黃驊港某碼頭工程中的樁基設計方案比選

郝剛 王馨

摘 要：通過對黃驊港某碼頭工程兩種樁基方案中預應力混凝土空心方樁與PHC樁抗彎性能、抗剪性能、抗凍性能的比較，最終選用預應力混凝土空心方樁作為本工程實際的樁基方案。

關鍵詞：黃驊港 抗彎 抗剪 抗凍 冰荷載 耐久性

1.工程概況

本工程為黃驊港某10萬噸級碼頭工程樁基工程。工程地點位于河北省渤海灣西南岸，大口河河口外北側海區。擬建工程場地第四系覆蓋層厚度較大，下伏基巖埋藏較深，覆蓋層多為淤泥、粘土、粉土等可塑性土層。另外由于黃驊地區缺少砂、石等回填材料，碼頭結構也不宜考慮需要大量回填料的重力式和板樁式等結構型式，擬建碼頭宜采用樁基形式。

樁基碼頭目前常用PHC樁和預應力混凝土空心方樁。PHC管樁一般為C80高強混凝土經離心工藝成型的樁，承載力較高，混凝土抗凍性較好。預應力混凝土空心方樁是一種結合了預應力空心管樁與混凝土預制方樁的特點而產生的新型樁。它不僅保持了管樁的混凝土強度高、材料成本節約、施工方便等優點，同時也具備了方樁的抗彎能力強、抗剪強度高、抗凍性好的優點。兩種樁型在北方地區均有應用。

本工程主體樁基礎擬采用650mm×650mm的預應力混凝土空心方樁方案和Φ800mmPHC樁方案進行比選。

方案一：樁基為6 5 0 m m×650mm預應力混凝土空心方樁， 混凝土C50F300。前方承臺排架間距為6m，每個標準排架6根樁，其中包括2對叉樁，1對雙直樁，樁底標高-55.0m～-58.0m。

方案二：樁基為Φ800mm PHC樁（斜樁為C型，直樁為B型），混凝土C80F300。承臺排架間距為6 m，每個標準排架6根樁，其中包括2對叉樁，1對雙直樁，樁底標高-55.0m～-58.0m。

兩方案上部結構相同（碼頭斷面圖見圖1），樁端持力層均為灰褐色、含少量云母片，切面較光滑，無搖震反應，呈飽和、可塑狀態粉質粘土。工程地質情況各土層指標見表1所示。

2.樁基承載力計算

2.1 截面尺寸比較

兩種樁的截面尺寸見表2.

根據表2可知，6 5 0 m m×650mm預應力混凝土空心方樁與φ8 0 0 m m PHC樁外周長基本相當，而650mm×650mm預應力混凝土空心方樁截面積稍大，比φ800mmPHC樁大20%。

2.2 樁基承載力計算

根據《建筑樁基規范》（JGJ94-2008）混凝土空心樁單樁豎向極限承載力標準值，可按下列公式計算：

根據地質剖面，選用7-2粘土層為持力層，樁端阻力標準值為2350kPa，經過計算，兩種樁的單樁豎向極限承載力標準值比較見表3。

由表3計算結果可以得出，650mm×650mm預應力混凝土空心方樁單樁豎向極限承載力標準值與φ800mmPHC樁相當。

因此，所在工程主體樁基礎采用 650mm×650mm的預應力混凝土空心方樁方案和φ800mmPHC樁方案進行設計比較，具有可行性。

3.方案比較

3.1抗彎性能比較

3.3抗凍性能比較

本工程所在地區地處華北平原，冬季常受寒潮侵襲，產生海冰。在冰封期，大范圍的海冰對近海建筑物產生的破壞力不可逆轉、危害較大，對碼頭樁基的抗凍性能研究在北方嚴寒地區工程中十分必要。

3.3.1近年冰情及影響

根據該地區海冰實測資料分析統計，本區初冰日在12 月上旬，盛冰日在12 月下旬，融冰日在2 月下旬，終冰日在3 月上旬，總冰期91 天，盛冰期58 天。流冰厚度最大0.2m，流冰速度一般為0.3～0.4m/s，流冰方向主要集中在偏西（WNW、W、WSW）和偏東（ENE、NE）兩個主方向。

自2009 年12 月下旬以來，受頻繁冷空氣影響，北方地區主要港口都遭遇了嚴重的海冰災害。黃驊港海域自2010 年元旦開始港池及航道內出現大面積浮冰，1 月受大風降溫影響，迅速進入嚴重冰期。冰情嚴重時黃驊港港池內冰厚多數在50cm 左右，在港池死角處出現了厚度為1m以上的堆積冰，船舶進出港及靠離泊都極為困難。

3.3.2冰荷載作用

海冰產生的冰荷載是北方嚴寒地區水工建筑物設計時考慮的主要荷載之一，冰荷載作用主要包括局部擠壓力、撞擊力、摩擦力、因水位變化產生的豎向力和因水溫變化產生的膨脹力。根據本工程樁基所處位置及使用要求，冰荷載主要考慮冰排擠壓力、浮冰產生的撞擊力和水位上升時對樁產生的豎向力。

①根據《港口工程荷載規范》JTS144-1-2010，冰排在直立樁前連續擠壓破碎時，產生的極限擠壓冰力標準值：

FI=ImkBHσc （4）

F I——極限擠壓冰力標準值（kN）；

I——冰的局部擠壓系數；

m——樁、墩迎冰面形狀系數，方形可取1.0，圓形取0.9；

k——冰與樁、墩之間的接觸條件系數，可取0.32；

B——樁、墩迎冰面投影寬度（m）；

H——單層平整冰計算冰厚（m），本工程取0.5m；

σc——冰的單軸抗壓強度標準值（kPa），本工程取1.99Mpa。

3.3.3抗凍性及其措施分析

冰荷載對兩種樁基的作用力相當，經計算兩種樁型均能承受冰荷載的作用。

不可忽視的是，PHC管樁樁頭為空心截面，其浮漿較多。在樁基施打過程中，PHC樁樁頭容易產生豎向裂縫。樁頭又多處于水位變動區，在冰凌期，樁頭裂縫會加劇開展，從而影響樁的耐久性。為了避免這類問題，目前常用在管樁樁身外包玻璃鋼符合材料等防護措施來提高樁的抗沖擊強度和耐久性，玻璃鋼外包層一般設置在設計高水位以上0.5m至設計低水位以下1m的范圍內，外包層玻璃鋼防護在一定程度上增加了工程造價，影響施工進度。

預應力混凝土空心方樁樁頂6m范圍一般為實心段，抗打擊性相對較強，耐久性較好，冰凌期可不采用防護措施，減少防護措施費用，提高施工進度。

3.4經濟性比較

本工程中樁基礎部分每延米單價為， 650mm×650mm預應力混凝土空心方樁約25.87萬元/米（含防腐費用）。φ800mmPHC管樁約24.43萬元/米，若慮抗凍防護措施費用，φ800mmPHC管樁每延米單價25.08萬元/米。可見，此工程中φ8 0 0 m m PHC管樁與650mm×650mm預應力混凝土空心方樁方案，造價相差不大。

4.結論

（1）與φ800mmPHC管樁比較，650mm×650mm預應力混凝土空心方樁在抗彎性能、抗剪性能方面有明顯的優勢。

（2）650mm×650mm預應力混凝土空心方樁與φ800mmPHC管樁均能承受冰荷載的作用。但由于冰凌期水位變動區處于方樁樁頭混凝土實心段，相較于PHC管樁空心樁頭，預應力混凝土空心方樁抗凍性更強，且節省了防護措施費用，有利于推進施工進度。

（3）由于預應力混凝土空心方樁樁頂6m范圍一般為實心段，抗打擊能力相比φ800mmPHC管樁較強。

綜上所述，兩種方案造價相當，但與φ8 0 0 m m P H C管樁比較，650mm×650mm預應力混凝土空心方樁耐久性、抗凍性、抗打擊能力更強。故本工程采用650mm×650mm預應力混凝土空心方樁作為基樁。

目前基樁施工已完成。根據對6根試樁進行初打和復打高應變動力檢測結果表明：樁身完整；初打檢測單樁豎向承載力最大值為5329kN，最小值為3912kN；經8～10天樁周土體恢復后復打檢測單樁豎向承載力最大值為7703kN，最小值為7344kN；初復打樁的土體恢復系數最大值1.96，最小值1.44。樁身完整性及承載能力均符合規范標準、滿足設計要求，經過冬季冰凌期檢驗樁身完好。

實際上，650mm×650mm預應力混凝土空心方樁在天津港及黃驊港5～10萬噸級碼頭建設中已得到廣泛應用，積累了豐富經驗。本工程采用650mm×650mm預應力混凝土空心方樁樁基方案符合工程實際、效果良好，適宜在類似工程中推廣。

參考文獻：

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