密排桩承台结构在码头工程直立式护岸中的应用

金泰赛 广东省航运规划设计院有限公司

1.背景

阳江某码头工程场区在陆域形成吹填时未设围堰结构，吹填土流失严重，流失的吹填土淤积于北侧边界外围，形成高度接近于本工程陆域场区设计高程的滩涂地。滩涂地静置多年，已完成基本沉降。本工程北护岸原设计方案（2017年完成）仅考虑采用重力式方块结构护岸与滩涂地衔接，滩涂地区域不设置边界构筑物，采用自然边界。近年来，我国滨海湿地保护工作取得了一定成效，但由于长期以来的大规模围填海活动，滨海湿地大面积减少，自然岸线锐减，对海洋和陆地生态系统造成损害。为切实提高滨海湿地保护水平，严格管控围填海活动，2018年国务院颁发了严管围填海的通知，并要求处理之前围填海的问题。因此，本工程北护岸边界外围滩涂地需按照当地主管部门要求开挖至-1.0 m高程，恢复滨海湿地功能。

2.工程概况

工程位于阳江市平冈镇，地处九姜河入海陵湾左岸段，是阳江港海陵湾港区吉树作业区某泊位工程。工程建设1个3000吨级多用途泊位（结构按10000 吨级预留），码头岸线长度150 m，港区陆域纵深502 m，码头面及陆域场区标高5.0 m。整个港区陆域布置主要由生产作业、生产辅助和生产管理区组成（见图1）。

图1 总平面布置图

3.设计条件

3.1 工程地质

根据地勘资料显示，工程区域自上而下为吹填土、淤泥、细砂、中砂、砂质黏性土、全风化花岗岩和强风化花岗岩（见图2）。

图2 地质剖面图

各土层的桩侧摩阻力特征值的经验值qsa和桩端阻力特征值的经验值qpa详见表1。

表1 桩侧摩阻力特征值的经验值和桩端阻力特征值的经验值

3.2 设计荷载

①结构自重：钢筋混凝土结构取25kN/m³。

②堆货荷载：护岸前沿线后方30 m范围q=30 kpa，后方堆场q=80kpa。

③地震作用：本工程结构按抗震设防烈度7度考虑。

4.结构选型

本工程北护岸总长444m，端部与现有海堤连接，其中140m为与重力式码头结构衔接段，剩余304m为滩涂地段护岸（见图1）。

本工程场区相对紧凑，为最大限度利用陆域场区，北护岸采用直立式结构。据工程区域回填土及地质情况，护岸区域吹填土（淤泥混砂）底高程-0.24m～-0.02m，淤泥层底高程-2.6～-10.3m，软土层厚度大，承载力低。

直立式护岸如采用重力式结构，需挖除软土层或加固软土层作为重力式结构的地基，开挖量大，工程造价高，不宜选择。如采用高桩结构需设置接岸挡墙，同样需大开挖或加固接岸挡墙地基，工序复杂，经济性不明显，不宜采用。如采用板桩结构方案可减少开挖量，而相对传统的单锚板桩结构而言，采用密排桩承台结构优势更加明显，可大幅度减少开挖量和回填量，节省工程费用。承台结构将上部荷载通过桩基传递至持力层，使用期基本上没有沉降。护岸结构后方为场区地基处理范围，使用期沉降也较小。综上分析，本工程北护岸采用密排桩承台结构。

密排桩承台结构也分为两种，一种是前板桩墙、后低桩承台或卸荷结构，若后方结构与板桩墙定高程一致并连成一体，则称之为前板桩后高桩形式；同理，反之则为前高桩后板桩形式。

前板桩后高桩结构形式，可通过适当调整承台宽度、降低承台高程，以满足对前板桩墙的卸荷要求。承台桩基对前板桩墙也能起一定的遮帘作用，板桩墙较靠近护岸前沿线，减少相邻滩涂地开挖至-1.0m时的边坡工程量，但在水平土压力作用下，承台桩受拉，结构水平位移相对较大。前高桩后板桩结构形式，较好的利用了承台桩的轴向抗压承载力高的特点，结构受力较前板桩后高桩形式要有优势，但是承台对板桩墙无卸荷功能，承台桩基无遮帘作用，所以同等荷载作用下，作用于板桩墙上的主动土压力较大。且板桩墙距护岸前沿线较远，相邻滩涂地开挖至-1.0m时的边坡工程量较大。

综合分析，考虑本工程护岸前沿开挖深度不大，结构悬臂高度较矮，采用前板桩后承台桩的密排桩承台结构。

本工程护岸区域回填土高程约为5.0m，具备陆上施工条件。密排桩承台结构桩基采用造价低廉的PHC桩。特别是直径小于700mm的PHC桩，经过市场调研，Φ600mmPHC桩购置费仅为Φ700mmPHC桩的0.66倍，两者有阶梯型价格差异。PHC桩不仅购置费用低，且具备桩身质量好、强度高，沉桩设备选型丰富，施工速度快等优势。密排桩承台结构一般水平位移较大，如承台桩采用斜桩结构，水平力由斜桩承担，可大大减少水平位移，但陆上打设斜桩的沉桩设备及队伍在华南地区相对较少且工程安排非常饱满，无法满足本工程施工进度要求。因此，本工程承台桩采用多排直桩代替，依靠承台桩水平抗力也可满足结构水平变形要求。承台宽度越大，高程越低，卸荷效果越明显，对于本工程，承台高程的确定要结合施工水位、开挖量以及卸荷效果综合确定。密排桩墙竖向刚度大，承台桩基竖向刚度相对较小，单位长度的密排桩墙和承台桩基竖向变形不协调，承台结构内力大，需加大承台结构刚度，加强结构整体性及变形协调性。因此，承台厚度应根据荷载情况通过计算确定。

5.结构方案及计算

5.1 方案

桩基采用Φ600mmPHC桩，前排桩密排布置，桩距0.7m，桩缝采用Φ600mm高压旋喷桩进行封堵，密排桩后方设置两排间隔布置的承台桩，承台桩间隔3.5m布置，各排桩横向间距2.75m。PHC桩与高压旋喷桩桩顶高程2.0m，PHC桩桩底高程-22.0～-24.0m，高压旋喷桩底高程-12.0m、-14.0m。上部结构采用现浇“L”型钢筋混凝土承台结构，承台顶高程5.0m，底高程2.0m，底部厚度1.2m，承台顶宽0.5m，承台底宽7.5m。承台段间设置20mm宽的沉降缝，沉降缝采用沥青木丝板等弹性材料填充。前墙后侧需开挖至1.6m高程后再进行承台施工，开挖边坡按1:2，承台底部回填厚0.3m碎石垫层和现浇厚0.1m素砼垫层，墙后回填10～100kg块石，块石顶高程与场区交工标高4.25m一致，顺抛石边坡依次铺设厚≥0.5m二片石垫层、厚≥0.6m混合倒滤层及2层400g/m土工布滤层（见图3）。

图3 护岸结构断面图

密排桩承台护岸结构的工程技术经济指标为0.78万元/m（参考阳江市2018年11月建设工程材料信息价），技术经济性好。

5.2 分析及计算

密排桩承台结构实际上是整体卸荷式板桩结构，根据规范相关规定，可按单锚板桩结构进行计算前墙土压力。承台桩纵向中心距3.5m，不满足遮帘桩间距要求，且刚度相对密排桩墙低，不能形成真正的有效遮帘面，但能起一定的遮帘作用，完全按遮帘桩的理论计算不合理。在类似结构的分析计算时，前人的研究成果未考虑承台桩的遮帘作用，虽然简化了计算，但也偏保守。对于多排承台桩的密排桩承台结构，借鉴规范的方法进行计算，将作用于整个结构上的土压力按照刚度比分配给密排桩墙和承台桩基。桩土作用采用“m”法进行模拟，桩基按照竖向弹性地基梁考虑。承台桩考虑群桩效应，沿受力方向的水平地基抗力系数根据桩距进行折减。

基于以上分析，采用Mida scivil建立三维数值模型，桩基采用杆系单元模拟，承台采用实体单元模拟。岸坡稳定性采用圆弧滑动总应力法进行验算。计算得持久工况下抗倾覆力矩101197 kNm/m，倾覆力矩23427 kNm/m；地震工况下抗倾覆力矩84209 kNm/m，倾覆力矩21226 kNm/m。密排桩极限承载力工况下最大弯矩184 kN.m，压桩力576kN（见图4）；承台桩极限承载力工况下最大弯矩255kN.m，压桩力1044kN（见图5）。护岸结构最大水平位移35mm。计算得极端低水位时岸坡稳定抗力系数为2.574（见图6）。

图4 密排桩桩基弯矩图示

图5 承台桩桩基弯矩图示

图6 岸坡稳定计算结果图示

6.施工及成果检测

主要施工顺序：基础开挖→沉桩→桩顶处理→高压旋喷桩施工→铺设碎石及素砼垫层→支立承台模板→绑扎承台钢筋→浇筑承台混凝土→回填块石至道路结构层底部→倒滤层施工→完工。关键施工工序在于桩基施工，采用D60柴油锤打桩机陆上沉桩，冲击力为5000～7000kN。沉桩以贯入度控制为主，桩端标高作为校核。要求Φ600 mm PHC桩最后10击贯入度控制值≦4mm/击，桩端标高与设计标高偏差不大于3m。密排桩桩距净距为100mm，因此要求桩中心位置允许偏位值必须≦50mm，从严控制密排桩沉桩偏位，桩基垂直度允许偏差为0.5%。

正式沉桩作业之前选取4根桩作试沉桩，试沉桩结构如表2所示。

表2 试桩结果记录表

试沉桩情况良好，贯入度满足要求，桩尖实际标高与设计标高偏差在3m以内，单桩承载力满足使用要求，桩基选锤合适，采用的控制标准合理。

桩基沉桩完毕后，分别抽取17根、32根桩进行高应变及低应变动力检测。高应变检测基桩最小极限承载力标准值为3396.1kN；低应变检测显示Ⅰ类桩占比88%，Ⅱ类桩占比12%。桩基承载力及完整性均满足要求。护岸完工至竣工验收期间对结构定期进行沉降位移观测，观测期间内最大水平位移为20mm（见图7），并趋向于稳定。

图7 水平位移观测结果图示

7.结语

在提倡加强滨海湿地保护的大趋势下，斜坡式护岸结构适用范围已逐渐被压缩，直立式护岸结构将进一步推广应用。根据各工程的特殊性选择合适的直立式护岸结构对建设方的投资及进度控制尤为重要。本文基于工程实例，简述了采用密排桩承台作为直立式护岸结构的应用要点。

密排桩承台结构采用PHC桩具备施工速度快，工程费用省等优势，现浇承台结构刚度大、整体性好，卸荷效果明显。当护岸结构悬臂高度较矮且不具备斜桩施工条件时，承台桩采用多排直桩也可满足水平变形要求。密排桩承台结构实际上是整体卸荷式板桩结构，分析计算时可按照刚度比进行土压力分配，为简化计算，本次分析计算时忽略土体的塑性变形，按弹性理论建立三维数值模型，桩基采用竖向弹性地基梁法分析计算基本满足工程要求。有条件时，建议结合土体的弹塑性特性对结构进行整体分析，有必要时可采用离心模型验证。密排桩承台结构施工时需加强沉桩偏位控制，根据项目需要提出严格于规范的控制标准。无斜桩的密排桩基承台结构一般水平位移偏大，建议使用期定期观测水平位移。