趙宇

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071）

高樁碼頭結(jié)構(gòu)適用于黏性土、粉土、砂土、碎石土和風(fēng)化巖等可以沉樁的地基，應(yīng)優(yōu)先采用打入樁以降低工程投資，當(dāng)?shù)鼗鶐r面較淺或沉樁困難時(shí)方采用嵌巖樁基或灌注樁基。打入樁按抗彎要求選型時(shí)，可參考下列經(jīng)驗(yàn)：抗彎要求不高，可采用預(yù)應(yīng)力混凝土方樁；抗彎要求較高，沉樁貫入難度不大時(shí)，可采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁；抗彎要求較高，沉樁貫入難度較大或樁長(zhǎng)較大時(shí)，可采用鋼管樁和預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與鋼管樁組成的組合樁；抗彎要求高或沉樁貫入困難時(shí)，宜采用鋼管樁。

樁型應(yīng)根據(jù)使用要求、水文、地質(zhì)條件、施工條件、環(huán)境條件和耐久性等要求，按安全適用、經(jīng)濟(jì)合理的原則選用。目前，管樁已成為高樁碼頭的主力樁型。在南京以下的長(zhǎng)江碼頭，靠泊船型和基樁彎矩均較大，現(xiàn)多采用PHC管樁，只有在基樁自由長(zhǎng)度很大或水平作用力大的系靠船墩才采用鋼管樁；在海港高樁碼頭中，一般靠泊船型和基樁彎矩很大，多采用鋼管樁，少數(shù)采用PHC管樁和大管樁[1]。在樁型選定后，有沒(méi)有可能對(duì)基樁結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低樁基造價(jià)？本文將就此進(jìn)行探討。

1 管樁單樁垂直極限承載力計(jì)算公式

1.1 鋼管樁單樁垂直極限承載力計(jì)算公式

1.1.1 封閉式鋼管樁

封閉式鋼管樁的承載變形機(jī)理與混凝土預(yù)制樁相同，其承載力的計(jì)算可采用與混凝土預(yù)制樁相同的模式與承載力參數(shù)?；炷令A(yù)制樁單樁垂直極限承載力由極限端阻力和樁側(cè)各土層極限側(cè)阻力的總和兩部分組成，而端阻力理所當(dāng)然是由樁端全斷面產(chǎn)生的。

依據(jù)JTJ 254—98《港口工程樁基規(guī)范》[2]，當(dāng)按承載力經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法確定單樁垂直極限承載力設(shè)計(jì)值時(shí)，應(yīng)按下式計(jì)算：

JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[3]的計(jì)算公式和《港口工程樁基規(guī)范》實(shí)質(zhì)是相同的。

封閉式鋼管樁（《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中稱為“閉口鋼管樁”）在實(shí)際工程中較少采用，條件合適也可以采用。

1.1.2 開(kāi)口鋼管樁

開(kāi)口鋼管樁與封閉式鋼管樁不同，其承載變形機(jī)理與承載力隨有關(guān)因素的變化比封閉式鋼管樁復(fù)雜。這是由于沉樁過(guò)程，樁端部分土將涌入管內(nèi)形成“土塞”。土塞的高度及閉塞效果隨土性、管徑、壁厚、樁進(jìn)入持力層的深度等諸多因素變化。而樁端土的閉塞程度又直接影響樁的承載力性狀，此為閉塞效應(yīng)。閉塞程度的不同導(dǎo)致端阻力以不同的模式破壞。一種是土塞沿管內(nèi)向上擠出或由于土塞壓縮量大而導(dǎo)致樁端土大量涌入，此為非完全閉塞，這種非完全閉塞將導(dǎo)致端阻力降低；另一種是如同封閉式樁一樣破壞，樁端土塞效應(yīng)系數(shù)達(dá)0.8（最大值）。管樁單樁垂直極限承載力是由極限端阻力和樁側(cè)各土層極限側(cè)阻力的總和兩部分組成，端阻力是由樁端土閉塞程度決定，不能按全斷面計(jì)算。土塞的閉塞程度主要隨樁端進(jìn)入持力層的相對(duì)深度hb/d（hb為樁端進(jìn)入持力層的深度；d為樁外徑）而變化，范圍為 0～0.8。

《港口工程樁基規(guī)范》規(guī)定為提高鋼管樁的樁端阻力和樁側(cè)阻力，當(dāng)覆蓋層較差，且樁端打入良好持力層時(shí)，可采用半封閉式或封閉式樁尖。樁徑小于600 mm的開(kāi)口鋼管樁，當(dāng)樁尖進(jìn)入良好持力層的深度大于5倍樁徑時(shí)，可認(rèn)為樁端土的閉塞效應(yīng)得到充分發(fā)揮，單樁垂直極限承載力設(shè)計(jì)值可按式（1）計(jì)算。對(duì)于樁徑大于600 mm的開(kāi)口鋼管樁，《港口工程樁基規(guī)范》未給出計(jì)算公式，而《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》給出了開(kāi)口鋼管樁（《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中稱為“敞口鋼管樁”）的計(jì)算公式，可以作為計(jì)算依據(jù)。如考慮持力層以上土層對(duì)樁端閉塞的有利影響，實(shí)際樁承載力還比按《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》計(jì)算值高[4]。

依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，當(dāng)根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定鋼管樁單樁垂直極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，可按下列公式計(jì)算：

當(dāng) hb/d＜5時(shí)，λp=0.16 hb/d；當(dāng) hb/d≥5時(shí)，λp=0.8。

1.1.3 半封閉式鋼管樁

《港口工程樁基規(guī)范》未給出計(jì)算公式，而《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》給出了半封閉式鋼管樁（《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》稱為“半敞口鋼管樁”）的計(jì)算公式，可以作為計(jì)算依據(jù)。對(duì)于帶隔板的半封閉式鋼管樁，應(yīng)以等效直徑de代替d確定λp，de=d/（n為樁端隔板分割數(shù)）。

1.2 混凝土空心樁單樁垂直極限承載力計(jì)算公式

先張法預(yù)應(yīng)力混凝土管樁和后張法大管樁都是混凝土空心樁，已廣泛用于港口、市政、橋梁、鐵路、公路、水利、工業(yè)與民用建筑等工程中，其中先張法管樁按強(qiáng)度等級(jí)分為預(yù)應(yīng)力混凝土管樁（代號(hào)為PC）、預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁管樁（代號(hào)為PTC）和預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁 （代號(hào)為HPC）?；炷凉軜侗倔w結(jié)構(gòu)形狀為中空?qǐng)A筒形，其混凝土各斷面外徑與壁厚宜相等，根據(jù)設(shè)計(jì)要求配設(shè)鋼樁尖（開(kāi)口、半封閉式或封閉式）。

1.2.1 封閉式混凝土管樁

封閉式混凝土管樁（即設(shè)置封閉式鋼樁尖的管樁）在實(shí)際工程中較少采用，如果條件合適也可以采用[5]，可按《港口工程樁基規(guī)范》計(jì)算公式（即式（1））計(jì)算承載力。

1.2.2 開(kāi)口混凝土管樁

開(kāi)口混凝土管樁（即設(shè)置開(kāi)口鋼樁尖的管樁）是普遍采用的型式，《港口工程樁基規(guī)范》未給出計(jì)算公式。依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》，當(dāng)根據(jù)土的物理指標(biāo)與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系確定開(kāi)口混凝土空心樁單樁垂直極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，可按下列公式計(jì)算：

當(dāng) hb/d＜5時(shí)，λp=0.16 hb/d；當(dāng) hb/d≥5時(shí)，λp=0.8。

1.2.3 半封閉式混凝土管樁

半封閉式混凝土管樁（即設(shè)置半封閉式鋼樁尖的管樁）按理也是可以采用的，單樁垂直極限承載力可按開(kāi)口混凝土管樁計(jì)算公式計(jì)算，參照半封閉式鋼管樁以等效直徑de代替d來(lái)確定λp，de=d/（n為樁端隔板分割數(shù)）。

2 管樁單樁垂直極限承載力計(jì)算對(duì)比情況

2.1 封閉式鋼管樁或混凝土管樁

封閉式鋼管樁或混凝土管樁在實(shí)際工程中基本未采用，均可按依據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》計(jì)算公式（式（1））計(jì)算，端阻力是由樁端全斷面產(chǎn)生的，相同條件封閉式鋼管樁或混凝土管樁垂直承載力相同。

2.2 開(kāi)口及半封閉式鋼管樁或混凝土管樁持力層的垂直極限承載力計(jì)算結(jié)果

選取長(zhǎng)江某實(shí)際工程的基樁承載力計(jì)算指標(biāo)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法來(lái)計(jì)算管樁單樁垂直極限承載力，管樁采用PHC管樁和鋼管樁，為了便于比較，只計(jì)算其持力層的垂直極限承載力進(jìn)行對(duì)比。該碼頭工程持力層為密實(shí)狀細(xì)砂，樁側(cè)極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為125 kPa，樁端極限摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為6100 kPa。

對(duì)比計(jì)算樁型為鋼管樁、PHC管樁；樁徑為φ1000；樁端進(jìn)入持力層深度為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m；樁尖型式為常規(guī)（開(kāi)口）、樁尖設(shè)一字隔板（半封閉式）、樁尖設(shè)十字隔板（半封閉式）。計(jì)算成果對(duì)比詳見(jiàn)表1和圖1，垂直承載力分項(xiàng)系數(shù)取1.45。

表1 φ1000 mm管樁持力層垂直承載力對(duì)比表

圖1 管樁持力層垂直承載力設(shè)計(jì)值與樁端進(jìn)入持力層深度、樁尖型式的關(guān)系曲線

需要說(shuō)明的是：PHC管樁常用樁尖型式有十字型、圓錐型和開(kāi)口型3種，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選用，在實(shí)際使用中開(kāi)口型樁尖使用最為廣泛。開(kāi)口型樁尖穿越砂層能力強(qiáng)，但擠土效應(yīng)較其它樁尖型式低，對(duì)于上部土層較差但持力層為密實(shí)砂層情況，采用樁尖設(shè)一字隔板和十字隔板的PHC管樁，理論上是可行的。目前尚無(wú)PHC管樁樁尖設(shè)一字隔板或十字隔板的工程實(shí)例，實(shí)際工程中要采用的話應(yīng)在試樁取得成功后采用比較穩(wěn)妥。

2.3 開(kāi)口及半封閉式鋼管樁、混凝土管樁持力層的垂直承載力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

1）鋼管樁和PHC管樁持力層的樁側(cè)承載力與樁端進(jìn)入持力層深度均呈線性關(guān)系；當(dāng)hb/d＜5時(shí)，鋼管樁樁端承載力與樁端進(jìn)入持力層深度呈線性關(guān)系，而PHC管樁樁端承載力也隨樁端進(jìn)入持力層深度增加而加大，但非線性關(guān)系；當(dāng)hb/d≥5時(shí)，鋼管樁和PHC管樁樁端承載力達(dá)到最大，為固定不變值。

2）對(duì)相同外徑的鋼管樁和PHC管樁，樁端進(jìn)入持力層深度相同時(shí)其樁側(cè)承載力是相同的，而PHC管樁因其壁厚大而產(chǎn)生的樁端承載力比鋼管樁的更大，樁端進(jìn)入持力層深度越大，鋼管樁和PHC管樁的樁端承載力之間的差值越小。僅從樁承載力而言，PHC管樁優(yōu)于鋼管樁，同時(shí)也說(shuō)明PHC管樁沉樁難度更大。

3）對(duì)相同外徑的鋼管樁或PHC管樁，當(dāng)樁尖采用一字隔板、十字隔板時(shí)（PHC管樁通過(guò)特殊鋼樁靴來(lái)實(shí)現(xiàn)），因樁端土閉塞程度更佳，樁基承載力一般均有一定幅度的提高；樁端進(jìn)入持力層深度越大，因樁尖采用一字隔板、十字隔板對(duì)樁基承載力的影響越小（當(dāng)hb/d≥5時(shí)，設(shè)不設(shè)隔板樁基承載力均一樣，此時(shí)也就沒(méi)必要設(shè)置隔板）。同等情況下，樁端隔板分割數(shù)越大，樁基承載力提高幅度也越大。

3 提高管樁單樁垂直承載力的途徑

3.1 樁尖設(shè)置隔板

以前述φ1000 mm鋼管樁樁端進(jìn)入持力層深度3 m為例，常規(guī)鋼管樁持力層垂直總承載力設(shè)計(jì)值為2398 kN，樁尖設(shè)一字隔板、十字隔板的鋼管樁持力層垂直總承載力設(shè)計(jì)值分別為3055 kN、3456 kN，分別可提高657 kN、1058 kN（或27.4%、44.1%）。由此可見(jiàn)，鋼管樁樁尖設(shè)置隔板成為半封閉式鋼管樁，其垂直總承載力設(shè)計(jì)值得以提高。從前述其它計(jì)算對(duì)比表看，樁端進(jìn)入持力層深度越深，其垂直總承載力設(shè)計(jì)值提高幅度也小，甚至一樣。對(duì)PHC管樁，也可通過(guò)設(shè)置帶隔板的鋼樁靴來(lái)提高其單樁垂直極限承載力。

鋼管樁和PHC管樁設(shè)置一字隔板、十字隔板等型式的樁尖，雖可提高單樁垂直極限承載力，但其沉樁難度也相應(yīng)增加，宜通過(guò)試樁驗(yàn)證其承載力和施工可行性（尤其是對(duì)PHC管樁），再在工程樁中大量采用方才穩(wěn)妥。相對(duì)而言，鋼管樁設(shè)置帶隔板樁尖，對(duì)沉樁影響較小，適應(yīng)性也較好。因鋼管樁的樁尖設(shè)置隔板比較容易施工，可作為提高單樁垂直極限承載力的途徑之一。

3.2 采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與鋼管樁組成的組合樁

有的碼頭工程，根據(jù)樁的抗彎要求可采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，而樁承載力又要求管樁進(jìn)入持力層的長(zhǎng)度較大，如采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，沉樁施工因貫入難度大往往沉樁不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求高程，即使達(dá)到高程管樁也容易發(fā)生破損，工程質(zhì)量得不到保障。這種情況采用鋼管樁替換預(yù)應(yīng)力混凝土管樁雖然可以解決施工問(wèn)題，工程質(zhì)量也能得到保障，但工程投資增加很多。

對(duì)于上述沉樁貫入難度較大或樁長(zhǎng)較大情況，可采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與鋼管樁組成的組合樁予以解決，混凝土管樁進(jìn)入持力層適當(dāng)長(zhǎng)度以提供樁端阻力，組合樁下部鋼管樁可以解決基樁沉樁問(wèn)題，從而確保工程質(zhì)量。實(shí)際工程中已有采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與鋼管樁組成的組合樁[6]。

3.3 采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與帶隔板樁尖的鋼管樁組成的組合樁

沉樁貫入難度較大或樁長(zhǎng)較大時(shí)，一般采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁與鋼管樁組成的組合樁就可以解決問(wèn)題。當(dāng)組合樁的鋼管樁長(zhǎng)度大時(shí)，其經(jīng)濟(jì)性往往較差，此時(shí)增設(shè)帶隔板樁尖的鋼管樁以提高樁的承載力，從而實(shí)現(xiàn)減短鋼管樁長(zhǎng)度，節(jié)省工程投資。

無(wú)論采用上述哪種方法都能在一定程度提高管樁單樁垂直承載力，也就是說(shuō)樁長(zhǎng)可以適當(dāng)減短，節(jié)省工程投資，從而達(dá)到提高其性價(jià)比的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

盡管將JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》直接用于碼頭工程存在適應(yīng)性問(wèn)題，但可作為碼頭設(shè)計(jì)的參考，在有足夠多的實(shí)際工程驗(yàn)證后，其計(jì)算公式擴(kuò)展應(yīng)用于碼頭工程方才穩(wěn)妥。

基樁設(shè)計(jì)是高樁碼頭的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容之一，既要充分考慮結(jié)構(gòu)安全性和施工可行性，又要兼顧到經(jīng)濟(jì)合理性，因此采用適宜的樁型以及樁結(jié)構(gòu)來(lái)協(xié)調(diào)樁、土關(guān)系是設(shè)計(jì)必須要解決的問(wèn)題。樁型選定后，必要時(shí)可對(duì)基樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化提高其性價(jià)比，既降低樁基造價(jià)又不致增加太多的施工難度，本文就此進(jìn)行了探討，并提出了三條解決思路，可供工程建設(shè)各方參考。

[1]馮浩.寧波-舟山港西蟹峙石油儲(chǔ)運(yùn)工程碼頭基樁選型[J].港灣技術(shù)，2010（2）：11-16.

[2]JTJ 254—98，港口工程樁基規(guī)范[S].

[3]JGJ 94—2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].

[4]王君輝，馮建國(guó)，張華平.開(kāi)口鋼管樁樁基承載力樁端部分計(jì)算方法探討[J].水運(yùn)工程，2012（1）：49-53.

[5]劉文世.港口陸域建筑預(yù)應(yīng)力混凝土管樁設(shè)計(jì)[J].水運(yùn)工程，2011（5）：80-84.

[6]趙妍.超長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力混凝土大直徑管樁在寧波-舟山港鎮(zhèn)海港區(qū)通用散貨碼頭建設(shè)中的應(yīng)用[J].港灣技術(shù)，2011（1）：26-30.