復(fù)雜巖石地質(zhì)條件某高樁碼頭樁基設(shè)計(jì)要點(diǎn)

陳文生

（惠州港能源碼頭投資有限公司，廣東惠州 516000）

引言

嵌巖樁作為一種特殊類(lèi)型的樁基，廣義上的定義是指下部有相當(dāng)一段長(zhǎng)度澆筑于巖層中樁基，近年來(lái)隨著我國(guó)水運(yùn)工程的大規(guī)模發(fā)展和建設(shè)，嵌巖樁尤其是斜樁嵌巖在浙江、福建、廣東等東南沿海地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，其相關(guān)設(shè)計(jì)理念、方法和施工技術(shù)日益完善。本文結(jié)合某工程強(qiáng)風(fēng)化巖層厚、巖層上部覆蓋層薄的地質(zhì)特點(diǎn)，總結(jié)了嵌巖樁設(shè)計(jì)的總體思路和注意要點(diǎn)。

1 工程概況和地質(zhì)條件

某工程為5萬(wàn)總噸液化烴泊位，位于惠州港荃灣港區(qū)，碼頭結(jié)構(gòu)型式為高樁梁板碼頭，碼頭頂高程為6.5 m，前沿底高程為-14.8 m，系靠船設(shè)施采用SC1700橡膠護(hù)舷和1 000 kN快速脫纜鉤，碼頭上部設(shè)置裝卸臂、登船梯和消防炮等工藝設(shè)備。

工程區(qū)域土層從上到下依次為②1流泥、②2淤泥、②3淤泥混砂、③1粉質(zhì)黏土、④2全風(fēng)化巖、④3強(qiáng)風(fēng)化巖、④4碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖和④5中風(fēng)化巖。其中②1流泥層分布連續(xù)，水域所有鉆孔中均可見(jiàn)，層位較穩(wěn)定，厚度較大，層厚約4.5～18.0 m不等，平均標(biāo)貫擊數(shù)N＜1擊；②2淤泥層分布不連續(xù)，層厚約0.5～12.4 m不等，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=1.4擊；②3淤泥混砂層分布不連續(xù)，僅在部分鉆孔中揭示，層厚約0.2～5.3 m不等，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=2.4擊；③1粉質(zhì)黏土層分布不連續(xù)，層厚約0.4～3.4 m不等，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=6.5擊；④2全風(fēng)化巖層斷續(xù)分布，僅在少量鉆孔中揭露，層厚約1.1～1.5 m不等，平均標(biāo)貫擊數(shù)N=45.5擊；④3強(qiáng)風(fēng)化巖層分布較連續(xù)，層厚約0.3～7.5 m不等，本層層頂高程在-29.17～-12.89 m之間，平均標(biāo)貫擊數(shù)N＞50擊；④4碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖層分布連續(xù)，揭示層頂高程在-36.32～-13.96 m之間；④5中風(fēng)化巖層為凝灰?guī)r，凝灰結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖面頂面高程-48.07～-17.57 m不等，飽和抗壓強(qiáng)度約35 MPa。

整體來(lái)看，工程區(qū)域上層覆蓋層主要是流泥和淤泥等軟弱土層，土體力學(xué)性能很差，覆蓋層下部的④3強(qiáng)風(fēng)化巖層和④4碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖層的標(biāo)貫擊數(shù)大，錘擊度小，打入樁打入困難，④5中風(fēng)化巖層埋藏較深，層頂高程為-48.07～-17.57 m，巖面分布起伏較大，且上部強(qiáng)風(fēng)化巖層很厚，若以④5中風(fēng)化巖層為持力層，需穿透強(qiáng)風(fēng)化巖層，導(dǎo)致鉆孔深度很深，施工難度大，投資造價(jià)高，因此本工程宜選擇④4碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖層作為樁基持力層。

2 樁基承載力計(jì)算方法

承受水平力或力矩作用的樁基按照入土深度不同，可劃分為彈性長(zhǎng)樁、中長(zhǎng)樁和剛性長(zhǎng)樁，滿足彈性長(zhǎng)樁要求的樁基，按m法計(jì)算土體位移在規(guī)范允許范圍內(nèi)，土體水平抗力即可滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)于中長(zhǎng)樁和剛性長(zhǎng)樁，需對(duì)樁身周?chē)馏w的水平抗力進(jìn)行計(jì)算，文獻(xiàn)[2]-[8]對(duì)嵌巖樁水平承載力相關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行了介紹，主要計(jì)算方法包括經(jīng)驗(yàn)法、國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范方法和彈性地基反力法等，也可以進(jìn)行水平靜載試樁試驗(yàn)，本工程由于樁端處于碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖層，入巖深度較深滿足彈性長(zhǎng)樁要求，水平承載力不需要計(jì)算。

樁基軸向承載力采用規(guī)范中經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法計(jì)算，根據(jù)《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，本工程樁基持力層為飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值小于l0 MPa的巖層，樁基軸向承載力不應(yīng)按照嵌巖樁，宜按灌注樁進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于預(yù)制芯柱嵌巖樁，樁基軸向承載力包括預(yù)制樁樁側(cè)、樁端和芯柱段樁側(cè)、樁端阻力。其中預(yù)制樁樁端阻力本工程按變截面處環(huán)形截面面積乘以樁端處單位面積極限樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（取泥漿護(hù)壁鉆孔樁指標(biāo)）進(jìn)行計(jì)算，其他段樁側(cè)、樁端按規(guī)范相關(guān)公式計(jì)算即可。

圖1 預(yù)制芯柱嵌巖樁樁基承載力組成

3 樁基選型對(duì)比分析

文獻(xiàn)[7]結(jié)合某工程實(shí)例對(duì)嵌巖樁的樁型進(jìn)行了介紹，嵌巖樁嵌巖型式主要包括灌注型嵌巖樁、預(yù)制型植入嵌巖樁、預(yù)制型芯柱嵌巖樁、預(yù)制型錨桿嵌巖樁和組合（芯柱+錨桿）嵌巖樁。其中預(yù)制型植入嵌巖樁適用于樁承受較大的水平力或力矩，樁身強(qiáng)度要求高的情況；預(yù)制型芯柱嵌巖樁適用于水平力不大，樁軸向拉壓承載力不足的情況；預(yù)制型錨桿嵌巖樁適用于樁軸向受拉承載力不足的情況。由于工程區(qū)域巖面上部覆蓋層主要是流泥和淤泥等軟弱土層，且樁基持力層為分布很厚的④4碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖層，樁軸向拉壓承載力均不滿足設(shè)計(jì)要求，宜選擇灌注型嵌巖樁或預(yù)制型芯柱嵌巖樁。本次采用Φ1 300 mm鋼管混凝土樁、Φ1 200 mm PHC樁+芯柱嵌巖樁和Φ1 100 mm鋼管樁+芯柱嵌巖樁三種樁型進(jìn)行對(duì)比，其中鋼管混凝土樁為灌注型嵌巖樁，為了增加樁身抗彎剛度，考慮鋼護(hù)筒與混凝土組合截面。

表1從施工難易程度和樁基軸向抗壓承載力兩方面對(duì)三種樁型進(jìn)行了對(duì)比，相同嵌巖深度Φ1 300 mm鋼管混凝土樁樁基承載力最大，由于Φ 1 200 mm PHC樁空心直徑僅為0.9 m，其樁基承載力最小。本工程樁基持力層土體力學(xué)指標(biāo)相對(duì)不高，需要嵌巖長(zhǎng)度比較大，設(shè)計(jì)中需充分考慮嵌巖施工技術(shù)能力，為減少斜樁嵌巖施工難度，斜樁采用Φ1 100 mm鋼管樁+芯柱嵌巖樁比較合適，斜樁樁基承載力宜控制在4 500 kN左右，直樁由于嵌巖深度不受限，直樁承載力可不控制。

表1 不同樁型對(duì)比

4 樁基布置對(duì)比分析

碼頭結(jié)構(gòu)受力最大的特點(diǎn)是船舶、波浪等水平荷載很大，高樁碼頭排架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何高效的抵抗水平力。排架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從受力角度可分為柔性結(jié)構(gòu)和剛性結(jié)構(gòu)，柔性結(jié)構(gòu)常采用小直徑全直樁樁基，其受力特點(diǎn)是依靠樁基的抗彎剛度抵抗水平力，樁基受力均勻，但排架位移大；剛性結(jié)構(gòu)采用斜樁或大直徑直樁，其受力特點(diǎn)是斜樁通過(guò)軸力的水平向分力抵抗水平力，大直徑直樁是依靠樁基較大的抗彎剛度抵抗水平力，排架位移小。由于本工程為液體化工泊位，碼頭上部有眾多管線與后方陸域相連，要求碼頭變位較小，排架結(jié)構(gòu)宜選用剛性結(jié)構(gòu)，本次排架設(shè)計(jì)共考慮了2根Φ1 200 mm PHC樁直樁+4根Φ1 100 mm鋼管樁（方案一）和6根Φ1 300 mm鋼管混凝土樁全直樁（方案二），排架間距分別采用8 m，9 m和10 m進(jìn)行對(duì)比分析。

嵌巖樁斜率的選擇對(duì)斜樁受力計(jì)算、施工期穩(wěn)樁、成孔都有很大的影響，文獻(xiàn)[3]對(duì)此進(jìn)行了介紹，本工程覆蓋層是淤泥等軟弱土層，斜樁均采用5:1斜率。

圖2 排架斷面示意

由于本工程為液體化工碼頭，上部均載較小，排架間距對(duì)樁基內(nèi)力影響相對(duì)較小，考慮本次設(shè)計(jì)斜樁承載力受限制而直樁不受限制，方案一排架間距為8 m，方案二排架間距為10 m比較合適，但方案一水平位移更小且投資造價(jià)較省，更具優(yōu)勢(shì)。

表2 排架計(jì)算結(jié)果

5 沉樁和鉆孔過(guò)程中注意點(diǎn)

根據(jù)目前現(xiàn)有的施工案列，預(yù)制芯柱嵌巖樁沉樁過(guò)程中多有發(fā)生樁端變形、卷邊問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)處理難度大、時(shí)間長(zhǎng)、成本高，因此沉樁終錘控制要預(yù)防樁端變形和卷邊發(fā)生。對(duì)于巖面上部覆蓋層比較薄或者以軟弱土體為主的嵌巖樁，樁基承載力主要由芯柱嵌巖部分承擔(dān)，預(yù)制樁部分的作用主要是施工期間作為鉆孔導(dǎo)向、灌注樁護(hù)筒、施工平臺(tái)支撐樁和使用期間傳遞碼頭上部荷載，因此對(duì)打入樁樁基承載力要求不高，應(yīng)降低沉樁貫入度控制標(biāo)準(zhǔn)，宜通過(guò)試樁、試打確定沉樁貫入度標(biāo)準(zhǔn)。以本工程為例，對(duì)于局部區(qū)域覆蓋層厚的純打入樁終錘貫入度為5 mm，而嵌巖樁終錘貫入度則為10 mm。

6 結(jié)語(yǔ)

巖層上部覆蓋層薄、強(qiáng)風(fēng)化巖層厚地質(zhì)條件下的嵌巖樁嵌巖深度大，但承載力水平不高，需要考慮施工技術(shù)條件對(duì)嵌巖深度的限制；嵌巖樁設(shè)計(jì)入土深度最好滿足彈性長(zhǎng)樁要求，否則需要對(duì)土體水平抗力進(jìn)行計(jì)算；樁基排架布置從受力角度可按柔性結(jié)構(gòu)（大變形）和剛性結(jié)構(gòu)（小變形）兩種思路進(jìn)行布置，具體要結(jié)合碼頭使用功能要求，剛性排架樁基可設(shè)計(jì)成斜樁或大直徑直樁，前者依靠軸力提供水平抗力，后者依靠自身抗彎剛度提供水平抗力；預(yù)制芯柱嵌巖樁沉樁終錘貫入度控制標(biāo)準(zhǔn)宜降低，避免樁端發(fā)生變形、卷邊；鉆孔過(guò)程中要重視強(qiáng)風(fēng)化巖遇水軟化和縮孔等問(wèn)題。