浅层基岩地质条件下直立式码头桩基设计研究

徐玮

（苏交科集团股份有限公司，南京 江苏 570203）

随着我国港口建设的迅速发展，所处的工程地质情况也日益复杂，因此，在工程设计中，应针对不同的工程特点，合理地选取和优选适合于工程特点的码头地基，以达到安全、合理和经济的目的。本文以武汉新港阳逻港三码头一期项目为例，对结构选型和布置优化进行了细致的探讨，并利用桩基础的平衡检验验证了其承载量。

1 工程概况

该项目是武汉阳逻经济技术开发区长江阳逻水道的左岸，距离武汉关29.5 公里，长江阳逻大桥1.9 公里，距离吴淞口下游1013.5 公里。其地理位置是：东经114度32 度59 英寸，而北纬30 度39 度28 英寸。工程高水位为26.00 米（50 年代）；设计的低潮面8.95 米（安全系数98%）；工程高程为27.20 米，高程11.0 米。

经对该项目的集装箱运输能力进行了预测和分析，2020 年和2030 年集装箱运输能力将达到1620,000 TEU和3580,000 TEU。根据项目的地形特点，设计了8 个货柜码头，总长度563 米。该项目是一艘5000 吨的江海船，其规格为122.8*18.8*8.6*4.2[3]。

2 结构选型比较

按照作者的工作经历，[4～6]认为，在浅岩地基上建造的港口主要有两种：高桩型和重力型。为此，文章对两种方法的优点和不足进行了讨论，并对其进行了较为合理的选择。

（1）由于该项目为浅层岩石地基，其开挖深度较低，承载力大，采用高桩型和重力型码头是技术上的可行性。

（2）该项目为一个大水位差的典型区域，设计最高水位差为17.05 米。高桩码头在总体布局、船型设计、装卸工艺等方面均优于重力式。

（3）该港口的面积很大，如果使用重力型（例如方形码头），由于积木的数量过多，整体会降低，而且每一方的吊重都会增大，对船舶的设备的需求也会很高；所以，重力式构造是不可取的。

（4）结合上述因素，提出了采用高桩支护形式的方案。由于该码头施工场地是基础地质条件，故采取了嵌岩桩法。

3 桩基结构优化

3.1 原结构设计方案

码头的平面规模是563*30 米（长*宽）.排架间隔8 米，共计71 米，排架地基为φ1800 灌注式嵌岩桩柱，在两排中各安装5 个直桩（两个直桩间间隔2.5米），两端各有一支斜桩支，并在桩身与桩端安装直径为φ1200 的钢横支撑。为了提高码头的侧向刚性，提高码头的侧向刚性。

3.2 方案缺点分析

本文结合实际项目的施工背景，结合以前的设计实践，提出了一种新的解决方法。

（1）桩基础距离稍短，因而基础数目稍多，增加了项目的建设投入；

（2）经计算和有关的分析，无需设斜桩基。另外两个斜桩会加大施工的工作量，提高施工的效益，加大项目的建设投入；

3.3 桩基优化

根据该方案的不足，提出了两种最优方法：

（1）为了减少桩的数目和节省建设资金，提出了一种基于蚂蚁算法的改进方法，即在保证结构的基础上增加了桩的间隔。经过最优的计算和分析，确定了最适宜的间隔是3.3 米，从而使排架的间隔增加到10 米。

（2）在桩基础施工中，对斜桩的施工要求高，施工难度大。通过对工程实例的分析，证明了在去掉原有设计中两个倾斜桩基后，该工程的受力仍然符合设计的要求。所以，把所有的倾斜桩位都去掉。

3.4 后结构设计的最佳化

经作者进行了优化，结合实际情况，提出了一种新的桥墩基础结构方案，即：桥墩间距为10 m，共计57 m，桥墩基础为φ1800 灌注式嵌岩桩，并在桩身与桩身间安装了φ1200 钢筋支撑。为了提高码头的侧向刚性，提高码头的侧向刚性。平台的上部构造由横梁、前边梁和轨道梁组成；纵梁、钢系缆平台、叠合面板、钢支承部件等。在甲板和下锚索甲板之前，安装550 kN的锚杆，并在每个锚杆上安装DA-A500H 低反力橡胶护舷，DA-A300H 橡胶护舷。

4 桩基自平衡检测

在完成一年的基础上，利用桩基的自重测试，对桩端阻力、桩端阻力标准值、桩周土的极限水平阻力进行了检验。该测量装置由2×14000 kN 的载荷盒、60 MPa的油磅、静态电阻应变仪和电子位移仪；钢筋测试仪和测频器等。

4.1 静载荷测试的检验与检验

（1）试验按照 JT/J738-2009 《基桩静载试验自平衡法》进行，以检测桩为基础，以高速保持荷载为主。而从成桩到测试间隔的间隔期：在满足设计要求后，不能少于15 个工作日。

（2）载荷等级：估计载荷分为10 个阶段，一级载荷分为两个阶段，第二阶段分为5 个阶段。

（3）位移观察：在每次荷载作用后的第一小时，分别在5、15 和30 天进行；每隔45、60 分钟测量一次。电子位移传感器与计算机相连，通过计算机直接进行数据的收集和存储。

（4）不变的准则：在前30 分钟，如果不超过0.1毫米，则可以视为稳定。

（5）结束装载状态：①整体位移。当整体位移超过40 毫米时，在上一阶段的荷载作用下，其沉降超过或超过上一阶段的5 个时，荷载就会结束。以该端部较低的载荷为最终载荷。②当整体位移超过40 毫米时，在此阶段外加24 h 以上的载荷没有达到高温状态，则负载结束。以该端部较低的载荷为最终载荷。③装载至测试请求装载的数值为终止状态。

（6）加载、卸载分级

加载步骤：0→2300→3450→4600→5750→6900→8 050→9200→10350→11500

卸载步骤；11500→9200→6900→4600→2300→0

以3 号桩为代表，将其静载试验位移结果汇总于表1，将其Q-S 曲线及S-lgt 曲线绘于图1。

图1 相关曲线绘制

表1 单桩竖向抗压静载试验位移结果

根据试验结果可知，在加载到试验最大荷载后，最大累计向上位移为16.81mm，最大累计向下位移为-10.93mm，桩身位移未出现陡变。

4.2 轴力及摩阻力计算

可先根据桩身预埋的应变计读数得到应变量。由于在同级荷载作用下，试桩内混凝土所产生的应变量等于钢筋所产生的应变量，相应桩截面微单元内的应变量即为钢筋的应变量。因此可根据《港口与海岸水工建筑物》公式5.1～5.14 来计算。

根据3 号桩实测轴力数据，以及文献[9～10]中等效桩顶荷载-位移曲线计算流程，可计算得出等效桩顶荷载为18348.70KN，等效桩顶位移为10.92mm。

4.3 检测结果分析

根据试验结果，以3 号桩为代表，将桩基检测试验结果列于表3。试验结果显示，试桩在加载到最大试验荷载下时，桩身未出现陡变，且竖向抗压极限承载力满足规范要求。

表2 试桩分析结果

5 结论

文章以武汉新港阳逻港第三码头一期项目为例，对结构选型、结构方案优化设计及桩基自平衡试验进行了深入的探讨，得出以下几点：

（1）结合实际施工情况，结合同类码头的设计实践，提出了高桩嵌岩桩施工方案。

（2）通过对原有的结构设计方案的研究，得出了桩基础距离偏短、无需设斜桩的结论。为此，利用蚂蚁算法进行了求解，并在满足系统的设计需求的基础上进行了验证；从2.5 米到3.3 米的桩距，去掉了倾斜桩的设计。

（3）在完成一年的码头项目运行后，对桩基础进行自重试验。对试桩进行了测试，发现在荷载作用下，桩体没有发生急剧的变化，其垂直荷载的极限承载力符合设计的规定。因此，在桩基础上进行了优化的设计。