淺層基巖地質條件下直立式碼頭樁基設計研究

徐瑋

（蘇交科集團股份有限公司，南京 江蘇 570203）

隨著我國港口建設的迅速發展，所處的工程地質情況也日益復雜，因此，在工程設計中，應針對不同的工程特點，合理地選取和優選適合于工程特點的碼頭地基，以達到安全、合理和經濟的目的。本文以武漢新港陽邏港三碼頭一期項目為例，對結構選型和布置優化進行了細致的探討，并利用樁基礎的平衡檢驗驗證了其承載量。

1 工程概況

該項目是武漢陽邏經濟技術開發區長江陽邏水道的左岸，距離武漢關29.5 公里，長江陽邏大橋1.9 公里，距離吳淞口下游1013.5 公里。其地理位置是：東經114度32 度59 英寸，而北緯30 度39 度28 英寸。工程高水位為26.00 米（50 年代）；設計的低潮面8.95 米（安全系數98%）；工程高程為27.20 米，高程11.0 米。

經對該項目的集裝箱運輸能力進行了預測和分析，2020 年和2030 年集裝箱運輸能力將達到1620,000 TEU和3580,000 TEU。根據項目的地形特點，設計了8 個貨柜碼頭，總長度563 米。該項目是一艘5000 噸的江海船，其規格為122.8*18.8*8.6*4.2[3]。

2 結構選型比較

按照作者的工作經歷，[4～6]認為，在淺巖地基上建造的港口主要有兩種：高樁型和重力型。為此，文章對兩種方法的優點和不足進行了討論，并對其進行了較為合理的選擇。

（1）由于該項目為淺層巖石地基，其開挖深度較低，承載力大，采用高樁型和重力型碼頭是技術上的可行性。

（2）該項目為一個大水位差的典型區域，設計最高水位差為17.05 米。高樁碼頭在總體布局、船型設計、裝卸工藝等方面均優于重力式。

（3）該港口的面積很大，如果使用重力型（例如方形碼頭），由于積木的數量過多，整體會降低，而且每一方的吊重都會增大，對船舶的設備的需求也會很高；所以，重力式構造是不可取的。

（4）結合上述因素，提出了采用高樁支護形式的方案。由于該碼頭施工場地是基礎地質條件，故采取了嵌巖樁法。

3 樁基結構優化

3.1 原結構設計方案

碼頭的平面規模是563*30 米（長*寬）.排架間隔8 米，共計71 米，排架地基為φ1800 灌注式嵌巖樁柱，在兩排中各安裝5 個直樁（兩個直樁間間隔2.5米），兩端各有一支斜樁支，并在樁身與樁端安裝直徑為φ1200 的鋼橫支撐。為了提高碼頭的側向剛性，提高碼頭的側向剛性。

3.2 方案缺點分析

本文結合實際項目的施工背景，結合以前的設計實踐，提出了一種新的解決方法。

（1）樁基礎距離稍短，因而基礎數目稍多，增加了項目的建設投入；

（2）經計算和有關的分析，無需設斜樁基。另外兩個斜樁會加大施工的工作量，提高施工的效益，加大項目的建設投入；

3.3 樁基優化

根據該方案的不足，提出了兩種最優方法：

（1）為了減少樁的數目和節省建設資金，提出了一種基于螞蟻算法的改進方法，即在保證結構的基礎上增加了樁的間隔。經過最優的計算和分析，確定了最適宜的間隔是3.3 米，從而使排架的間隔增加到10 米。

（2）在樁基礎施工中，對斜樁的施工要求高，施工難度大。通過對工程實例的分析，證明了在去掉原有設計中兩個傾斜樁基后，該工程的受力仍然符合設計的要求。所以，把所有的傾斜樁位都去掉。

3.4 后結構設計的最佳化

經作者進行了優化，結合實際情況，提出了一種新的橋墩基礎結構方案，即：橋墩間距為10 m，共計57 m，橋墩基礎為φ1800 灌注式嵌巖樁，并在樁身與樁身間安裝了φ1200 鋼筋支撐。為了提高碼頭的側向剛性，提高碼頭的側向剛性。平臺的上部構造由橫梁、前邊梁和軌道梁組成；縱梁、鋼系纜平臺、疊合面板、鋼支承部件等。在甲板和下錨索甲板之前，安裝550 kN的錨桿，并在每個錨桿上安裝DA-A500H 低反力橡膠護舷，DA-A300H 橡膠護舷。

4 樁基自平衡檢測

在完成一年的基礎上，利用樁基的自重測試，對樁端阻力、樁端阻力標準值、樁周土的極限水平阻力進行了檢驗。該測量裝置由2×14000 kN 的載荷盒、60 MPa的油磅、靜態電阻應變儀和電子位移儀；鋼筋測試儀和測頻器等。

4.1 靜載荷測試的檢驗與檢驗

（1）試驗按照 JT/J738-2009 《基樁靜載試驗自平衡法》進行，以檢測樁為基礎，以高速保持荷載為主。而從成樁到測試間隔的間隔期：在滿足設計要求后，不能少于15 個工作日。

（2）載荷等級：估計載荷分為10 個階段，一級載荷分為兩個階段，第二階段分為5 個階段。

（3）位移觀察：在每次荷載作用后的第一小時，分別在5、15 和30 天進行；每隔45、60 分鐘測量一次。電子位移傳感器與計算機相連，通過計算機直接進行數據的收集和存儲。

（4）不變的準則：在前30 分鐘，如果不超過0.1毫米，則可以視為穩定。

（5）結束裝載狀態：①整體位移。當整體位移超過40 毫米時，在上一階段的荷載作用下，其沉降超過或超過上一階段的5 個時，荷載就會結束。以該端部較低的載荷為最終載荷。②當整體位移超過40 毫米時，在此階段外加24 h 以上的載荷沒有達到高溫狀態，則負載結束。以該端部較低的載荷為最終載荷。③裝載至測試請求裝載的數值為終止狀態。

（6）加載、卸載分級

加載步驟：0→2300→3450→4600→5750→6900→8 050→9200→10350→11500

卸載步驟；11500→9200→6900→4600→2300→0

以3 號樁為代表，將其靜載試驗位移結果匯總于表1，將其Q-S 曲線及S-lgt 曲線繪于圖1。

圖1 相關曲線繪制

表1 單樁豎向抗壓靜載試驗位移結果

根據試驗結果可知，在加載到試驗最大荷載后，最大累計向上位移為16.81mm，最大累計向下位移為-10.93mm，樁身位移未出現陡變。

4.2 軸力及摩阻力計算

可先根據樁身預埋的應變計讀數得到應變量。由于在同級荷載作用下，試樁內混凝土所產生的應變量等于鋼筋所產生的應變量，相應樁截面微單元內的應變量即為鋼筋的應變量。因此可根據《港口與海岸水工建筑物》公式5.1～5.14 來計算。

根據3 號樁實測軸力數據，以及文獻[9～10]中等效樁頂荷載-位移曲線計算流程，可計算得出等效樁頂荷載為18348.70KN，等效樁頂位移為10.92mm。

4.3 檢測結果分析

根據試驗結果，以3 號樁為代表，將樁基檢測試驗結果列于表3。試驗結果顯示，試樁在加載到最大試驗荷載下時，樁身未出現陡變，且豎向抗壓極限承載力滿足規范要求。

表2 試樁分析結果

5 結論

文章以武漢新港陽邏港第三碼頭一期項目為例，對結構選型、結構方案優化設計及樁基自平衡試驗進行了深入的探討，得出以下幾點：

（1）結合實際施工情況，結合同類碼頭的設計實踐，提出了高樁嵌巖樁施工方案。

（2）通過對原有的結構設計方案的研究，得出了樁基礎距離偏短、無需設斜樁的結論。為此，利用螞蟻算法進行了求解，并在滿足系統的設計需求的基礎上進行了驗證；從2.5 米到3.3 米的樁距，去掉了傾斜樁的設計。

（3）在完成一年的碼頭項目運行后，對樁基礎進行自重試驗。對試樁進行了測試，發現在荷載作用下，樁體沒有發生急劇的變化，其垂直荷載的極限承載力符合設計的規定。因此，在樁基礎上進行了優化的設計。