩基的抗弯刚度抵抗水平力，桩基受力均匀，但排架位移大；刚性结构采用斜桩或大直径直桩，其受力特点是斜桩通过轴力的水平向分力抵抗水平力，大直径直桩是依靠桩基较大的抗弯刚度抵抗水平力，排架位移小。由于本工程为液体化工泊位，码头上部有众多管线与后方陆域相连，要求码头变位较小，排架结构宜选用刚性结构，本次排架设计共考虑了2根Φ1 200 mm PHC桩直桩+4根Φ1 100 mm钢管桩（方案一）和6根Φ1 300 mm钢管混凝土桩全直桩（方案二），排架间距分别采用8 m，9 m和10 m进行对比分析。

嵌岩桩斜率的选择对斜桩受力计算、施工期稳桩、成孔都有很大的影响，文献[3]对此进行了介绍，本工程覆盖层是淤泥等软弱土层，斜桩均采用5:1斜率。

图2 排架断面示意

由于本工程为液体化工码头，上部均载较小，排架间距对桩基内力影响相对较小，考虑本次设计斜桩承载力受限制而直桩不受限制，方案一排架间距为8 m，方案二排架间距为10 m比较合适，但方案一水平位移更小且投资造价较省，更具优势。

表2 排架计算结果

5 沉桩和钻孔过程中注意点

根据目前现有的施工案列，预制芯柱嵌岩桩沉桩过程中多有发生桩端变形、卷边问题，现场处理难度大、时间长、成本高，因此沉桩终锤控制要预防桩端变形和卷边发生。对于岩面上部覆盖层比较薄或者以软弱土体为主的嵌岩桩，桩基承载力主要由芯柱嵌岩部分承担，预制桩部分的作用主要是施工期间作为钻孔导向、灌注桩护筒、施工平台支撑桩和使用期间传递码头上部荷载，因此对打入桩桩基承载力要求不高，应降低沉桩贯入度控制标准，宜通过试桩、试打确定沉桩贯入度标准。以本工程为例，对于局部区域覆盖层厚的纯打入桩终锤贯入度为5 mm，而嵌岩桩终锤贯入度则为10 mm。

6 结语

岩层上部覆盖层薄、强风化岩层厚地质条件下的嵌岩桩嵌岩深度大，但承载力水平不高，需要考虑施工技术条件对嵌岩深度的限制；嵌岩桩设计入土深度最好满足弹性长桩要求，否则需要对土体水平抗力进行计算；桩基排架布置从受力角度可按柔性结构（大变形）和刚性结构（小变形）两种思路进行布置，具体要结合码头使用功能要求，刚性排架桩基可设计成斜桩或大直径直桩，前者依靠轴力提供水平抗力，后者依靠自身抗弯刚度提供水平抗力；预制芯柱嵌岩桩沉桩终锤贯入度控制标准宜降低，避免桩端发生变形、卷边；钻孔过程中要重视强风化岩遇水软化和缩孔等问题。