張 余，原 娟，張俊健

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220）

引言

由于我國(guó)海岸線的地質(zhì)條件，重力式和高樁結(jié)構(gòu)在我國(guó)港口海岸及近海工程中廣泛應(yīng)用，板樁結(jié)構(gòu)尤其是鋼板樁結(jié)構(gòu)應(yīng)用較少，隨著我國(guó)鋼板樁行業(yè)的迅速發(fā)展，鋼板樁的應(yīng)用前景越來越廣闊。其中鋼管組合板樁結(jié)構(gòu)較地連墻及單一板樁結(jié)構(gòu)可以更好的適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件、方便施工、對(duì)各種水平和豎向荷載的適應(yīng)能力強(qiáng)、能很好的滿足水平抗彎和豎向承載力要求[1]，可以充分利用這些優(yōu)勢(shì)推廣應(yīng)用。本文結(jié)合工程案例，依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)介紹鋼管組合板樁在高樁碼頭接岸結(jié)構(gòu)和防波擋沙堤方面的應(yīng)用。

1 鋼管組合板樁高樁碼頭接岸結(jié)構(gòu)

高樁碼頭接岸結(jié)構(gòu)的選取取決于地質(zhì)條件、地震災(zāi)害影響、碼頭平臺(tái)寬度、土壓力、地基應(yīng)力和沉降等因素。傳統(tǒng)的接岸結(jié)構(gòu)多為拋石斜坡和重力式擋土墻，拋石斜坡接岸根據(jù)放坡長(zhǎng)度不同，需要一定的碼頭后方承臺(tái)寬度，以符合用海要求；重力式擋土墻接岸結(jié)構(gòu)要求有良好的地質(zhì)條件以滿足地基承載力要求。對(duì)于噸級(jí)較大碼頭考慮拋石斜坡和重力式擋土墻結(jié)合，以減小擋土墻高度同時(shí)減小拋石斜坡放坡長(zhǎng)度。接岸結(jié)構(gòu)型式的選取即要考慮造價(jià)同時(shí)也要考慮用海要求、結(jié)構(gòu)對(duì)地質(zhì)的適應(yīng)性[2-4]。

板樁結(jié)構(gòu)在公路、鐵路邊坡加固方面有廣泛的應(yīng)用，通常采用混凝土抗滑樁及混凝土擋土板組合，起到加固抗滑作用[5]。在港口工程中同樣會(huì)遇到類似接岸問題，對(duì)于十萬噸級(jí)以上的泊位，接岸邊坡高度較高，混凝土抗滑樁及擋土板已無法滿足需求，需要考慮抗彎能力強(qiáng)，承載能力大的新型結(jié)構(gòu)型式。

鋼管組合板樁有其獨(dú)特的截面和受力機(jī)制，板樁承受鋼管樁之間土拱范圍內(nèi)土體壓力，不需進(jìn)入很深土體起到邊坡?lián)跬磷饔眉纯?。通過加大鋼管樁直徑可以適應(yīng)不同強(qiáng)度要求，且鋼材量增加非常有限。

1.1 工程概況

某海港工程項(xiàng)目需要圍灣造陸，形成7 000 TEU集裝箱碼頭及后方堆場(chǎng)，泊位長(zhǎng)度630 m，碼頭頂高程5.5 m，碼頭前沿底高程-16 m。

1）設(shè)計(jì)水位：設(shè)計(jì)高水位2.4 m；設(shè)計(jì)低水位0.3 m。2）設(shè)計(jì)波浪及海流：波高1.99 m，流速0.5 m/s。3）碼頭及堆場(chǎng)設(shè)計(jì)荷載：60 t STS起重機(jī)軌距30.48 m，起重荷載1 139 t；堆貨荷載60 kPa。

4）7 000 TEU集裝箱船，碼頭上對(duì)應(yīng)配置1600H錐形橡膠護(hù)舷和2 000 kN系船柱系靠泊設(shè)施。

5）地震：重現(xiàn)期475年的地震基巖峰值加速度為0.505g。

6）灣內(nèi)地質(zhì)：土層分布不連續(xù)，主要是松散～中密土質(zhì)，包括低液限粉土、粉土質(zhì)砂，以粉土為主成坡較差，地震時(shí)存在液化可能，其下為中密～密實(shí)的膠結(jié)碎石，膠結(jié)較弱易碎；持力層為風(fēng)化基巖。

1.2 碼頭接岸結(jié)構(gòu)方案

因?yàn)樯蠈又饕撬缮⒌鸵合薹弁粒善聴l件較差，這對(duì)碼頭接岸結(jié)構(gòu)的選型有較大影響。如果采用常規(guī)的拋石斜坡接岸結(jié)構(gòu)，放坡長(zhǎng)度較長(zhǎng)，碼頭要考慮較寬的后方承臺(tái)與后方堆場(chǎng)銜接；如果采用重力式擋土墻接岸結(jié)構(gòu)，地基處理不當(dāng)會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降，導(dǎo)致墻向前傾倒，向下傾斜；綜合考慮地質(zhì)和碼頭使用需求，接岸結(jié)構(gòu)采用鋼管樁組合板樁接岸。

模糊數(shù)學(xué)是研究與處理模糊性事物的一種新的數(shù)學(xué)模式[2]，濃香型白酒的窖泥質(zhì)量本身是一些客觀存在的模糊概念和模糊現(xiàn)象，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)模型可對(duì)評(píng)價(jià)中的模糊性問題進(jìn)行定量化處理，以反映窖泥質(zhì)量的不確定性。本研究應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)模型，從感官和理化指標(biāo)上對(duì)窖泥質(zhì)量差異進(jìn)行評(píng)價(jià)，以數(shù)據(jù)來客觀反映濃香型白酒窖池窖泥質(zhì)量的好壞。

一方面板樁直立接岸可以減少因?yàn)榉牌略黾拥拇a頭結(jié)構(gòu)寬度，另外鋼管樁組合板樁通過合理組合，具有較大的水平抗彎和豎向承載力，其中鋼管樁可以很好適應(yīng)本工程地質(zhì)，鋼管樁之間輔樁擋土，有效減少地震滑坡危險(xiǎn)，同時(shí)碼頭前方承臺(tái)可以作為板樁接岸結(jié)構(gòu)的水平支撐，起到板樁結(jié)構(gòu)拉桿及錨定結(jié)構(gòu)作用，節(jié)省材料及施工成本[6]。

碼頭前方承臺(tái)基礎(chǔ)采用?1.5 m鋼管樁，排架間距8.0 m，軌道基礎(chǔ)下排架間增設(shè)一根?1.5 m鋼管樁。碼頭接岸結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用?1.5 m/Z18鋼管樁組合板樁。結(jié)構(gòu)平面及斷面見圖1、圖2。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)平面示意

圖2 碼頭結(jié)構(gòu)斷面

1.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算方法及工況組合

利用Algor軟件建立二維平面模型對(duì)碼頭及接岸結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬及靜力分析[7]。將接岸結(jié)構(gòu)即鋼管組合板樁簡(jiǎn)化模擬成所有水平力由鋼管樁承受，結(jié)構(gòu)參數(shù)以鋼管樁為主，水平力計(jì)算時(shí)考慮碼頭高樁平臺(tái)對(duì)接岸結(jié)構(gòu)的錨定作用。鋼管樁結(jié)構(gòu)與土體間的相互關(guān)系利用地基反力系數(shù)法確定的土彈簧來模擬[8]，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

在分析和設(shè)計(jì)碼頭結(jié)構(gòu)時(shí)，需根據(jù)BS 6349-1-2:2016中STR &GEO荷載分項(xiàng)系數(shù)表1和組合系數(shù)表3，承載能力極限狀態(tài)（ULS）和正常使用極限狀態(tài)（SLS）荷載組合表2進(jìn)行荷載組合。接岸結(jié)構(gòu)水平力在承載能力極限狀態(tài)計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)EN 1997-1:2004附錄A表A.4按設(shè)計(jì)路徑DA1的兩種組合（Combination 1即C1，Combination 2即C2，）選取土體指標(biāo)（M）的分項(xiàng)系數(shù)。土體指標(biāo)分項(xiàng)系數(shù)與STR &GEO分項(xiàng)系數(shù)選取應(yīng)對(duì)應(yīng)。

承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)（ULS）用于強(qiáng)度設(shè)計(jì)。荷載的分項(xiàng)系數(shù)γG、γQ應(yīng)按照BS 6349-1-2:2016表2的規(guī)定取值，γQ應(yīng)與組合系數(shù)表3中的ψ一起使用。C1組合時(shí)永久荷載考慮壓樁承載力時(shí)分項(xiàng)系數(shù)取1.35，考慮拉樁承載力時(shí)分項(xiàng)系數(shù)取1.0，土體指標(biāo)中有效內(nèi)摩擦角、粘聚力和抗剪強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)均取1.4。C2組合時(shí)永久荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.0，土體指標(biāo)中有效內(nèi)摩擦角和粘聚力分項(xiàng)系數(shù)取1.25，抗剪強(qiáng)度分項(xiàng)系數(shù)取1.4。

正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)（SLS）用于結(jié)構(gòu)正常使用特性設(shè)計(jì)，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)需按標(biāo)準(zhǔn)組合（characteristic）進(jìn)行結(jié)構(gòu)位移分析。只有非主導(dǎo)可變作用考慮組合系數(shù)ψ0。

1.4 計(jì)算結(jié)論

根據(jù)模型計(jì)算分析，接岸結(jié)構(gòu)鋼管組合板樁的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 接岸板樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

該結(jié)構(gòu)方案中碼頭前方承臺(tái)及鋼管組合板樁均能滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)要求。接岸結(jié)構(gòu)樁力控制樁長(zhǎng)，位移控制結(jié)構(gòu)剛度，若減小剛度會(huì)使用結(jié)構(gòu)位移更大使得前方承臺(tái)不能滿足門機(jī)設(shè)備使用要求。

2 鋼管組合板樁防波擋沙結(jié)構(gòu)

2.1 工程概況

孟加拉某工程區(qū)為改善港區(qū)作業(yè)條件、減少港池航道回淤，擬布置環(huán)抱式防波堤和擋沙堤，分別位于港池、航道南北兩側(cè)。北擋沙堤總長(zhǎng)度為2 190 m，南防波堤總長(zhǎng)度為2 521 m。

1）設(shè)計(jì)水位（CD）：極端高水位9.51 m；設(shè)計(jì)高水位4.91 m；設(shè)計(jì)低水位0.43 m。

2）設(shè)計(jì)波浪：工程海域波浪集中于SW到S向，50年一遇極端高水位設(shè)計(jì)波高H1%=6.1 m，波周期T=13.1 s，設(shè)計(jì)高水位設(shè)計(jì)波高H1%=4.0 m，波周期T=13.1 s。該處屬于潮流動(dòng)力地貌，最大潮流流速可達(dá)1.4 m/s，泥沙回淤問題嚴(yán)重。

3）地質(zhì)條件：地質(zhì)主要是粉質(zhì)粘土和砂層，地震峰值加速度Z=0.164g，50年內(nèi)超越概率10 %的設(shè)防烈度，表層松散砂可能會(huì)發(fā)生液化。

2.2 防波擋沙結(jié)構(gòu)方案

如果采用拋石斜坡堤或半圓型預(yù)制混凝土防波堤底部均需要進(jìn)行地基處理：先開挖后回填中粗砂袋做透水層，再進(jìn)行塑料排水板水上施工；考慮地震工況下整體穩(wěn)定，坡身寬度較寬，而且南、北防波堤長(zhǎng)度較長(zhǎng)，石料用量較大，工程區(qū)域石料缺乏，常規(guī)斜坡堤造價(jià)較高。

南防波堤建成后可對(duì)整個(gè)港池和北擋沙堤形成較好的掩護(hù)，所以北擋沙堤的使用功能主要是擋沙。綜合考慮水文及地質(zhì)條件，推薦南防波堤采用鋼管組合板樁+斜頂樁結(jié)構(gòu)，北擋沙堤堤頭100 m同南防波堤，北擋沙堤其余段采用無錨鋼管組合板樁結(jié)構(gòu)，可減少石料用量以達(dá)到節(jié)省工程投資的目的。

圖4 防波堤結(jié)構(gòu)斷面示意

2.3 結(jié)構(gòu)計(jì)算方法及工況組合

利用SAP2000軟件建立二維平面模型，鋼管樁結(jié)構(gòu)與土體間的相互關(guān)系利用地基反力系數(shù)法確定的土彈簧來模擬[7]，防波堤計(jì)算模型見圖5。

圖5 防波堤計(jì)算模型示意

結(jié)構(gòu)分析采用英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS 6349-1-2:2016進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)（ULS）的強(qiáng)度分析。

承載能力極限狀態(tài)（ULS）荷載組合如下：

1）1.35×自重+1.5×波吸力

2）1.35×自重+1.5×波壓力

3）1.0×自重+1.0×地震力

2.4 計(jì)算結(jié)論

南防波堤結(jié)構(gòu)最終選用?1 000+Z18-700鋼管組合板樁+?1 000鋼管斜頂樁間距2.4 m，計(jì)算壁厚12 mm（不含腐蝕厚度），北擋沙堤選用?1 000+Z18-700無錨鋼管組合板樁。根據(jù)模型計(jì)算分析，結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 板樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

南防波堤、北擋沙堤結(jié)構(gòu)滿足承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)要求。結(jié)構(gòu)中樁基打入一定的深度即能滿足樁基承載力也能滿足“踢腳”穩(wěn)定要求。

3 結(jié)語

項(xiàng)目所在區(qū)域地質(zhì)條件差、地震震級(jí)高，拋石散體結(jié)構(gòu)及重力式擋土墻組合的接岸型式在地震工況下整體穩(wěn)定不滿足使用要求，將后方接岸做成鋼管組合板樁主樁鋼管樁打入按設(shè)計(jì)要求打入一定深度，輔樁板樁擋土只需入土1～2 m即可，這樣可以解決整體穩(wěn)定問題；還可以減小因接岸放坡增加的承臺(tái)寬度；結(jié)構(gòu)類型一致均為鋼管樁方便施工；鋼管主樁對(duì)抵抗較大的地震及船舶水平荷載有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；前方承臺(tái)又起到接岸板樁錨定作用。防波擋沙堤結(jié)構(gòu)案例二常規(guī)設(shè)計(jì)思路即拋石斜坡堤，但項(xiàng)目所在地區(qū)石料缺乏造價(jià)高、海況條件惡劣波高大周期長(zhǎng)、地震表層土液化、防波擋沙堤總長(zhǎng)4 711 m，根據(jù)工程區(qū)實(shí)際情況充分發(fā)揮鋼管組合板樁的結(jié)構(gòu)特性：具有較強(qiáng)的水平抗彎和豎向承載能力，主樁鋼管樁可以適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件及波浪力，且方便施工，輔樁可以起阻擋作用。在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、施工方案、造價(jià)方面鋼管組合板樁結(jié)構(gòu)具有很好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。