以某码头工程为例的TSC组合桩设计与应用

王捷，陆敏

（1.上海市土地储备中心，上海 200336；2.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032）

TSC 桩全称预制高强混凝土薄壁钢管桩，是在采用牌号为Q235B 或Q345B 的钢板（钢带）经卷曲成型焊接制成的钢管内浇筑混凝土，经离心成型、蒸汽养护，制成的具有承受较大竖向荷载和水平荷载的新型基桩制品[1]。TSC 桩充分结合了混凝土抗压能力强和钢材抗拉抗剪能力强的特点，具有良好的受力性能。经过大量的工程实践，目前TSC 桩已广泛应用在工业与民用建筑、电力等行业中。经理论研究[2]和工程实例证明，现有普通TSC 桩理论也适用于港口工程中所采用的较大桩径的TSC 桩，且能满足工程质量要求。本文以某码头桩基设计为例，分析比较了TSC组合桩方案及全PHC 桩方案的结构内力，从技术角度为今后类似工程提供参考。

1 工程案例

本文所引工程为长江下游某大型集装箱码头工程，规划利用岸线1292m，拟建设4 个5 万吨级集装箱泊位，水工结构按照靠泊10 万吨级集装箱船设计，年设计吞吐量200 万TEU。码头采用引桥式平面布置，通过5 座引桥与后方陆域相接。

1.1 自然条件

1.1.1 波浪

工程河段波浪为风成浪，码头前沿设计波浪50年一遇H1%为2.53m，波长30.0 米，波周期4.4s。

1.1.2 潮流

码头前沿大潮涨潮最大可能流速1.60m/s，涨潮主流向为318°～321°，大潮落潮最大可能流速2.0m/s，落潮主流向为138°～141°。

1.1.3 地质

本工程场地为厚软土层，灰色粉细砂、暗绿色粉质黏土等土层分布较稳定，工程力学指标较好，可作为桩基持力层。

1.2 设计荷载

设计荷载主要包括结构自重、均布荷载、集装箱装卸桥荷载、流动机械荷载等。

2 结构方案

2.1 桩基选型

根据地质勘察资料，工程区域粉质粘土层很厚，硬土层埋藏较深，因此码头采用高桩板梁式结构。码头宽度为50m，分为36m 前方平台和14m 后方平台。

港口工程常用桩型有钢管桩、高强度预应力混凝土管桩、TSC 组合管桩、嵌岩桩、钢筋混凝土灌注桩等。桩型的选择应综合考虑以下因素：①工程地质和水文条件；②设计水深和结构高度；③工程造价和施工工期；④施工场地和设备条件；⑤对周围环境的影响。其中以工程地质、泥面上的结构高度、工程造价为桩基选型的重要因素。各桩型的特点见表1。

表1 港口工程常用桩型特点

本工程码头平台较宽，根据附近已建工程经验，码头建成后，下方淤积非常严重，码头前沿为保持设计水深需不断疏浚，一段时间后，在码头下方会形成较陡边坡。码头下方的淤积会造成上层土体的垂直压缩和水平蠕动，对于直桩而言，主要会增加一部分向下的摩阻力，侧向变形较小，可通过适当增加桩基承载力应对这种情况；对于斜桩而言，土体的垂直压缩和水平蠕动会对桩基产生较大的侧向土压力，特别是向岸侧的斜桩承受的土压力最大，对码头结构造成不利影响，常见的情况使码头向岸侧混凝土斜桩在顶部开裂，同时会使码头上部结构有向江侧缓慢位移的趋势。

根据附近工程多年的使用情况，码头投入运营后，下方出现淤积情况，局部最大淤高达到8m。未采取削坡措施时，码头前方承台与后方承台在使用过程中伸缩缝有增大的趋势，根据现有资料，码头前后平台伸缩缝最大宽度达到8cm；采取削坡措施后，码头前方承台与后方承台在使用过程中伸缩缝宽度趋于收敛，这种现象的产生正印证了上述分析。码头下方的淤积问题，由于受多种因素的制约，一般都很难做到及时清淤，所以有必要在可能出现淤积的岸段上，码头设计时充分考虑向岸侧斜桩的抗弯承载力。

根据表1 各常用桩型特点可知，TSC 桩抗弯能力强，刚度大，对于码头结构的整体刚度和结构安全有利。针对本工程，码头下方大量淤积后，向岸侧的斜桩承受较大的土压力，弯矩和位移较大，TSC 桩能很好地适应这种受力特点，有利于结构的安全。但TSC 桩由于成桩工艺复杂，造价较高，一般采用上部TSC 桩和下部PHC桩的组合桩型以降低单桩造价，并已经过多个工程实例验证，合理的施工工艺条件下，组合桩经检测符合质量标准[3]。TSC组合桩上段采用TSC 桩，具备抗弯能力强，刚度大的特点，下段采用PHC 桩，能承受较高的垂直承载力，同时具有较高的性价比。因此针对前方承台向岸侧的斜桩考虑采用Φ1000mmTSC组合桩，码头其余的大部分桩基选用经济的PHC 桩。同时本文考虑全PHC 桩方案，通过结构内力比较两个方案的受力特性。

2.2 码头结构方案

前方承台排架间距7m，上部结构采用现浇横梁、叠合式预应力轨道梁、预制纵向梁及叠合式面板，通过现浇现面层连成整体。基桩采用Φ1000mmPHC 砼管桩，桩长约60m，每榀排架布置9 根桩，其中30m 轨距岸桥轨道梁下部各布置2 根基桩。其中，TSC组合桩方案中，向岸侧倾斜的2 根斜桩采用Φ1000mmTSC组合桩（上管节33m 采用Φ1000mmTSC 桩，下管节采用Φ1000mm PHC-B型桩）。码头TSC组合桩方案详见图1。

图1 TSC组合桩方案

3 内力分析

计算中将结构简化为平面刚架，采用杆系有限单元法进行求解，桩顶与横梁形心采用刚性连接。设计泥面下码头前方承台结构主要构件内力值见表2，考虑未来产生淤积时构件的内力值见表3。

表2 前方承台主要构件内力计算成果（设计泥面）

表3 前方承台主要构件内力计算（考虑6～8m 淤积）

根据计算结果，设计泥面条件下，采用TSC组合桩方案位移较全采用PHC 桩方案略小，同时由于TSC桩刚度大，承受的轴力和弯矩比PHC 桩大，能明显改善排架其它PHC 桩受力条件。

根据计算结果，考虑未来产生淤积时，桩力和桩弯矩均有较大增加，而采用TSC组合桩方案可较大地减小PHC 桩所承受的拉桩力、最大弯矩和最大拉应力，明显改善PHC 桩的受力条件。全PHC 桩方案时，桩基最大拉应力接近PHC 桩混凝土有效预压应力，码头结构仍然处于安全状态，但安全储备较小，而TSC组合桩方案则有较大富余，给生产安全使用提供足够的警戒时间，方便采取必要工程方案，结构更为安全可靠。

经内力分析可知，TSC组合桩方案的受力特性较全PHC 桩方案而言有明显改善，对未来淤积会产生的侧向土压力有一定安全强度储备，且仅向岸侧的斜桩采用TSC组合桩，工程投资增加的幅度有限，因此TSC组合桩方案性价比较高，可作为推荐方案。

4 结语

码头下方淤积严重时，向岸侧的斜桩承受较大的土压力。TSC 桩抗弯能力强，刚度大，可以承受较大的弯矩和变形，且造价低于相同外径的钢管桩，因此，向岸侧斜桩采用TSC 桩是比较合适的。本文对比了某大型集装箱码头TSC组合桩方案和全PHC 桩方案，通过计算得到以下结论和启示：

（1）TSC 桩刚度大，轴向承载力和抗弯承载力得到明显的发挥，可有效改善排架其它PHC 桩的受力条件，且对未来产生的淤积有一定安全储备。全PHC 桩方案也是安全的，但安全储备不足，考虑到淤积条件下桩基受力的复杂性和不确定性，选用TSC组合桩提高码头结构的安全储备是合理的。

（2）码头后排桩不宜采用向岸侧斜桩，否则淤积导致桩内力增加过大，会影响结构的安全性。

（3）码头下方、后沿应及时清淤削坡，否则码头平台将发生较大位移，同时桩基受力明显增大，导致内力富余较小，甚至发生超出承载力设计值的情况。

（4）桩基设计时应考虑对桩基承载力留有适当富余，以适应未及时清淤削坡导致的桩力增大的情况。

综上可知，根据码头结构受力特性，局部采用TSC组合桩在结构受力、经济以及安全储备角度均具有较大优势。本文通过对TSC组合桩的比选研究，为今后类似工程的设计提供了参考。