于佳乾 湯晨 張政生

摘 要：本文結(jié)合某工程案例，通過方案比選，探討斜向鉆孔灌注嵌巖樁在外海小型碼頭建設中的技術可行性及經(jīng)濟適用性。

關鍵詞：外海；小型；高樁碼頭；斜向；灌注樁

中圖分類號：U655.1 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）5-0047-03

1 引言

目前，我國在外海的港口建設技術已經(jīng)十分成熟，各類已經(jīng)建成投產(chǎn)的大中型碼頭已不計其數(shù)，且碼頭等級在不斷刷新高；但有部分小型碼頭，特別是漁業(yè)碼頭，碼頭等級較低，但因選址限制需要建設在外海位置時，碼頭設計荷載中工藝荷載、船舶荷載等均不是控制因素，而結(jié)構承受的波浪力成為控制荷載。根據(jù)工程區(qū)域地質(zhì)條件，或者受用海審批限制需要采用透空式結(jié)構時，高樁梁板式碼頭結(jié)構為比較常見的一種結(jié)構型式。對于覆蓋層較小的巖基地質(zhì)，預制樁沉樁困難，抗拔承載力不能滿足要求，基樁設計常規(guī)采用全直樁灌注嵌巖樁。外海小型碼頭由于結(jié)構受波浪力控制，結(jié)構承受較大的水平力和面板上托力，結(jié)構產(chǎn)生的彎矩很大，設計的灌注嵌巖樁樁徑及樁數(shù)往往較大，從而造價偏高，相對于小型碼頭而言，方案的經(jīng)濟性不盡合理；隨著斜向鉆孔灌注樁施工技術的出現(xiàn)，若設計時用斜向灌注嵌巖樁取代豎直向灌注嵌巖樁，則結(jié)構受力條件將大大改善，樁徑及樁數(shù)都可減小，從而節(jié)約造價，對于外海小型碼頭來說，方案將更為經(jīng)濟合理實用。

下面以舟山外海某漁業(yè)碼頭工程案例對上述觀點進行分析探討。

2 工程概況

2.1 自然條件

舟山某漁業(yè)碼頭位于外海區(qū)域，掩護條件較差，自然條件如下：

2.1.1 設計水位

設計高潮位：1.90m（高潮累積頻率10%）；

設計低潮位：-1.87m（低潮累積頻率90%）；

極端高潮位：2.82 米（五十年一遇）；

極端低潮位：-2.85 米（五十年一遇）。

2.1.2 潮流

海域潮流為往復流，漲潮流向NW，流速2～3節(jié)，落潮流向SE 流速2～3節(jié)。

2.1.3 波浪

強浪向為SSE向，實測最大波高H1%為3.79m。

2.1.4 工程地質(zhì)

地貌屬浙東南沿海島嶼區(qū)，場地地貌類型為山麓濱海淤積地貌，自上而下為①層素填土、②層粗砂、③層花崗巖、③-1層強風化花崗巖及③-2 層中風化花崗巖，對于樁基礎，持力層可選③-2 層中風化花崗巖。

2.1.5 地震

本區(qū)抗震設防烈度為7 度，設計基本地震加速度值為0.10g，分組第一組。

2.2 工程總體布置

現(xiàn)狀碼頭面標高3.40m，碼頭前沿設計泥面高程-4.57m，碼頭結(jié)構為重力式方塊碼頭（見圖1）。根據(jù)使用需求，碼頭需要延長1個泊位，靠泊船型為300hp漁船。

3 碼頭結(jié)構方案

3.1 初步方案擬定

因重力式碼頭為實體式結(jié)構，受用海審批限制，建設單位明確要求采用透空式高樁梁板碼頭結(jié)構型式。

根據(jù)地質(zhì)條件，初步方案考慮標準排架間距7m，基樁采用φ1200mm嵌巖灌注樁，每榀排架下布置3根直樁，樁端均進入中風化花崗巖不小于3倍樁徑。碼頭平臺上部采用現(xiàn)澆上下橫梁，預制安裝縱向梁、預制面板的結(jié)構，并通過現(xiàn)澆面層連成整體（如圖2）。

3.2 結(jié)構優(yōu)化方案

考慮到本工程位于外海，波浪力為結(jié)構控制荷載，為改善碼頭受力條件，優(yōu)化方案標準排架間距7m，基樁采用φ1000mm嵌巖灌注樁，每榀排架下布置1對叉樁和1根直樁，樁端均進入中風化花崗巖不小于3倍樁徑；碼頭上部結(jié)構同前述初步方案（如圖3）。

4 碼頭結(jié)構計算

4.1 荷載計算

4.1.1 船舶荷載

船舶荷載按照《港口工程荷載規(guī)范》（JTS144-1-2010）中公式進行計算，主要考慮船舶系纜力及船舶撞擊力，經(jīng)計算，船舶系纜力為76kN、船舶撞擊力為8kJ；按經(jīng)驗，船舶系纜力與船舶在波浪作用下的橫搖力遠小于船舶撞擊力可不考慮。

4.1.2 波浪力

波浪力按照《港口與航道水文規(guī)范》（JTS145-2015）中公式進行計算，主要考慮波浪對橫梁端部、前邊梁、靠船構件及水平撐的水平向作用力；波浪對碼頭面板底部的浮托力及對碼頭面板頂面的下砸力，經(jīng)計算波浪水平向合力為900kN，波浪浮托力約40kpa。

4.2 碼頭結(jié)構計算

碼頭結(jié)構計算時，根據(jù)《高樁碼頭設計與施工規(guī)范》（JTS167-1-2010），可簡化為平面問題，按縱、橫兩個方向進行計算。橫向排架按柔性樁臺計算，按最不利作用效應組合確定樁基和橫梁的內(nèi)力；縱梁按彈性支座連續(xù)梁進行計算。本工程計算時主要考慮的外部荷載有船舶荷載、波浪力、水流力、人群荷載及水平地震力，按照最不利工況進行組合。

通過上述外部荷載計算結(jié)果分析，波浪力作用遠遠大于其他外部荷載作用，是本工程結(jié)構設計的主導控制荷載，碼頭樁基結(jié)構受力控制工況為：恒載+均載（滿布）+水流力+波浪力，通過專業(yè)的軟件進行結(jié)構計算分析，初始方案及優(yōu)化方案樁基的主要結(jié)構計算如表1及圖4～7所示。

根據(jù)上述計算結(jié)果表明，在外海強波浪力作用下，斜樁的設置，對改善碼頭結(jié)構受力條件效果顯著，優(yōu)化方案樁基軸力較初始方案增大不少，彎矩較初始方案大大減少。而初始方案初擬直徑在相同荷載條件下，需大幅度增大配筋方可滿足規(guī)范要求。

5 斜向灌注嵌巖樁設計

碼頭結(jié)構設計中，灌注嵌巖樁直樁的設計較為成熟，在此不再敘述；而對于斜向灌注嵌巖樁的設計，應用經(jīng)驗相對較少。

5.1 斜向受拔樁設計

根據(jù)上述計算結(jié)果，由于波浪對面板的浮托力及水平力較大，樁基中一根上拔力較大，首先計算抗拉承載力是否滿足要求。由于覆蓋層較淺及嵌巖深度有限所能提供的極限抗拉承載力較小，若不能滿足抗拉承載力，則需在樁端設置錨桿，錨桿錨入中風化巖層，錨桿可有效提供一定的抗拉效應，解決抗拉承載力不足的問題，錨桿錨固長度及直徑可按按《港口工程樁基規(guī)范》（JTS167-4-2012）相關公式進行計算，錨固長度不宜小于3m。

5.2 斜向受壓樁設計

根據(jù)上述計算結(jié)果，由于波浪對面板的下砸力及水平力較大，為能滿足垂直極限承載力的要求，采用斜向灌注嵌巖樁，嵌入中風化巖層端可按照固接設計，嵌巖深度應不小于計算嵌巖深度（可按《港口工程樁基規(guī)范》（JTS167-4-2012）公式4.3.5計算），且應不小于1.5倍嵌巖段樁徑。

6 經(jīng)濟性分析

工程的經(jīng)濟性是衡量工程設計合理性的一個重要標準，本工程設計的優(yōu)化方案較初始方案的經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在樁基設計中，樁基由3根φ1200mm嵌巖灌注樁直樁優(yōu)化為3根φ1000mm嵌巖灌注樁斜樁，工程造價可明顯降低，經(jīng)濟分析如下：

根據(jù)上述表中數(shù)據(jù)，優(yōu)化方案較初始方案單榀排架節(jié)省50003元，約19%，一般連片式高樁碼頭排架數(shù)量較多，優(yōu)化方案可大幅度降低工程總投資，為小型碼頭的經(jīng)濟可行性提供有利依據(jù)。

7 結(jié)語

在外海掩護條件差、持力層為中風化巖層的小型碼頭設計過程中，采用斜向灌注嵌巖樁，可以大大改善結(jié)構受力的合理性，同時施工工藝也能夠得到保證，能有效地降低工程造價，具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

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[2] 港口與航道水文規(guī)范（JTS145-2015）.中華人民共和國交通運輸部.

[3] 王愷.高樁碼頭設計中波浪力計算方法的探討[J].水運工程，2003（10）：138-142.