王成　吳迪

【摘 要】 以廣西液化天然氣（LNG）碼頭引橋墩臺(tái)樁基為研究對(duì)象，根據(jù)工程地質(zhì)及巖土設(shè)計(jì)參數(shù)、工藝荷載、設(shè)計(jì)水位等主要設(shè)計(jì)條件，提出鉆孔灌注樁和鋼管樁兩種設(shè)計(jì)方案。從樁基承載力受力、結(jié)構(gòu)受力、施工工藝、工程造價(jià)、沉樁情況及檢測(cè)結(jié)果等方面分析比較兩種方案，得出該工程引橋墩臺(tái)結(jié)構(gòu)的樁基選型采用鋼管樁方案設(shè)計(jì)較為合理。

【關(guān)鍵詞】 引橋墩臺(tái)；灌注樁；鋼管樁；樁基選型

1 工程概況

廣西液化天然氣（LNG）項(xiàng)目碼頭工程擬建設(shè)1個(gè)26.6萬m3 LNG船泊位（碼頭結(jié)構(gòu)兼顧8萬～26.6萬m3 LNG船靠泊）及相應(yīng)的配套設(shè)施。

LNG碼頭采用蝶形布置，主要由1座工作平臺(tái)、2對(duì)系靠船墩、3對(duì)系纜墩和1座引橋組成，其中，引橋長(zhǎng)119.0 m，寬15.0 m，包括3個(gè)橫梁和3個(gè)墩臺(tái)（含綜合用房平臺(tái)1座，平臺(tái)平面尺度為33.0 m €？18.5 m）。引橋基礎(chǔ)采用高樁墩式及高樁排架式結(jié)構(gòu)，在固定管架位置處設(shè)置高樁墩臺(tái)YD3（見圖1），平面尺度為15.0 m €？12.0 m，其余為高樁排架結(jié)構(gòu)；排架與墩臺(tái)之間及排架之間采用現(xiàn)澆實(shí)心板進(jìn)行連接，下部基礎(chǔ)采用直徑為 mm鋼管樁或灌注樁；結(jié)構(gòu)頂面澆筑鋼筋砼面層，兩側(cè)設(shè)鋼欄桿。

2 問題的提出

LNG碼頭與后方陸域采用引橋連接，引橋樁基的選型不僅要考慮碼頭整體結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性，其工程造價(jià)和施工工藝也直接制約著工程建設(shè)的投資和進(jìn)度。

根據(jù)本工程的地質(zhì)勘探報(bào)告，地基土層主要為砂層、粉質(zhì)黏土及黏土層，土層工程力學(xué)性能良好，承載力、強(qiáng)度較高，是良好的樁基礎(chǔ)持力層，可作為樁基基礎(chǔ)。該LNG碼頭后方陸域?yàn)樾陆ù堤钚纬傻娜斯u，引橋部分樁基礎(chǔ)直接坐落在人工島的拋石護(hù)岸斜坡堤上。位于堤頂?shù)囊龢蚪影稙闄M梁結(jié)構(gòu)，具備岸上干地施工條件，采用灌注樁基礎(chǔ)；位于堤身斜面處且設(shè)有固定管架的墩臺(tái)YD3不具備岸上施工條件，可選用水上施工的灌注樁或打入樁，需要針對(duì)該墩臺(tái)進(jìn)行樁基選型分析。

由于引橋接岸處的基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁，LNG碼頭結(jié)構(gòu)采用鋼管樁基礎(chǔ)，為減少樁基形式的多樣性，保持結(jié)構(gòu)的整體協(xié)調(diào)，從LNG碼頭總體設(shè)計(jì)考慮，選擇鋼管樁和灌注樁（見圖2）兩種樁基型式進(jìn)行綜合比較分析。

圖2 灌注樁方案

3 主要設(shè)計(jì)條件

3.1 工程地質(zhì)及巖土設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果，引橋區(qū)的地質(zhì)主要為第四系土層，各單元層主要巖土設(shè)計(jì)參數(shù)推薦值見表1。

表1 地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)推薦值kPa

3.2 工藝荷載

引橋車行道區(qū)域：流動(dòng)機(jī)械荷載為可供25 t輪胎式起重機(jī)空載通過；人群荷載為3 kPa。引橋管廊區(qū)域：垂直荷載為 kg/m；固定管架水平力為30 t。

3.3 設(shè)計(jì)水位

設(shè)計(jì)高水位為5.54 m（高潮累積頻率10%的潮位）；設(shè)計(jì)低水位為0.00 m（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵妫粯O端高水位為6.99 m（重現(xiàn)期為50年的年極值高水位）；極端低水位為 0.67 m（重現(xiàn)期為50年的年極值低水位）。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

作用在墩臺(tái)上面的荷載主要包括自重（永久作用）、可變作用（液體管道荷載、水流力、波浪力、墩臺(tái)浮力、汽車荷載、人群荷載等），以及地震力（偶然作用）。根據(jù)墩臺(tái)結(jié)構(gòu)上可能同時(shí)出現(xiàn)的作用荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，結(jié)合相應(yīng)的設(shè)計(jì)狀況進(jìn)行作用效應(yīng)組合，并按照規(guī)范規(guī)定選取相應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)。

采用易工水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的高樁墩式碼頭計(jì)算模塊分別對(duì)灌注樁方案和鋼管樁方案兩種模型（見圖3）的墩臺(tái)各樁主要內(nèi)力值（見表2）進(jìn)行計(jì)算分析。

（a）灌注樁 （b）鋼管樁

圖3 兩種方案模型

表2 兩種方案下YD3墩臺(tái)各樁主要內(nèi)力值比較

4.1 鉆孔灌注樁方案

根據(jù)本地區(qū)地質(zhì)、水文條件和工藝荷載情況，墩臺(tái)擬布置8根直徑為 mm鉆孔灌注樁，均為直樁，樁長(zhǎng)為55 m。

4.2 鋼管樁方案

考慮靠近接岸處墩臺(tái)將承受較大水平力，墩臺(tái)擬采用6根斜度為5∶1、直徑為 mm的開口鋼管樁，樁長(zhǎng)為50 m。

5 樁基比選

5.1 樁基承載力受力分析

根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》，灌注樁和鋼管樁的單樁軸向抗壓承載力設(shè)計(jì)值Qd分別為

=（）（1）

=（）（2）

式中： d為土的重力密度； si， p為樁側(cè)阻力、端阻力尺寸效應(yīng)系數(shù)；qfi為單樁第i層土的單位面積極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值；qR為單樁單位面積極限樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值； 為承載力折減系數(shù)；U為樁身截面外周長(zhǎng)；A為樁端外周面積。

以CSZK6鉆孔地質(zhì)參數(shù)為代表，計(jì)算得到單樁樁基承載力（見表3）。

表3 單樁樁基承載力

5.2 結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析和樁軸力分布（見圖4），墩臺(tái)的鋼管樁布置采用扇形布樁的形式，與灌注樁采用的直樁比較，樁的受力分布較均勻，對(duì)力的作用方向變化適應(yīng)性較強(qiáng)，樁數(shù)相對(duì)較少。本工程所處的鐵山港常受臺(tái)風(fēng)侵襲，多數(shù)臺(tái)風(fēng)夾帶暴雨，形成風(fēng)暴潮。同時(shí)，墩臺(tái)上部的工藝設(shè)施為L(zhǎng)NG液相裝卸管線，按照LNG接收站管道的總體設(shè)計(jì)，其對(duì)結(jié)構(gòu)的水平位移變形要求高。從引橋軸向位移分布（見圖5）可以看出，鋼管樁方案的各樁沿引橋軸線方向的位移比灌注樁方案普遍較小。從樁基耐久性分析，灌注樁存在自重大、樁基結(jié)構(gòu)耐久性差等問題，使樁基結(jié)構(gòu)的可靠性降低。鋼管樁采用犧牲陽極的陰極保護(hù)法和涂裝環(huán)氧重防腐涂層聯(lián)合保護(hù)措施，可使其設(shè)計(jì)使用壽命達(dá)100年。

圖4 樁軸力分布

圖5 引橋軸向位移分布

5.3 施工工藝分析

鉆孔灌注樁的施工具有低噪聲、小震蕩、無擠土，對(duì)周圍鄰近建筑物影響小，能夠穿越各種復(fù)雜地層和形成較大承載力，適應(yīng)各種地質(zhì)條件等優(yōu)點(diǎn)。鉆孔灌注樁的施工大部分無法觀察，成樁后也不能進(jìn)行開挖驗(yàn)收。在本工程中，灌注樁用于接岸結(jié)構(gòu)，灌注樁施工需要搭設(shè)水上作業(yè)平臺(tái)，成樁施工受風(fēng)浪影響較大，使施工難度增大；灌注樁相對(duì)較長(zhǎng)，且需要穿越拋石斜坡堤，導(dǎo)致施工鉆孔的時(shí)間較長(zhǎng)，極易發(fā)生塌孔現(xiàn)象。此外，本地區(qū)粉質(zhì)黏土及黏土層較厚，分布廣，黏性強(qiáng)，且為樁基的持力層，在灌注樁充鉆成孔至該層時(shí)，易出現(xiàn)鉆錘被黏土層吸附而造成掉錘現(xiàn)象。鉆孔灌注樁施工過程的質(zhì)量控制難度大，一旦發(fā)生掉錘等質(zhì)量事故，進(jìn)行返修或方案變更的費(fèi)用較高。同時(shí)，灌注樁施工中泥漿的排放會(huì)對(duì)周圍海域的環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。為此，從施工和環(huán)保角度出發(fā)，有必要考慮其他更合理的樁基結(jié)構(gòu)。

鋼管樁具有強(qiáng)度高，抗彎能力強(qiáng)，能承受較大水平力，制作、運(yùn)輸、施打方便快速，結(jié)構(gòu)可靠且適合深水泊位等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于開敞式碼頭工程。對(duì)于本工程而言，由于軟土層較厚，持力層埋深較大，鋼管打入樁對(duì)砂土及粉質(zhì)黏土層沉樁較容易，能有效進(jìn)入持力層，滿足結(jié)構(gòu)所需的水平承載力和豎向承載力要求，且使用期結(jié)構(gòu)沉降較小。對(duì)于高樁墩式方案來說，樁基礎(chǔ)的抗彎要求也相對(duì)較高。

灌注樁和鋼管樁施工均需進(jìn)行拋石護(hù)坡開挖，清理塊石。鋼管樁沉樁施工簡(jiǎn)便、快速，可在1～2天內(nèi)完成6根鋼管樁的施打，進(jìn)而在最短時(shí)間內(nèi)完成護(hù)坡的恢復(fù)，其施工過程對(duì)大堤結(jié)構(gòu)的影響也盡可能降到最低。灌注樁施工周期長(zhǎng)，完成本工程8根灌注樁需1～2月左右工期，其施工過程將對(duì)護(hù)坡大堤的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生極為不利的影響。

結(jié)合工程的重要性和施工工期緊迫性等特點(diǎn)，推薦采用易施工、強(qiáng)度高、抗彎能力強(qiáng)、加工制作工藝成熟可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、整體受力好的鋼管樁結(jié)構(gòu)方案。

5.4 工程造價(jià)分析

在本工程中，樁基工程在工程總投資中所占比重較大，從經(jīng)濟(jì)角度對(duì)兩種樁型進(jìn)行分析比較十分必要。

根據(jù)水運(yùn)工程定額和編制辦法，計(jì)算得出鋼管樁的購置費(fèi)為元/t，6根50 m鋼管樁的總重量為188 t，鋼管樁購置費(fèi)合計(jì)為116.6萬元；鋼管樁陰極保護(hù)費(fèi)用為元/根，合計(jì)為5.7萬元；鋼管樁的打樁費(fèi)為元/根，合計(jì)約8.6萬元。鋼管樁方案的總費(fèi)用約131萬元。

灌注樁方案的總費(fèi)用如下：直徑 mm鋼護(hù)筒購置單價(jià)為元/t，每根灌注樁需埋設(shè)，8根灌注樁需鋼護(hù)筒62 t，購置費(fèi)為38.4萬元；水上施打鋼護(hù)筒單價(jià)為元/根，8根合計(jì)約11.5萬元；回旋鉆機(jī)水上鉆孔灌注樁（120 cm內(nèi)，Ⅲ類土）長(zhǎng)度在55 m以內(nèi)，單價(jià)為820元/m，合計(jì)約36萬元；水上澆筑混凝土的數(shù)量為353 m3，C40混凝土單價(jià)為720元/m3，合計(jì)約25.4萬元；8根灌注樁的鋼筋數(shù)量為78 t，綜合單價(jià)（包括購置、加工、安裝）為元/t，合計(jì)約46.6萬元。計(jì)算得出灌注樁方案的總費(fèi)用為158萬元。

從以上分析可以看出，在滿足同等設(shè)計(jì)要求情況下，鋼管樁方案的工程費(fèi)用比灌注樁方案的工程費(fèi)用節(jié)約了27萬元，減少了17.1%。

5.5 沉樁情況及檢測(cè)結(jié)果

工程選用6根直徑為 mm鋼管樁作為墩臺(tái)樁基，從鋼管樁的成樁記錄情況分析，6根鋼管樁的總錘擊數(shù)為～錘，樁的貫入情況良好，樁基進(jìn)入土層30～33 m，樁尖打入平均標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)33（16～56）的粉質(zhì)黏土及黏土層6 m左右，很好地進(jìn)入持力層，與設(shè)計(jì)的樁尖標(biāo)高基本吻合。

根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)其中的1根樁進(jìn)行了高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果顯示，樁端阻力為 kN，樁側(cè)摩阻力為 kN，樁基的單樁垂直極限承載力為 kN，樁基的極限承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié) 語

結(jié)合工程實(shí)例，針對(duì)開敞式LNG碼頭引橋高樁墩式結(jié)構(gòu)的樁基選型，考慮灌注樁和鋼管樁方案，從設(shè)計(jì)、施工、造價(jià)等方面進(jìn)行綜合比較分析，得出以下結(jié)論：

（1）利用易工水運(yùn)軟件，計(jì)算出2種方案在最不利工況下各樁基的內(nèi)力值，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范算出8根灌注直樁方案和6根鋼管斜樁方案的單樁極限垂直承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，采用鋼管樁方案的單樁極限垂直承載力的富余度較灌注樁方案更為合理。

（2）從結(jié)構(gòu)受力分析可以得出，鋼管樁呈扇形布置，具有良好的承載力性能，其受力相對(duì)更加均勻。同時(shí)，采用鋼管樁能夠更好地滿足工藝管道對(duì)結(jié)構(gòu)變形的要求，可提高結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性。

（3）從施工工藝方面分析，灌注樁水上施工技術(shù)難度大，質(zhì)量控制不易，施工周期長(zhǎng)，對(duì)已建護(hù)岸結(jié)構(gòu)的影響較大，其施工中產(chǎn)生的泥漿易對(duì)周圍海域的環(huán)境產(chǎn)生不利影響。鋼管樁施打簡(jiǎn)單、快速，滿足工程工期緊迫的要求，同時(shí)也減小對(duì)護(hù)岸結(jié)構(gòu)的影響。

（4）從工程造價(jià)方面分析，鋼管樁方案的費(fèi)用較灌注樁方案減少17.1%。

通過綜合比較分析，設(shè)計(jì)采用6根鋼管樁作為該墩臺(tái)的樁基。目前，墩臺(tái)打樁施工已經(jīng)完成，根據(jù)沉樁情況及高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)結(jié)果，表明樁基受力良好，滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.廣西液化天然氣（LNG）項(xiàng)目碼頭及陸域形成工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].武漢：中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2012.

[2]中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司.廣西液化天然氣（LNG）項(xiàng)目碼頭及陸域形成工程巖土工程勘察報(bào)告（施工圖設(shè)計(jì)階段勘察）[R].武漢：中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，2013.