郝剛 王馨

摘 要：通過(guò)對(duì)黃驊港某碼頭工程兩種樁基方案中預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁與PHC樁抗彎性能、抗剪性能、抗凍性能的比較，最終選用預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁作為本工程實(shí)際的樁基方案。

關(guān)鍵詞：黃驊港 抗彎 抗剪 抗凍 冰荷載 耐久性

1.工程概況

本工程為黃驊港某10萬(wàn)噸級(jí)碼頭工程樁基工程。工程地點(diǎn)位于河北省渤海灣西南岸，大口河河口外北側(cè)海區(qū)。擬建工程場(chǎng)地第四系覆蓋層厚度較大，下伏基巖埋藏較深，覆蓋層多為淤泥、粘土、粉土等可塑性土層。另外由于黃驊地區(qū)缺少砂、石等回填材料，碼頭結(jié)構(gòu)也不宜考慮需要大量回填料的重力式和板樁式等結(jié)構(gòu)型式，擬建碼頭宜采用樁基形式。

樁基碼頭目前常用PHC樁和預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁。PHC管樁一般為C80高強(qiáng)混凝土經(jīng)離心工藝成型的樁，承載力較高，混凝土抗凍性較好。預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁是一種結(jié)合了預(yù)應(yīng)力空心管樁與混凝土預(yù)制方樁的特點(diǎn)而產(chǎn)生的新型樁。它不僅保持了管樁的混凝土強(qiáng)度高、材料成本節(jié)約、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具備了方樁的抗彎能力強(qiáng)、抗剪強(qiáng)度高、抗凍性好的優(yōu)點(diǎn)。兩種樁型在北方地區(qū)均有應(yīng)用。

本工程主體樁基礎(chǔ)擬采用650mm×650mm的預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁方案和Φ800mmPHC樁方案進(jìn)行比選。

方案一：樁基為6 5 0 m m×650mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁， 混凝土C50F300。前方承臺(tái)排架間距為6m，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)排架6根樁，其中包括2對(duì)叉樁，1對(duì)雙直樁，樁底標(biāo)高-55.0m～-58.0m。

方案二：樁基為Φ800mm PHC樁（斜樁為C型，直樁為B型），混凝土C80F300。承臺(tái)排架間距為6 m，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)排架6根樁，其中包括2對(duì)叉樁，1對(duì)雙直樁，樁底標(biāo)高-55.0m～-58.0m。

兩方案上部結(jié)構(gòu)相同（碼頭斷面圖見(jiàn)圖1），樁端持力層均為灰褐色、含少量云母片，切面較光滑，無(wú)搖震反應(yīng)，呈飽和、可塑狀態(tài)粉質(zhì)粘土。工程地質(zhì)情況各土層指標(biāo)見(jiàn)表1所示。

2.樁基承載力計(jì)算

2.1 截面尺寸比較

兩種樁的截面尺寸見(jiàn)表2.

根據(jù)表2可知，6 5 0 m m×650mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁與φ8 0 0 m m PHC樁外周長(zhǎng)基本相當(dāng)，而650mm×650mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁截面積稍大，比φ800mmPHC樁大20%。

2.2 樁基承載力計(jì)算

根據(jù)《建筑樁基規(guī)范》（JGJ94-2008）混凝土空心樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值，可按下列公式計(jì)算：

根據(jù)地質(zhì)剖面，選用7-2粘土層為持力層，樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值為2350kPa，經(jīng)過(guò)計(jì)算，兩種樁的單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值比較見(jiàn)表3。

由表3計(jì)算結(jié)果可以得出，650mm×650mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值與φ800mmPHC樁相當(dāng)。

因此，所在工程主體樁基礎(chǔ)采用 650mm×650mm的預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁方案和φ800mmPHC樁方案進(jìn)行設(shè)計(jì)比較，具有可行性。

3.方案比較

3.1抗彎性能比較

3.3抗凍性能比較

本工程所在地區(qū)地處華北平原，冬季常受寒潮侵襲，產(chǎn)生海冰。在冰封期，大范圍的海冰對(duì)近海建筑物產(chǎn)生的破壞力不可逆轉(zhuǎn)、危害較大，對(duì)碼頭樁基的抗凍性能研究在北方嚴(yán)寒地區(qū)工程中十分必要。

3.3.1近年冰情及影響

根據(jù)該地區(qū)海冰實(shí)測(cè)資料分析統(tǒng)計(jì)，本區(qū)初冰日在12 月上旬，盛冰日在12 月下旬，融冰日在2 月下旬，終冰日在3 月上旬，總冰期91 天，盛冰期58 天。流冰厚度最大0.2m，流冰速度一般為0.3～0.4m/s，流冰方向主要集中在偏西（WNW、W、WSW）和偏東（ENE、NE）兩個(gè)主方向。

自2009 年12 月下旬以來(lái)，受頻繁冷空氣影響，北方地區(qū)主要港口都遭遇了嚴(yán)重的海冰災(zāi)害。黃驊港海域自2010 年元旦開(kāi)始港池及航道內(nèi)出現(xiàn)大面積浮冰，1 月受大風(fēng)降溫影響，迅速進(jìn)入嚴(yán)重冰期。冰情嚴(yán)重時(shí)黃驊港港池內(nèi)冰厚多數(shù)在50cm 左右，在港池死角處出現(xiàn)了厚度為1m以上的堆積冰，船舶進(jìn)出港及靠離泊都極為困難。

3.3.2冰荷載作用

海冰產(chǎn)生的冰荷載是北方嚴(yán)寒地區(qū)水工建筑物設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要荷載之一，冰荷載作用主要包括局部擠壓力、撞擊力、摩擦力、因水位變化產(chǎn)生的豎向力和因水溫變化產(chǎn)生的膨脹力。根據(jù)本工程樁基所處位置及使用要求，冰荷載主要考慮冰排擠壓力、浮冰產(chǎn)生的撞擊力和水位上升時(shí)對(duì)樁產(chǎn)生的豎向力。

①根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》JTS144-1-2010，冰排在直立樁前連續(xù)擠壓破碎時(shí)，產(chǎn)生的極限擠壓冰力標(biāo)準(zhǔn)值：

FI=ImkBHσc （4）

F I——極限擠壓冰力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；

I——冰的局部擠壓系數(shù)；

m——樁、墩迎冰面形狀系數(shù)，方形可取1.0，圓形取0.9；

k——冰與樁、墩之間的接觸條件系數(shù)，可取0.32；

B——樁、墩迎冰面投影寬度（m）；

H——單層平整冰計(jì)算冰厚（m），本工程取0.5m；

σc——冰的單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kPa），本工程取1.99Mpa。

3.3.3抗凍性及其措施分析

冰荷載對(duì)兩種樁基的作用力相當(dāng)，經(jīng)計(jì)算兩種樁型均能承受冰荷載的作用。

不可忽視的是，PHC管樁樁頭為空心截面，其浮漿較多。在樁基施打過(guò)程中，PHC樁樁頭容易產(chǎn)生豎向裂縫。樁頭又多處于水位變動(dòng)區(qū)，在冰凌期，樁頭裂縫會(huì)加劇開(kāi)展，從而影響樁的耐久性。為了避免這類問(wèn)題，目前常用在管樁樁身外包玻璃鋼符合材料等防護(hù)措施來(lái)提高樁的抗沖擊強(qiáng)度和耐久性，玻璃鋼外包層一般設(shè)置在設(shè)計(jì)高水位以上0.5m至設(shè)計(jì)低水位以下1m的范圍內(nèi)，外包層玻璃鋼防護(hù)在一定程度上增加了工程造價(jià)，影響施工進(jìn)度。

預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁樁頂6m范圍一般為實(shí)心段，抗打擊性相對(duì)較強(qiáng)，耐久性較好，冰凌期可不采用防護(hù)措施，減少防護(hù)措施費(fèi)用，提高施工進(jìn)度。

3.4經(jīng)濟(jì)性比較

本工程中樁基礎(chǔ)部分每延米單價(jià)為， 650mm×650mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁約25.87萬(wàn)元/米（含防腐費(fèi)用）。φ800mmPHC管樁約24.43萬(wàn)元/米，若慮抗凍防護(hù)措施費(fèi)用，φ800mmPHC管樁每延米單價(jià)25.08萬(wàn)元/米?？梢?jiàn)，此工程中φ8 0 0 m m PHC管樁與650mm×650mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁方案，造價(jià)相差不大。

4.結(jié)論

（1）與φ800mmPHC管樁比較，650mm×650mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁在抗彎性能、抗剪性能方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。

（2）650mm×650mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁與φ800mmPHC管樁均能承受冰荷載的作用。但由于冰凌期水位變動(dòng)區(qū)處于方樁樁頭混凝土實(shí)心段，相較于PHC管樁空心樁頭，預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁抗凍性更強(qiáng)，且節(jié)省了防護(hù)措施費(fèi)用，有利于推進(jìn)施工進(jìn)度。

（3）由于預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁樁頂6m范圍一般為實(shí)心段，抗打擊能力相比φ800mmPHC管樁較強(qiáng)。

綜上所述，兩種方案造價(jià)相當(dāng)，但與φ8 0 0 m m P H C管樁比較，650mm×650mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁耐久性、抗凍性、抗打擊能力更強(qiáng)。故本工程采用650mm×650mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁作為基樁。

目前基樁施工已完成。根據(jù)對(duì)6根試樁進(jìn)行初打和復(fù)打高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)結(jié)果表明：樁身完整；初打檢測(cè)單樁豎向承載力最大值為5329kN，最小值為3912kN；經(jīng)8～10天樁周土體恢復(fù)后復(fù)打檢測(cè)單樁豎向承載力最大值為7703kN，最小值為7344kN；初復(fù)打樁的土體恢復(fù)系數(shù)最大值1.96，最小值1.44。樁身完整性及承載能力均符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)冬季冰凌期檢驗(yàn)樁身完好。

實(shí)際上，650mm×650mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁在天津港及黃驊港5～10萬(wàn)噸級(jí)碼頭建設(shè)中已得到廣泛應(yīng)用，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。本工程采用650mm×650mm預(yù)應(yīng)力混凝土空心方樁樁基方案符合工程實(shí)際、效果良好，適宜在類似工程中推廣。

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