剛性樁復合地基和復合樁基在重力式碼頭中的應用

吳曉龍

（中鐵建蘇州設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000）

提要：在某重力式碼頭設計過程中，分別采用剛性樁復合地基方案和復合樁基方案解決地基承載力不足的問題，總結了兩種方案的主要計算過程和計算理論，供類似設計參考。

引 言

現行《碼頭結構設計規范》（JTS 167-2018）指出，重力式碼頭地基承載力不足時可采用樁基，但水運行業相關規范并未給出采用樁基時地基承載力的計算方法。重力式碼頭采用樁基礎時，樁基位于泥面以下，參考其他相關行業規范，常規的計算理論有《建設地基處理技術規范》（JGJ 79-2011）中的復合地基理論和《建筑樁基設計規范》（JGJ 94-2008）中考慮承臺效應的復合樁基理論。

剛性樁復合地基是部分土體被剛性樁置換而形成的由地基土和剛性樁共同承載荷載的人工地基；復合樁基是由基樁和承臺下地基土共同承擔荷載的樁基礎。二者的不同之處在于：前者上部荷載主要由樁間土承擔，后者上部荷載主要由基樁承擔。

剛性樁復合地基通過樁體將承受的上部荷載向下層土體傳遞，減小了樁間土的荷載，提升了復合地基的承載力。剛性樁復合地基通常會在樁頂與上部結構之間鋪設一定厚度的褥墊層，褥墊層具有減小基礎底面的集中應力，調整樁土荷載分擔比，保證樁土共同作用的功能。

復合樁基樁頂與上部結構直接相連，摩擦型群樁在豎向荷載作用下，由于樁土相對位移，樁間土對承臺產生一定的豎向抗力，成為樁基豎向承載力的一部分而承擔荷載，該效應成為承臺效應。復核樁基上部荷載主要由基樁承擔，承臺底部樁間土體承擔的荷載占比受樁間土類型、樁中心距、樁長等因素影響。

1 基礎資料

擬建工程位于某內河，為工作船碼頭。主要設計資料如下：

1）設計高水位20.60 m；設計低水位13.70 m。

2）地面均載20 kPa。

3）船舶系纜力150 kN。

4）抗震設防烈度為 6度，設計基本地震加速度值為0.05g。

5）設計采用某鉆孔資料，主要指標如表1。

表1 各地層指標統計

2 上部主體結構設計

根據設計基礎資料及使用要求，擬定上部結構采用重力式現澆混凝土結構，碼頭斷面采用衡重式，碼頭前沿頂高程 21.60 m，碼頭前沿底高程9.60 m，現澆混凝土墻身高 12.0 m，墻身底寬6.60 m。墻身底部設置厚1.30 m的現澆鋼筋混凝土基礎板。基礎板底寬9.0 m。

圖1 上部結構設計示意

根據《水運工程地基設計規范》（JTS 147-2017）采用對數螺旋滑動面按條分法進行計算，地基承載力主要計算結果如表2。

按上述計算結果，碼頭結構重要性系數取1.0，地基承載力抗力分項系數計算值最小值為1.65，不能滿足規范要求（規范要求分項系數2.0～3.0），需要對原地基進行處理。基礎板底部荷載計算結果如表3。

表2 地基承載力主要計算結果

表3 基礎板底部荷載計算結果 /kPa

3 剛性樁復合地基方案

3.1 地基承載力驗算

基礎底面的壓力，應符合下列規定[1]：

式（1）、（2）中各符號解釋詳見文獻[1]。

根據本文第 2節計算結果，最不利組合情況下，pk=（149.5+251.7）/2=200.6 kPa，pkmax=251.7 kPa。綜合上述公式（1）、（2），為滿足地基承載力要求，本工程修正后的復合地基承載力需滿足條件fa≥209.7 kPa。

3.2 復合地基承載力特征值

修正后的地基承載力特征值按下式計算[1]：

式（3）中各符號解釋詳見文獻[1]。

根據文獻[2]3.0.4條，基礎寬度的地基承載力修正系數ηb取0，基礎埋深的地基承載力修正系數ηd取1.0。為簡化計算，忽略褥墊層厚度，本工程基礎埋深d為1.3 m，基礎底面以上土的加權平均重度γm近似取10.0 kN/m3。將以上數據帶入公式（3），修正后的地基承載力特征值計算公式為：

復合地基承載力特征值按下式計算[2]：

式（5）、（6）中各符號解釋詳見文獻[2]。

設計樁基采用PHC-400-AB型管樁，等邊三角形布置，樁距1.2 m，基礎底面以下樁長12.0 m。上式中系數λ、β、ap均取1.0。經計算面積置換率m=0.10，Ra=470.2 kN， fspk=485.0 kPa。

綜上，fa=493.0 kPa≥209.7 kPa，復合地基承載力滿足要求。

4 復合樁基方案

4.1 樁基豎向承載力驗算

偏心豎向力作用下，樁基豎向承載力計算應符合下列要求[3]：

式（7）、（8）中各符號解釋詳見文獻[3]。

根據本文第 2節計算結果，pk=200.6 kPa，pkmax=251.7 kPa。

設計樁基型號及布置方案與復核地基方案相同。經計算，單根樁分擔的面積為 1.25 m2，基樁平均豎向力和最大豎向力為：Nk=200.6×1.25=250.8 kN，Nkmax=251.7×1.25=314.6 kN。

綜合式（7）、（8），為滿足樁基豎向承載力要求，本工程復合基樁豎向承載力需滿足條件R≥262.2 kN。

4.2 單樁豎向承載力特征值

考慮承臺效應的復合基樁豎向承載力特征值按下列公式計算[3]：

式（9）、（10）、（11）中各符號解釋詳見文獻[3]。

經計算，式中各參數值為：Ra=470.2 kN，ηc=0.10，fak=120 kPa，Ac=1.12 m2，將各參數代入式（9）可得R=489.1 kN。

綜上，R=489.1 kN≥262.2 kN，復合基樁豎向承載力滿足要求。

5 結 語

雖然在擬定的樁基設計參數條件下兩種方案均能滿足地基（樁基）承載力要求，但采用復合地基方案安全儲備（493.0/209.7=2.35）要優于復合樁基方案（489.1/262.2=1.87）。主要原因在于，采用復合地基方案，在褥墊層的作用下，原地基土能相對較大的發揮其承載力，特別是采用擠土樁時，樁間土承載力發揮系數較高（可達0.9～1.0）。而復合樁基方案由于沒有褥墊層，上部荷載直接作用于樁基上，承臺效應系數（承臺底面地基土承載力發揮率）較小，特別是在樁距較小的情況下（本工程僅約0.10），樁間土所起的作用有限。因此，在同等條件下按承載力控制設計，剛性樁復合地基經濟性要優于復合樁基。