硬質夾層深厚軟基鋼管樁設計

鄭清松

(福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004)

1 前言

以高樁梁板式碼頭為代表的高樁碼頭， 在沿海港口工程中得到廣泛應用。尤其在軟土覆蓋層深厚的灣區，高樁碼頭以其結構可靠、工藝成熟、造價經濟、施工環保、對水域生態影響較小等多方面優勢成為沿海大型港口工程的主流結構形式。 常規碼頭樁基類型主要有預制混凝土樁、鋼管樁、灌注樁等，其中鋼管樁以其強度高、延性好、穿透性強等特點運用于各種復雜地基。 結合福建某碼頭工程， 探討應用于含硬質夾層深厚軟基的鋼管樁設計參數，為類似工程設計提供借鑒。

2 工程概況

實例工程位于福州港三都澳港區，新建5 萬噸級通用泊位1 個，水工結構按靠泊10 萬噸級散貨船設計，碼頭平臺及接岸引橋均采用高樁梁板式結構。工程海域區地貌屬濱海沉積地貌，后方陸域為構造剝蝕丘陵地貌[1]。碼頭平臺區地質復雜，地勢由南往北傾斜，坡度陡，基巖埋藏較深，但埋藏深度較為平緩；引橋區域基巖巖面高程變化較大，砂土狀強風化花崗巖層面標高由海側至岸側抬升近50 m。

碼頭平臺區域主要地層結構自上而下依次為： 淤泥層、淤泥質土層、砂土狀強風化花崗巖層、碎塊狀強風化花崗巖層、中風化花崗巖層。 其中以淤泥層、淤泥質土層組成的軟土深厚，層厚27～40 m，物理力學特性極差，標貫擊數小于2 擊； 軟土層中揭露碎石夾層， 該夾層厚度2～14 m，重型動力觸探平均擊數13 擊，屬中密碎石土。淤泥質土下臥土層為淺薄的砂土狀強風化層及碎塊狀強風化層，平均層厚不足2 m。

3 鋼管樁設計

3.1 樁基選型

樁基選型的主要因素包括：①碼頭平臺設計荷載，樁基需具備較大抗彎能力；②軟土層深厚，提供樁基側摩阻力有限；③軟土層中的碎石夾層密實度高、局部厚度大，樁基需具備良好貫穿能力。

碼頭樁基結構可供選擇的成熟樁型主要有預應力砼方樁、鉆孔灌注樁、PHC 樁、大管樁及鋼管樁。結合該工程特點，因預應力方樁抗彎能力不足、PHC 樁及大管樁穿透能力有限、鉆孔灌注樁投資大工期長，實例工程最終選用鋼管樁作為碼頭平臺的樁基。

3.2 常規樁尖形式

近年來鋼管樁在港口工程中大量使用， 合理選擇鋼管樁樁尖形式成為設計過程中的重要研究內容。 鋼管樁樁尖類型主要分為敞口及半敞口， 敞口樁即樁尖不設內隔板， 半敞口樁即在樁尖內部增設隔板， 樁尖形式見圖1。 樁尖的選擇直接決定樁體的穿透能力及樁端承載力，敞口樁主要缺點是通過樁尖土芯閉塞效應產生的樁端承載力較小，半敞口樁劣勢是沉樁時穿透性較差、實施較為困難。因此在樁基碼頭樁尖確定時需合理平衡地質因素、碼頭荷載及經濟性。

圖1 鋼管樁樁樁尖形式

3.3 含硬質夾層土體的樁尖型式

工程區深厚軟土層中夾雜中密碎石土層。 碎石土夾層厚度大、密實度高、下臥軟土層力學性能極差，系典型含硬質夾層深厚軟基。 碼頭樁基需穿透該硬質夾層及其下臥軟土層至基巖持力層，對樁基的貫穿能力要求較高，因此樁基的穿透性能是樁尖形式選擇的決定性因素。 結合對樁基沉樁性能及硬質夾層力學特性的判定， 優先考慮敞口樁或者穿透性能良好的半敞開樁， 保證碼頭結構安全性、沉樁施工可行性。

3.4 樁基承載能力確定

碼頭工程設計中的樁基承載力的確定主要參照 《碼頭結構設計規范》[2]及《建筑樁基技術規范》[3]。

3.4.1 根據《碼頭結構設計規范》確定樁基承載力

利用經驗參數法確定鋼管樁的軸向抗壓強度承載力設計值：

式中，U 為樁周身長度；A 為樁尖截面面積；li為樁在各土層中的長度；qfi為樁在各土層中的極限側摩阻力；qR為樁端極限阻力；η 為承載力折減系數，具體確定方式見表1。

表1 《碼頭結構設計規范》中樁端承載力折減系數

表1 中承載力折減系數僅考慮黏性土樁內土芯及樁徑對樁端土塞效應系數的影響， 未考慮持力層為風化巖或密實砂層的樁端承載能力折減系數， 對于復雜地質的適用性有限。

3.4.2 根據《建筑樁基技術規范》確定樁基承載力

采用經驗系數法確定鋼管樁單樁豎向極限承載力標準值：

式中：u 為樁的周長；qsik為樁周第i 層土側摩阻力；li為第i 層土厚度；qbk為樁端土極限端阻力；Ap為樁端投影面積；D 為鋼管樁外徑；λp為樁端土塞效應系數。 上式中樁端土塞效應系數管樁的計算僅考慮樁端持力層的土塞效果， 未考慮持力層有深厚上覆土體時樁內土芯對土塞效應的加強。因此在軟基層深厚的地質條件下，按照公式(2)計算的承載力標準值偏保守。

3.4.3 深厚軟基中樁基承載力的確定

在地質復雜的樁基碼頭工程中， 如按上述規范確定應用于深厚軟基的敞口鋼管樁承載能力，在適用性、合理性上均顯不足。 根據王君輝等[4]的研究，鋼管樁沉樁時土體進入鋼管樁內形成土芯， 土芯穩定即土體無法繼續進入樁體時達完全閉塞狀態。依照以上原則，在考慮鋼管樁內土芯對閉塞系數的增強影響，對應用于深厚軟基、持力層為強風化層的敞口式鋼管樁樁端承載力的計算方式進行修正。

(1)計算原則

樁周側摩阻力計算原理成熟，借鑒公式(2)進行計算。樁端承載力的計算主要修正樁端土塞效應系數的選取。針對深厚軟基地質， 樁端土塞效應系數可以視為樁體內黏性土土芯相對于管壁移動時的摩擦力形成的豎向阻力PL與樁端處巖基的極限承載能力Ru的比值， 當PL≥Ru則樁端完全封閉，樁端土塞效應系數取1.0。 修正樁基承載力計算公式為：

式中：f=PL/Ru，f≥1.0 時取f=1.0。

(2)PL的確定

根據閆澍旺等[5]的研究，采用應用廣泛的山原法進行推導，當鋼管樁穿透的土體由多層土層組成，樁內土芯也呈成層狀分布。

式中：c 為黏性土的粘聚力；φ 為黏性土的內摩擦角；Υ 為土的有效容重；k 為土的側向壓力系數；μ 為砂土與管壁的摩擦因數；A0為管內橫截面積。

令K=μk，其推薦指標范圍如表2 所示。

表2 SY/T1009-1993K 的計算系數K 推薦表

敞口鋼管樁內土芯豎向總阻力值為：

3.4.4 實例工程的樁基承載能力確定

(1)樁體參數

實例工程采用外徑1.2 m 的敞口式鋼管樁作為碼頭基樁，壁厚d=22 mm，樁身周長U=3.77 m，管內橫截面積A0=1.05 m2，樁基持力層為碎塊狀強風化花崗巖。 選取2根試樁位置K4、K22 進行樁基承載力的計算， 樁基入土深度約40 m，土層參數見表3。

表3 土體主要物理力學性質指標建議取值表

(2)按《建筑樁基技術規范》計算樁基承載力

樁基承載力計算結果如表4 所示。

表4 規范樁基承載力計算結果

計算結果表明，按規范樁端土塞效應系數取值偏小，致樁基承載力偏小， K4、K22 樁位承載力不能滿足設計樁力要求，需增加排架樁數或增大樁徑。

(3)按修正法計算樁基承載力

按考慮樁體內土芯作用的修正法公式(3)～(6)計算樁基承載力，結果見表5。

表5 修正法樁基承載力計算結果

計算結果表明， 根據修正法計算的樁基承載力滿足樁基承載力設計要求。 當1.2 m 直徑敞口鋼管樁入土深度近40 m 時，其樁端土塞效應有大幅度提升。

在深厚軟土地基的設計中， 尤其在持力層堅硬且上覆土層性狀較差的不利地質情況下， 如僅通過樁基進入持力層深度進行樁端土塞效應系數的判別， 設計參數過于保守，或造成樁基投資不必要的投資浪費。

4 試樁高應變檢測結果

為驗證修正法計算得出的樁基承載力， 對試樁位K4、K22 進行高應變檢測。 檢測結果[6]與計算結果對比情況如表6 所示。

表6 高應變檢測及結果比較

采用規范計算的樁基承載力結果與高應變檢測結果偏差值大于30%； 采用修正算法計算的樁基承載力偏差比率很小，與樁基高應變檢測結果相近。 因此，當鋼管樁應用于深厚軟基時， 建議采用上述修正法進行敞口鋼管樁樁基承載力的計算。

5 結論

(1)工程設計中，對應用于含硬質夾層深厚軟基的鋼管樁應充分認識地質條件的特殊性，避免按照規范盲目確定樁基設計參數，尤其是樁尖形式和樁端土塞效應系數。

(2)應用于該類型地質的鋼管樁應合理確定其樁尖形式，樁基需穿透硬質夾層及其下臥軟土層至基巖持力層。故樁基的穿透性能是樁尖形式選擇的決定性因素， 建議在有硬質夾層的深厚軟基地質條件下， 設計選擇敞口樁或者穿透性能良好的半敞開樁。

(3)敞口鋼管樁在確定其樁端土塞效應系數時，應充分考慮上覆土體對樁內土芯土塞效應的強化， 合理選擇樁基樁徑、壁厚及持力層，以優化設計、合理節約項目投資。