高震地區墩式碼頭樁基布置比較

熊浦年 廣東省航運規劃設計院有限公司

1.研究背景

印尼某電廠配套8000 噸級駁船碼頭位于北緯1°22′08.21″東經125°05′08.67″海域，該海域位于全球地震活動最強烈的環太平洋火山帶地震中。碼頭建設因受到項目地質條件及及施工技藝、等多方面的制約需采用高樁墩式碼頭結構。樁基碼頭的整體剛度相對于重力式碼頭而言較小，在受震情況下容易產生較大的位移。因此研究比較一種合理的樁基布置形式對于本項目的實施，以及后續同類項目的建設具有較大意義。

2.自然條件

2.1 設計水位

本報告的高程系統采KEMA克馬平均海平面。

極端高水位（重現期50年高水位）：0.94m

設計高水位（高潮累積頻率10%）：0.73m

設計低水位（低潮累積頻率10%）：-0.56m

極端低水位（重現期50年低水位）：-0.69m

平均水位：0.0m

2.2 泥沙及波浪

根據本項目的波浪泥沙數學模型及水文報告，項目所在地主要為以弱潮汐漲落控制基巖粉砂質海岸，泥沙來源有限，主要粒徑為0.02mm到0.05mm之間，少數礫石區域的中間礫徑在8.25至10.05mm之間。根據數模及物模結果，碼頭竣工后，最大水流流速約為0.23米每秒。由于碼頭東側已建電廠取水口攔砂堤，故泥沙對碼頭的影響較小。

本工程對海域波況進行了為期1個月的監測，測量時間為2018年8月4日～2018年9月3日。分析結果顯示工程海域波浪方向較為集中，體現為S～SE之間，強浪向及常浪向為SSE向，發生頻率約52%，平均波高0.58m、平均周期3.4s、最大有效波高1.14m、最大波高為1.9m。且本碼頭屬透空式樁基結構，故本碼頭水工結構對波浪作用的影響可以忽略不計。

2.3 工程地質

依據現狀碼頭的相關地質勘查報告，本工程碼頭所處地區地質分布比較均勻，起伏不大，上軟下硬。基本上分為灰色淤泥，灰色亞粘土（局部為灰色淤泥質亞粘土），灰色中粗砂和砂頁巖風化層。

根據地勘報告揭示的結果以及現場試驗、實驗室試驗所測得的數據。場地地下土壤剖面由軟至硬粘土/淤泥土組成，鉆孔深度達60m。可大體上分為3層：第1層：非常松散至中密砂，位于海底平面以下約10m至12m。第2層：由中軟粉質粉砂組成（SPT值為4至15）這些層位于海平面下12至50m。第3層：硬粉質，深至極深砂組成，SPT值大于50，位于海平面下50m。

3.總平面布置

3.1 總平面布置原則

總平面布置在靠考慮電廠使用方式，船舶裝卸作業及項目總投資的基礎上，結合項目所在地波浪，水深等自然條件上，依照《海港總體設計規范》（JTS 165-2013）等相關規范要求；充分考慮碼頭裝卸工藝，提高固定設備的裝卸效率，減少皮帶機及輸煤廊道的長度。在滿靠泊要求前提下，盡可能利用原有的水深條件，減少疏浚量，降低工程造價，節約投資。

3.2 設計船型主尺寸

設計代表船型主尺寸見表1。

表1 設計代表船型尺度

3.3 碼頭平面布置方案

印尼某電廠配套碼頭作為電廠輸煤來源的重要分部工程，主要采用高樁墩式結構，碼頭總長122米，最大處寬度17米。共5個墩臺，包括兩個系纜墩臺，兩個靠船吊機墩臺，一個卸煤漏斗平臺墩臺。碼頭前方作業平臺通過長150米寬8米的引橋與后方陸域相連，碼頭平面布置方案詳見圖1。

圖1 碼頭水工平面布置方案圖

4.結構分析

針對碼頭受震下可能出現破壞最為嚴重的組分進行地震反應譜分析，通過調整樁基平面布置形式，樁的扭轉角度，分析樁身受力的變化及結構的整體位移，推薦較為合理耐用的樁基平面布置形式。

4.1 分析對象選取

因吊機靠船墩臺作為碼頭主要墩臺中承受荷載種類最多，包括固定吊荷載、波浪荷載、撞擊力荷載、系纜力荷載等，荷載載荷最大，數量最多。且碼頭受震時工作人員的安全隱患較重，所以選擇靠船墩臺作為本報告分析的水工構筑物。

4.2 碼頭荷載

①碼頭前沿均布荷載：20kPa。

②固定吊基礎荷載：最大傾覆力矩6900kN·m，最大垂直力1250kN,最大水平力140kN。

③移動荷載：25t汽車吊。

④系纜力650kN，撞擊力445kN每鼓（兩鼓一板）。

4.3 地震荷載及反應譜

4.3.1 場地條件

場地參數見表2。

表2 場地參數

4.3.2 反應譜

根據ASCE 7-1011.4條計算地震加速度反應譜相關特征參數，并通過MIDAS CIVIL有限元分析軟件倒入后可得設計加速度反應譜曲線如下：

通過計算整理

對于T≤T0:（分段①）

圖2 無量綱加速度反應譜曲線

4.4 吊機靠船墩臺結構方案

吊機靠船墩臺主要由上部現澆C40混凝土實體墩及下部樁基組成，由于項目地處于環太平洋火山地震帶，震烈較大，周期較長，因此樁基優先選用，質量輕，延性大，彈性好的鋼管樁，以降低地震危害。墩臺采用直徑1016mm的鋼管樁。樁身材料為ASTM A252，壁厚18mm。鋼管樁打入持力層ML砂層不少于2倍樁徑且最后10擊的平均貫入度小于6mm。

圖3 碼頭水工平面布置方案圖

吊機墩臺上部尺寸為17m長，15m寬，厚度為2m。本文分析的3種吊機墩臺結構方案主要區別于樁基的布置方案。

方案一：吊機靠船墩臺采用全直鋼管樁，規格為Φ1016mm鋼管樁，壁厚18mm形成基礎，樁長50.1m。

方案二：吊機靠船墩臺中心采用4根斜度為3:1扭角為30°的斜樁，其余為全直樁。

方案三：吊機靠船墩采用全斜樁，斜度為3:1扭角為30°。

5.結構計算

本次計算采用“MIDAS CIVIL有限元軟件”對結構進行建模計算。

碼頭作用包括結構自重、地震作用、船舶作用力、人群荷載、堆貨荷載、工藝設備及流動機械荷載等。各作用效應按《水運工程抗震設計規范》JTS 146-2012,對實際可能在碼頭結構上同時出現的作用，按不同水位情況下偶然狀況予以考慮組合。

地震作用下的荷載組合主要考慮地震效應+結構自重力+船舶系纜力。

吊機靠船墩臺采用全直樁，規格為Φ1016mm鋼管樁，壁厚18mm形成基礎，樁長50.1m，鋼管樁持力層進入ML砂層不少于2倍樁徑且最后10擊的平均貫入度小于6mm。其樁基內力和單樁承載力設計值見表4。

表3 樁基特征表

表4 樁基承載力計算結果表

圖4 墩臺斷面圖

6.對比分析

三種結構方案的優缺點對比情況見表5。

表5 結構方案比選表

結合樁基礎受力及施工方法分析，結構方案一樁基礎受力分布更均勻，整體性好，且施工較為方便，地震下樁基結構的受力較為均衡，能充分發揮鋼管樁延性大的優勢，減少震時結構損壞的可能性。結構方案二均布斜樁方案，使用期設置斜樁的墩臺能有效減少船舶靠船時結構體系承受水平作用力下的橫向位移，但局部的斜樁支撐容易使得局部剛度發生較大的變化，地震作用下荷載較為集中，容易造成樁端拉裂，劈裂等損傷。結構方案三全斜樁方案能有效提高碼頭的水平剛度，提升使用過程中的抗水平位移能力，但為滿足抗震要求，需設置較多的斜樁。樁基間距較近，且斜度不一，施工較為不變。綜合考慮，本次設計推薦結構方案一。

7.設計體會和結論

（1）強震地區高樁墩式碼頭的樁基布置對于研究強震下高樁墩式碼頭樁基結構的強度以及受震下樁基的破壞成因具有重要的參考與指導意義，對于地震地區樁基的布置方式具有一定的借鑒意義。

（2）采用全直樁基礎的高樁墩式碼頭能夠有效的提升結構體自身的自振周期，雖減少了結構體抗水平位移的能力，但同時降低的結構體在水平向的剛度大小，使得地震作用的水平荷載難以對結構體局部造成較大的破壞，降低了結構體震后受損的風險。

（3）高樁墩式碼頭由于上部墩體現澆混凝土量較大，上部結構體積大，質量較大，受震時全斜樁結構需要大量的斜樁來分散地震作用下產生的樁拔力，工程造價較大，且施工較為不便，設計過程中還需大量對比研究樁基的布設方式，對設計與施工均有一定的難度。但在可能的情況下，采用全斜樁的合理的布置形式能夠對約束結構體水平向位移產生積極的作用。

（4）對于有使用與作業要求的墩臺在考慮地震作用時碼頭的位移除應考慮平臺面本身的位移，還應考慮樁土接觸面，及設備上方作業空間的位移，對結構的整體安全性進行充分的研究。

8.總結

隨著世界各地經濟發展方向轉變以及第三世界國家對工業性基建設施的需求增加等因素，碼頭建設的范圍也逐步加大，許多地震帶上的第三世界國家對于建設港口需求也逐步加大。如何在條件較為惡劣的地震帶上建設碼頭逐漸成為了我國一帶一路建設過程中亟需考慮的問題。結合本項目的研究與分析，采用全直樁的鋼管墩式樁碼頭抵抗強震災害的能力較強，其不但能充分發揮鋼管樁自身延性，彈性較好的，且質量輕的特征。還能減少震時結構的破壞可能性，降低震后結構破壞的程度，還能極快的加大項目的施工速度，既便于設計分析，也便于施工。本文通過對不同樁基形式的墩式碼頭受震情況下樁身內力的分析比較，對強震地區下高樁墩式碼頭的樁基設計及平面布置具有一定意義，也為同類型碼頭工程優化結構設計提供了一種思考方向。