以某碼頭工程為例的TSC組合樁設計與應用

王捷，陸敏

（1.上海市土地儲備中心，上海 200336；2.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032）

TSC 樁全稱預制高強混凝土薄壁鋼管樁，是在采用牌號為Q235B 或Q345B 的鋼板（鋼帶）經卷曲成型焊接制成的鋼管內澆筑混凝土，經離心成型、蒸汽養護，制成的具有承受較大豎向荷載和水平荷載的新型基樁制品[1]。TSC 樁充分結合了混凝土抗壓能力強和鋼材抗拉抗剪能力強的特點，具有良好的受力性能。經過大量的工程實踐，目前TSC 樁已廣泛應用在工業與民用建筑、電力等行業中。經理論研究[2]和工程實例證明，現有普通TSC 樁理論也適用于港口工程中所采用的較大樁徑的TSC 樁，且能滿足工程質量要求。本文以某碼頭樁基設計為例，分析比較了TSC組合樁方案及全PHC 樁方案的結構內力，從技術角度為今后類似工程提供參考。

1 工程案例

本文所引工程為長江下游某大型集裝箱碼頭工程，規劃利用岸線1292m，擬建設4 個5 萬噸級集裝箱泊位，水工結構按照靠泊10 萬噸級集裝箱船設計，年設計吞吐量200 萬TEU。碼頭采用引橋式平面布置，通過5 座引橋與后方陸域相接。

1.1 自然條件

1.1.1 波浪

工程河段波浪為風成浪，碼頭前沿設計波浪50年一遇H1%為2.53m，波長30.0 米，波周期4.4s。

1.1.2 潮流

碼頭前沿大潮漲潮最大可能流速1.60m/s，漲潮主流向為318°～321°，大潮落潮最大可能流速2.0m/s，落潮主流向為138°～141°。

1.1.3 地質

本工程場地為厚軟土層，灰色粉細砂、暗綠色粉質黏土等土層分布較穩定，工程力學指標較好，可作為樁基持力層。

1.2 設計荷載

設計荷載主要包括結構自重、均布荷載、集裝箱裝卸橋荷載、流動機械荷載等。

2 結構方案

2.1 樁基選型

根據地質勘察資料，工程區域粉質粘土層很厚，硬土層埋藏較深，因此碼頭采用高樁板梁式結構。碼頭寬度為50m，分為36m 前方平臺和14m 后方平臺。

港口工程常用樁型有鋼管樁、高強度預應力混凝土管樁、TSC 組合管樁、嵌巖樁、鋼筋混凝土灌注樁等。樁型的選擇應綜合考慮以下因素：①工程地質和水文條件；②設計水深和結構高度；③工程造價和施工工期；④施工場地和設備條件；⑤對周圍環境的影響。其中以工程地質、泥面上的結構高度、工程造價為樁基選型的重要因素。各樁型的特點見表1。

表1 港口工程常用樁型特點

本工程碼頭平臺較寬，根據附近已建工程經驗，碼頭建成后，下方淤積非常嚴重，碼頭前沿為保持設計水深需不斷疏浚，一段時間后，在碼頭下方會形成較陡邊坡。碼頭下方的淤積會造成上層土體的垂直壓縮和水平蠕動，對于直樁而言，主要會增加一部分向下的摩阻力，側向變形較小，可通過適當增加樁基承載力應對這種情況；對于斜樁而言，土體的垂直壓縮和水平蠕動會對樁基產生較大的側向土壓力，特別是向岸側的斜樁承受的土壓力最大，對碼頭結構造成不利影響，常見的情況使碼頭向岸側混凝土斜樁在頂部開裂，同時會使碼頭上部結構有向江側緩慢位移的趨勢。

根據附近工程多年的使用情況，碼頭投入運營后，下方出現淤積情況，局部最大淤高達到8m。未采取削坡措施時，碼頭前方承臺與后方承臺在使用過程中伸縮縫有增大的趨勢，根據現有資料，碼頭前后平臺伸縮縫最大寬度達到8cm；采取削坡措施后，碼頭前方承臺與后方承臺在使用過程中伸縮縫寬度趨于收斂，這種現象的產生正印證了上述分析。碼頭下方的淤積問題，由于受多種因素的制約，一般都很難做到及時清淤，所以有必要在可能出現淤積的岸段上，碼頭設計時充分考慮向岸側斜樁的抗彎承載力。

根據表1 各常用樁型特點可知，TSC 樁抗彎能力強，剛度大，對于碼頭結構的整體剛度和結構安全有利。針對本工程，碼頭下方大量淤積后，向岸側的斜樁承受較大的土壓力，彎矩和位移較大，TSC 樁能很好地適應這種受力特點，有利于結構的安全。但TSC 樁由于成樁工藝復雜，造價較高，一般采用上部TSC 樁和下部PHC樁的組合樁型以降低單樁造價，并已經過多個工程實例驗證，合理的施工工藝條件下，組合樁經檢測符合質量標準[3]。TSC組合樁上段采用TSC 樁，具備抗彎能力強，剛度大的特點，下段采用PHC 樁，能承受較高的垂直承載力，同時具有較高的性價比。因此針對前方承臺向岸側的斜樁考慮采用Φ1000mmTSC組合樁，碼頭其余的大部分樁基選用經濟的PHC 樁。同時本文考慮全PHC 樁方案，通過結構內力比較兩個方案的受力特性。

2.2 碼頭結構方案

前方承臺排架間距7m，上部結構采用現澆橫梁、疊合式預應力軌道梁、預制縱向梁及疊合式面板，通過現澆現面層連成整體。基樁采用Φ1000mmPHC 砼管樁，樁長約60m，每榀排架布置9 根樁，其中30m 軌距岸橋軌道梁下部各布置2 根基樁。其中，TSC組合樁方案中，向岸側傾斜的2 根斜樁采用Φ1000mmTSC組合樁（上管節33m 采用Φ1000mmTSC 樁，下管節采用Φ1000mm PHC-B型樁）。碼頭TSC組合樁方案詳見圖1。

圖1 TSC組合樁方案

3 內力分析

計算中將結構簡化為平面剛架，采用桿系有限單元法進行求解，樁頂與橫梁形心采用剛性連接。設計泥面下碼頭前方承臺結構主要構件內力值見表2，考慮未來產生淤積時構件的內力值見表3。

表2 前方承臺主要構件內力計算成果（設計泥面）

表3 前方承臺主要構件內力計算（考慮6～8m 淤積）

根據計算結果，設計泥面條件下，采用TSC組合樁方案位移較全采用PHC 樁方案略小，同時由于TSC樁剛度大，承受的軸力和彎矩比PHC 樁大，能明顯改善排架其它PHC 樁受力條件。

根據計算結果，考慮未來產生淤積時，樁力和樁彎矩均有較大增加，而采用TSC組合樁方案可較大地減小PHC 樁所承受的拉樁力、最大彎矩和最大拉應力，明顯改善PHC 樁的受力條件。全PHC 樁方案時，樁基最大拉應力接近PHC 樁混凝土有效預壓應力，碼頭結構仍然處于安全狀態，但安全儲備較小，而TSC組合樁方案則有較大富余，給生產安全使用提供足夠的警戒時間，方便采取必要工程方案，結構更為安全可靠。

經內力分析可知，TSC組合樁方案的受力特性較全PHC 樁方案而言有明顯改善，對未來淤積會產生的側向土壓力有一定安全強度儲備，且僅向岸側的斜樁采用TSC組合樁，工程投資增加的幅度有限，因此TSC組合樁方案性價比較高，可作為推薦方案。

4 結語

碼頭下方淤積嚴重時，向岸側的斜樁承受較大的土壓力。TSC 樁抗彎能力強，剛度大，可以承受較大的彎矩和變形，且造價低于相同外徑的鋼管樁，因此，向岸側斜樁采用TSC 樁是比較合適的。本文對比了某大型集裝箱碼頭TSC組合樁方案和全PHC 樁方案，通過計算得到以下結論和啟示：

（1）TSC 樁剛度大，軸向承載力和抗彎承載力得到明顯的發揮，可有效改善排架其它PHC 樁的受力條件，且對未來產生的淤積有一定安全儲備。全PHC 樁方案也是安全的，但安全儲備不足，考慮到淤積條件下樁基受力的復雜性和不確定性，選用TSC組合樁提高碼頭結構的安全儲備是合理的。

（2）碼頭后排樁不宜采用向岸側斜樁，否則淤積導致樁內力增加過大，會影響結構的安全性。

（3）碼頭下方、后沿應及時清淤削坡，否則碼頭平臺將發生較大位移，同時樁基受力明顯增大，導致內力富余較小，甚至發生超出承載力設計值的情況。

（4）樁基設計時應考慮對樁基承載力留有適當富余，以適應未及時清淤削坡導致的樁力增大的情況。

綜上可知，根據碼頭結構受力特性，局部采用TSC組合樁在結構受力、經濟以及安全儲備角度均具有較大優勢。本文通過對TSC組合樁的比選研究，為今后類似工程的設計提供了參考。