崇明某工程桩基施工初步探讨

2023-03-09莫磊赵宇

工程建设与设计 2023年4期

莫磊，赵宇

（上海市水务局行政服务中心（上海市海洋局行政服务中心），上海 200000）

1 引言

随着我国沿海城市滩涂的开发建设，保证海塘安全和滩涂开发的矛盾日益突显。在上海地区，海塘是保障防汛安全的保障基础设施，是抵御防御风暴潮侵袭的重要防汛防线设施。根据《上海市海塘管理办法》（2010年12月20日上海市人民政府令第52号），有随塘河的堤防保护范围为堤身主体结构、堤外坡脚外侧20 m滩地和堤内坡脚至随塘河边缘的护堤地；无随塘河的堤防保护范围为堤身主体结构、堤外坡脚外侧20 m滩地和堤内坡脚外侧20 m护堤地。根据工程经验，海塘大堤属防汛基础设施，在海塘管理范围内实施桩基建设项目对海塘的安全影响存在较大的安全影响。本文根据杆塔桩基建设特点及上海市海塘管理要求，结合工程实例重点研究了桩基施工对海塘安全的影响，论证了在海塘范围内布置杆塔设施实施桩基础施工的可行性，探讨了桩基础施工对海塘安全可能产生的影响，综合对比了PHC管桩和钻孔灌注桩两种方案的承载力、经济性和施工适应性，可为后续类似项目工程提供经验。

2 工程概况

海塘的地基土存在强度低、地下水位高、抗震性能差和灵敏度高等特点，上海地区海塘的软弱覆盖层较厚，对于承载力和沉降要求较高的建（构）筑物采用浅地基处理方法，不仅经济性较差，而且工程效果难以保证。因此，在海塘管理范围内常采用桩基作为建（构）筑物地基处理方法，常采用的桩型有钻孔灌注桩和PHC管桩。

崇明某码头项目位于长江南支口崇明本岛东平河和长江南口处东侧，拟建场地属河口砂嘴砂岛地貌类型，地势平坦，陆域场地南侧有一条河流，水面宽度为7.0~8.0 m，河流最大水深约为1.20 m：河流南测为防洪大堤，堤顶标高约7.6 m。该项目的上堤引桥由于货运量大、施工工期紧和承载力要求高等特点，因此，拟采用钻孔灌注桩和PHC管桩在该项目海塘管理范围内进行桩基施工，根据设计方案桥台最近距海塘堤脚约为5 m。工程对位置涉及的现状大堤采用高压旋喷桩加固，引桥采用桩基础。

3 工程地质概况

根据现场勘察资料，该项目上部地层主要为粉砂、粉土。下部含有淤泥质粉质黏土夹层，呈饱和松散状态，桩基持力层埋深约为46 m。

根据项目勘察结果，场地地层从上到下描述如下：

1）第①层灰色黏质粉土，顶标高在3.14~-4.00 m，平均层厚约3.86 m，土质较均匀。静探Ps（比贯入阻力）值平均为1.71 MPa，标贯击数平均为6.1击，呈松散状，中等压缩性。

2）第②层灰色砂质粉士，顶标高在3.30~-11.40 m，平均层厚约5.59 m，厚度变化较大，部分钻孔该土层缺失，土质较均匀。静探Ps值平均为2.74 MPa，一般为2.13~4.81 MPa，标贯击数平均为11.0击，呈稍密状，中等压缩性。

3）第④层灰色淤泥质黏土，顶标高在-11.49~-16.20 m，平均层厚约5.13 m，夹薄层粉土，土质均匀。静探Ps值平均为0.93 MPa，一般为0.88~1.14 MPa。呈流塑状，高等压缩性。

4）第⑤层灰色黏土，一般层顶标高在-16.30~-27.60 m，平均层厚约11.92 m，夹薄层状粉性土，土质均匀。静探Ps值平均为1.16 MPa，一般为1.12~1 30 MPa。呈软塑状，高等压缩性。

5）第⑥层灰色粉质黏土夹砂质粉土，一般层顶标高在-35.60~-39.69 m，平均层厚约18.22 m，土质不均匀。静探Ps值平均为2.07 MPa，一般为1.77~3.22 MPa。呈可塑状，中等压缩性。

6）第⑦2层灰色粉砂，一般层顶标高在-52.90~-60.77 m，平均层厚约9.30 m，夹薄层黏性土，砂质较纯。静探Ps值平均为12.75 MPa，一般为11.50~16.03 MPa，标贯击数平均为58.4击，呈密实状，中等压缩性。本层也是桩基的持力层。

4 桩基比选

破堤、开缺工程分为6大类，分别为堤身开缺工程、穿堤工程、临堤及沿堤工程、跨堤工程、凿洞工程及其他工程。

该码头工程建设需对两座引堤位置进行海塘达标，属于堤身（小）开缺工程；引桥工程设计海塘管理范围内20 m，桩基工程最近距海塘堤脚约为5 m，属于海塘破堤开缺行为分类中的临堤工程；施工进出场道路需要在现状大堤堤顶及边坡进行填筑，属于海塘破堤开缺行为分类中的其他工程。因此，根据规范需要论证工程施工过程中对海塘大堤的影响。

4.1 进出厂道路

部分施工机械进出场也需沿现状堤顶道路通行，因此，需要计算重车荷载对于海塘的影响，为减少对海塘防汛安全的影响，大件和重件运输过程中建议地面铺设钢板以扩散应力以免集中荷载过大。根据施工方提供数据，最大荷载约55 kN，铺设钢板后，堤顶平均荷载约为20 kN。海塘边坡稳定计算采用北京理正边坡计算软件，稳定计算方法采用瑞典圆弧条分法。计算结果如表1所示。

表1 稳定计算结果

工程施工时，海塘整体稳定安全系数均有所减小，但均满足安全要求。

通过有限元分析软件的理论计算，堤顶铺设钢板并增加车辆荷载后，海塘产生的总位移为3.36 mm的水平位移及6.83 mm的垂直位移，总位移为6.83 mm（小于10 mm），最大位移处于允许的变形范围内。

钻孔灌注桩施工采用现场浇筑，建筑材料可以分批次运输，且施工机械较小，可有效控制最大运输荷载。而PHC管桩采用工厂预制、现场运输的方式，且施工机械较大，控制最大运输荷载较为困难，同时PHC管桩反复运输可能对海塘安全造成不利影响。

4.2 承载力特征

钻孔灌注桩属于直接施工法，其施工工序较为成熟，包括钢筋骨架制备与安放、桩位放样、泥浆制备、沉孔与清孔以及混凝土桩的现场浇筑与养护等步骤。而PHC管桩一般采用工厂预制的方式成桩。由于养护差距和用料差距，PHC管桩的桩身强度等级一般为C75~C80,而钻孔灌注桩的桩身强度等级一般为C30~C40。

同时，钻孔灌注桩在成孔过程由于孔壁侧向约束解除造成侧向松弛变形，孔壁土的松弛效应导致土体强度削弱,桩侧阻力随之降低。PHC管桩在施工过程中有较为显著的挤土效应产生超孔隙水压力,通过超孔隙水压的释放使桩侧土体发生固结现象，土壤层中的土壤密度会有所增加，从而提高了地基的承载能力。根据相关工程经验，在相同土层环境下，相同桩径的PHC管桩的单桩容许承载力大于钻孔灌注桩的单桩容许承载力，相同直径的管桩的单桩承载力一般为钻孔灌注桩的2~2.5倍。与PHC管桩相比，钻孔灌注桩虽在单桩承载能力上逊色不少，但其有一定抗剪能力，可以进行单桩分布。

4.3 经济性比较

PHC管桩在施工成本方面具有绝对优势，由于单桩承载力较高，使用PHC管桩可有效节约桩基施工数量，控制建设成本。

在实际施工过程中，PHC管桩的制作和施工成本还包括其他相关原材料的成本、现场管理费、电费、运费等。而钻孔灌注桩除包含上述相关费用外，还有泥浆制作成本、钢筋制作成本、现场环境管理成本等。而且相较于钻孔灌注桩PHC管桩的施工和养护周期较短，以浙江省东阳市某市政工程为例，工程地基桩数共计560根，工程桩长约为30 m。如采用PHC管桩试桩与检测，用时约20 d，整个工程桩施工用时50 d，总工期约为70 d。如采用的钻孔灌注桩，同样的工作量条件下试桩与检测环节需60 d，工程桩施工70 d，总工期130 d。

桩长设计越长，PHC管桩的经济效益越好。根据当地市场价格，PHC管桩施工综合单价约为230元/延长米，钻孔灌注桩约为350元/延长米。本工程如采用PHC管桩代替钻孔灌注桩，桩基施工工程造价可节省约30%[1]。

4.4 施工适应性

PHC管桩在施工过程中有较为显著的挤土效应，对于周边的构筑物影响较大，本工程的桩基工程最近距海塘堤脚仅为5 m。通过有限元分析软件的理论计算，桩基施工造成海塘产生的总位移为7.98 mm的最大水平位移及10.17 mm的最大垂直位移，最大总位移为10.17 mm（大于10 mm）。因此，如选用PHC管桩需要选用直径较小的PHC管桩，并做好隔振措施，严格控制锤击次数，降低桩锤质量，减小打桩过程中对土体的扰动，降低对于周边建（构）筑物的影响[2]。

相较于PHC管桩，钻孔灌注桩地形适应能力强，基本不受土层限制，不管是粉土、碎砂、碎石等坚硬地质或者沉积土、回填土、吹填土等软土地基都可以使用钻孔灌注桩。本项目采用灌注桩有以下优点：（1）施工过程基本无扰动，无振动，对周边环境土体和海塘的影响较小。（2）灌注桩施工过程中材料可采用散装运输，可有效控制运输质量，减小对于堤顶道路的不利影响[3]。