高壓旋噴樁在重力式沉箱碼頭設計中的應用研究

張晉愷，李 健，白金浩，黃明俊

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

關(guān)鍵字：高壓旋噴樁；軟基加固；沉箱碼頭

引 言

高壓旋噴樁技術(shù)可應用于水運工程中的軟基加固、止水防滲以及減小結(jié)構(gòu)后方土壓力等[1]。以廈門港海滄港區(qū) 22#～24#泊位工程為例，碼頭結(jié)構(gòu)標準段采用“沉箱+拋石基床”方案，為盡量減少碼頭施工時對廈漳大橋橋墩的影響，橋墩附近處碼頭結(jié)構(gòu)選用“沉箱+高壓旋噴樁基礎”方案。本文通過理論計算，進一步研究高壓旋噴樁在重力式沉箱碼頭設計中的可行性。

1 依托項目背景

本文依托項目為廈門港海滄港區(qū)某泊位工程，該工程位于九龍江河口灣北岸，其東側(cè)為已建20#～21#泊位，西側(cè)為規(guī)劃建設的通用泊位。廈漳大橋橫穿廈門港海滄港區(qū)該泊位碼頭及陸域部分，其中北汊主橋的北橋墩海側(cè)邊線距離碼頭前沿線約46 m。

本工程碼頭為重力式沉箱結(jié)構(gòu)，標準段基床采用大開挖換填塊石處理方案。因廈漳大橋橋墩的存在，為減少碼頭施工及使用時對橋墩的影響、節(jié)省投資，橋墩附近的碼頭結(jié)構(gòu)方案需重新進行選型論證。

2 碼頭結(jié)構(gòu)方案選型

碼頭結(jié)構(gòu)考慮“沉箱+拋石基床”和“沉箱+高壓旋噴樁基礎”兩種方案進行比選。

2.1 “沉箱+拋石基床”方案

1）結(jié)構(gòu)方案

沉箱頂高程3.0 m，單個沉箱底寬14.35 m、縱向長18.21 m，設置前趾（長度為1.2 m），每個沉箱重約2 200 t。沉箱內(nèi)底部填砂，頂部回填10～50 kg塊石。沉箱上部現(xiàn)澆鋼筋混凝土胸墻，碼頭后拋填拋石棱體。棱體后設置土工布、混合倒濾層及二片石墊層。沉箱底部基床為10～100 kg塊石。為降低造價，基床下部的基槽根據(jù)承載力開挖至密實的粗砂混卵石層。由于拋石基床較厚，在滿足應力要求的基床面以下，采用夯實處理后的開山石。

2）存在主要問題

北汊主橋橋墩位于擬建碼頭的 24#泊位，其中主橋墩海側(cè)邊界距離碼頭前沿線僅為46 m，橋墩處碼頭結(jié)構(gòu)若采用“沉箱+拋石基床”方案，基槽開挖底高程約29 m，基槽開挖施工時北汊主橋墩底部土體會被部分挖除，橋墩海側(cè)邊界處開挖深度約15 m，碼頭開挖斷面如圖1所示。

圖1 “沉箱+拋石基床”碼頭斷面示意

2.2 “沉箱+高壓旋噴樁基礎”方案

1）結(jié)構(gòu)方案

為盡量減少基槽開挖對橋墩的不利影響，碼頭采用“沉箱+高壓旋噴樁基礎”結(jié)構(gòu)，岸坡同樣進行高壓旋噴樁加固。本方案先對碼頭基床底部以及橋墩還海側(cè)的三面進行高壓旋噴樁防護，后進行基槽和岸坡開挖。碼頭地基處理方式由大開挖換填改為高壓旋噴樁，基槽開挖深度可抬高至-14.6 m，后方邊坡在此基礎上進行開挖，底部坡度 1:2，頂部淤泥質(zhì)土坡度 1:4。基槽開挖后進行頂部拋石基床施工，基床施工完成后進行沉箱安放及上部結(jié)構(gòu)和后方回填施工。沉箱及上部結(jié)構(gòu)同“沉箱+拋石基床”方案。本方案施工過程中輔以相應的檢測措施，碼頭斷面及橋墩防護范圍如圖2、圖3所示。

圖2 “沉箱+高壓旋噴樁基礎”碼頭斷面示意

圖3 橋墩處高壓旋噴樁處理平面

2）存在主要問題

本方案需先進行高壓旋噴樁施工，后進行岸坡和基槽開挖。為保證成樁質(zhì)量，高壓旋噴樁施工時按陸上施工考慮，實施前需先回填泥面高程至施工水位以上，由于基床底高程較低，高壓旋噴樁實施效果有待于進一步驗證。

2.3 碼頭結(jié)構(gòu)方案選型

橋墩處碼頭結(jié)構(gòu)采用“沉箱+拋石基床”方案時，橋墩周邊土體會被不均勻挖除。經(jīng)與大橋設計單位溝通，橋墩附近土體不允許直接開挖，故拋石基床方案在橋墩處不可行，橋墩處碼頭選用“沉箱+高壓旋噴樁基礎”方案。

3 碼頭結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

3.1 高壓旋噴樁處理深度優(yōu)化

1）地質(zhì)條件

工程所在位置處的土層上部為海相成因的淤泥混砂、中砂、淤泥、淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，中部為海陸交互相的粘土、粉質(zhì)粘土及陸相成因的殘積土，下部為全、強、中風化花崗巖。

地層結(jié)構(gòu)自上而下依次為：①1淤泥混砂、①2中粗砂、淤泥夾層、②1淤泥、②2淤泥質(zhì)粘土、③1粘土、③2粉質(zhì)粘土、③3粗礫砂、③4圓礫混卵石、④殘積土、④1全風化巖、④2強風化花崗巖、⑤中風化花崗巖。

表1 各巖土層地基容許承載力

2）高壓旋噴樁處理深度優(yōu)化

標準段碼頭主要選用③4圓礫混卵石（局部③3粗礫砂）作基礎持力層，橋墩處碼頭基礎采用高壓旋噴樁處理，可根據(jù)整體穩(wěn)定性計算初步判定樁底高程。穩(wěn)定按平面問題考慮，假定滑動體是剛體，滑動面是圓弧面，計算公式及水位按“港口工程地基規(guī)范（JTS 147-1-2010）”采用未處理土體采用快剪強度指標，高壓旋噴樁處理區(qū)域綜合土體強度指標取c=271 kPa，Φ=31°。高壓旋噴樁處理至③4圓礫混卵石和③2粉質(zhì)粘土層時，計算結(jié)果如圖 4所示。

通過計算得知，高壓旋噴樁的處理深度仍需達到③4圓礫混卵石層，當處理深度提升至③2粉質(zhì)粘土層層，碼頭結(jié)構(gòu)不滿足整體穩(wěn)定性要求。

圖4 整體穩(wěn)定計算1

3.2 旋噴區(qū)域綜合土體指標優(yōu)化

根據(jù)3.1節(jié)的計算結(jié)果，高壓旋噴樁處理區(qū)域綜合土體強度指標取c=271 kPa，Φ=31°時，碼頭整體穩(wěn)定抗力分項系數(shù)為 1.402，滿足規(guī)范要求。降低旋噴樁處理區(qū)域土體綜合強度指標，經(jīng)反復試算，當碼頭結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定抗力分項系數(shù)不低于 1.0時，得到優(yōu)化后的土體強度指標c=200 kPa。其中，試算結(jié)果如圖5所示。

圖5 整體穩(wěn)定計算2

3.3 高壓旋噴樁平面布置優(yōu)化

1）單樁豎向承載力特征值

單樁豎向承載力特征值若無現(xiàn)場載荷試驗時，可按照以下兩公式分別估算樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力及樁身材料強度確定的單樁承載力后取小值[2]。

單樁承載力（樁身強度提供）計算公式如下：

式中：

Ra為單樁豎向承載力（kN）；

fcu為相同配比室內(nèi)試塊 28 d立方體抗壓強度均值（kPa），取3 000 kPa；

η為樁身強度折減系數(shù)（濕法取0.25～0.33），本文取0.3；

Ap為樁身面積（m2）。

單樁承載力（樁周土和樁端土抗力提供）計算公式如下：

式中：

Ra為單樁豎向承載力（kN）；

up為樁體周長（m）；

qsi為土層側(cè)阻力（kPa）；

li為土層厚度（m）；

qp為土層端阻力（kPa）；

Ap為樁身面積（m2）。

2）復合地基承載力

豎向承載旋噴樁復合地基承載力特征值若無現(xiàn)場載荷試驗，也可按下式估算[2]：

式中：

fspk為復合地基承載力特征值（kN）；

m為面積置換率；

Ra為單樁豎向承載力特征值（kN）；

Ap為樁身面積（m2）；

β為折減系數(shù)，宜按經(jīng)驗取值（無經(jīng)驗時可取0.75～0.95），承載力高時取大值；

fsk為處理后樁間土的承載力特征值（kPa），缺乏經(jīng)驗時可用天然地基承載力代替。

3）旋噴樁平面布置優(yōu)化

根據(jù)前文計算，高壓旋噴樁處理深度需至粗砂混卵石層。通過假定高壓旋噴樁的置換率，分別驗算高壓旋噴樁處理土體的單樁豎向承載力，以及高壓旋噴樁處理區(qū)域復合地基承載力，當復合地基承載力滿足規(guī)范要求時確定的面積置換率對應高壓旋噴樁最優(yōu)平面布置。

通過反復試算，當旋噴樁直徑D=1 m、樁體間距L=1.2 m（面積置換率m=0.545）時，復合地基承載力特征值fspk=516 kPa；當旋噴樁直徑D=1 m、樁體間距L=1.5 m（m=0.349）時，fspk=347 kPa；本工程沉箱碼頭基底應力最大值為 502 kPa，為保證安全，同時考慮施工可行性，本工程旋噴樁直徑取1.0 m，優(yōu)化后樁體中心距取1.2 m。實際工程應用時，應結(jié)合現(xiàn)場試驗確定相應計算參數(shù)的合理性。

4 結(jié) 語

高壓旋噴樁主要應用于水運工程中的軟基加固、止水帷幕、減小結(jié)構(gòu)后方土壓力等。本文為盡量減少碼頭施工時對大橋橋墩的影響，橋墩附近處碼頭結(jié)構(gòu)采用“沉箱+高壓旋噴樁基礎”方案。該方案通過整體穩(wěn)定性計算確定旋噴樁處理深度及旋噴樁綜合強度指標，通過復合地基承載力計算進一步優(yōu)化旋噴樁的平面布置，從而確定高壓旋噴樁在重力式沉箱碼頭設計中的理論可行性。本文研究為重力式沉箱碼頭基礎處理方式提供一種新的設計思路，對相似工程設計具有一定的參考意義。