斜向钻孔灌注嵌岩桩在外海小型高桩码头中的应用探讨
于佳乾 汤晨 张政生
摘 要：本文结合某工程案例，通过方案比选，探讨斜向钻孔灌注嵌岩桩在外海小型码头建设中的技术可行性及经济适用性。
关键词：外海；小型；高桩码头；斜向；灌注桩
中图分类号：U655.1 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）5-0047-03
1 引言
目前，我国在外海的港口建设技术已经十分成熟，各类已经建成投产的大中型码头已不计其数，且码头等级在不断刷新高；但有部分小型码头，特别是渔业码头，码头等级较低，但因选址限制需要建设在外海位置时，码头设计荷载中工艺荷载、船舶荷载等均不是控制因素，而结构承受的波浪力成为控制荷载。根据工程区域地质条件，或者受用海审批限制需要采用透空式结构时，高桩梁板式码头结构为比较常见的一种结构型式。对于覆盖层较小的岩基地质，预制桩沉桩困难，抗拔承载力不能满足要求，基桩设计常规采用全直桩灌注嵌岩桩。外海小型码头由于结构受波浪力控制，结构承受较大的水平力和面板上托力，结构产生的弯矩很大，设计的灌注嵌岩桩桩径及桩数往往较大，从而造价偏高，相对于小型码头而言，方案的经济性不尽合理；随着斜向钻孔灌注桩施工技术的出现，若设计时用斜向灌注嵌岩桩取代竖直向灌注嵌岩桩，则结构受力条件将大大改善，桩径及桩数都可减小，从而节约造价，对于外海小型码头来说，方案将更为经济合理实用。
下面以舟山外海某渔业码头工程案例对上述观点进行分析探讨。
2 工程概况
2.1 自然条件
舟山某渔业码头位于外海区域，掩护条件较差，自然条件如下：
2.1.1 设计水位
设计高潮位：1.90m（高潮累积频率10%）；
设计低潮位：-1.87m（低潮累积频率90%）；
极端高潮位：2.82 米（五十年一遇）；
极端低潮位：-2.85 米（五十年一遇）。
2.1.2 潮流
海域潮流为往复流，涨潮流向NW，流速2～3节，落潮流向SE 流速2～3节。
2.1.3 波浪
强浪向为SSE向，实测最大波高H1%为3.79m。
2.1.4 工程地质
地貌属浙东南沿海岛屿区，场地地貌类型为山麓滨海淤积地貌，自上而下为①层素填土、②层粗砂、③层花岗岩、③-1层强风化花岗岩及③-2 层中风化花岗岩，对于桩基础，持力层可选③-2 层中风化花岗岩。
2.1.5 地震
本区抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.10g，分组第一组。
2.2 工程总体布置
现状码头面标高3.40m，码头前沿设计泥面高程-4.57m，码头结构为重力式方块码头（见图1）。根据使用需求，码头需要延长1个泊位，靠泊船型为300hp渔船。
3 码头结构方案
3.1 初步方案拟定
因重力式码头为实体式结构，受用海审批限制，建设单位明确要求采用透空式高桩梁板码头结构型式。
根据地质条件，初步方案考虑标准排架间距7m，基桩采用φ1200mm嵌岩灌注桩，每榀排架下布置3根直桩，桩端均进入中风化花岗岩不小于3倍桩径。码头平台上部采用现浇上下横梁，预制安装纵向梁、预制面板的结构，并通过现浇面层连成整体（如图2）。
3.2 结构优化方案
考虑到本工程位于外海，波浪力为结构控制荷载，为改善码头受力条件，优化方案标准排架间距7m，基桩采用φ1000mm嵌岩灌注桩，每榀排架下布置1对叉桩和1根直桩，桩端均进入中风化花岗岩不小于3倍桩径；码头上部结构同前述初步方案（如图3）。
4 码头结构计算
4.1 荷载计算
4.1.1 船舶荷载
船舶荷载按照《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）中公式进行计算，主要考虑船舶系缆力及船舶撞击力，经计算，船舶系缆力为76kN、船舶撞击力为8kJ；按经验，船舶系缆力与船舶在波浪作用下的横摇力远小于船舶撞击力可不考虑。
4.1.2 波浪力
波浪力按照《港口与航道水文规范》（JTS145-2015）中公式进行计算，主要考虑波浪对横梁端部、前边梁、靠船构件及水平撑的水平向作用力；波浪对码头面板底部的浮托力及对码头面板顶面的下砸力，经计算波浪水平向合力为900kN，波浪浮托力约40kpa。
4.2 码头结构计算
码头结构计算时，根据《高桩码头设计与施工规范》（JTS167-1-2010），可简化为平面问题，按纵、横两个方向进行计算。横向排架按柔性桩台计算，按最不利作用效应组合确定桩基和横梁的内力；纵梁按弹性支座连续梁进行计算。本工程计算时主要考虑的外部荷载有船舶荷载、波浪力、水流力、人群荷载及水平地震力，按照最不利工况进行组合。
通过上述外部荷载计算结果分析，波浪力作用远远大于其他外部荷载作用，是本工程结构设计的主导控制荷载，码头桩基结构受力控制工况为：恒载+均载（满布）+水流力+波浪力，通过专业的软件进行结构计算分析，初始方案及优化方案桩基的主要结构计算如表1及图4～7所示。
根据上述计算结果表明，在外海强波浪力作用下，斜桩的设置，对改善码头结构受力条件效果显著，优化方案桩基轴力较初始方案增大不少，弯矩较初始方案大大减少。而初始方案初拟直径在相同荷载条件下，需大幅度增大配筋方可满足规范要求。
5 斜向灌注嵌岩桩设计
码头结构设计中，灌注嵌岩桩直桩的设计较为成熟，在此不再叙述；而对于斜向灌注嵌岩桩的设计，应用经验相对较少。
5.1 斜向受拔桩设计
根据上述计算结果，由于波浪对面板的浮托力及水平力较大，桩基中一根上拔力较大，首先计算抗拉承载力是否满足要求。由于覆盖层较浅及嵌岩深度有限所能提供的极限抗拉承载力较小，若不能满足抗拉承载力，则需在桩端设置锚杆，锚杆锚入中风化岩层，锚杆可有效提供一定的抗拉效应，解决抗拉承载力不足的问题，锚杆锚固长度及直径可按按《港口工程桩基规范》（JTS167-4-2012）相关公式进行计算，锚固长度不宜小于3m。
5.2 斜向受压桩设计
根据上述计算结果，由于波浪对面板的下砸力及水平力较大，为能满足垂直极限承载力的要求，采用斜向灌注嵌岩桩，嵌入中风化岩层端可按照固接设计，嵌岩深度应不小于计算嵌岩深度（可按《港口工程桩基规范》（JTS167-4-2012）公式4.3.5计算），且应不小于1.5倍嵌岩段桩径。
6 经济性分析
工程的经济性是衡量工程设计合理性的一个重要标准，本工程设计的优化方案较初始方案的经济性主要体现在桩基设计中，桩基由3根φ1200mm嵌岩灌注桩直桩优化为3根φ1000mm嵌岩灌注桩斜桩，工程造价可明显降低，经济分析如下：
根据上述表中数据，优化方案较初始方案单榀排架節省50003元，约19%，一般连片式高桩码头排架数量较多，优化方案可大幅度降低工程总投资，为小型码头的经济可行性提供有利依据。
7 结语
在外海掩护条件差、持力层为中风化岩层的小型码头设计过程中，采用斜向灌注嵌岩桩，可以大大改善结构受力的合理性，同时施工工艺也能够得到保证，能有效地降低工程造价，具有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1] 麦冬生.斜向钻孔灌注桩施工技术[J].中国港湾建设，2002（5）：42-44.
[2] 港口与航道水文规范（JTS145-2015）.中华人民共和国交通运输部.
[3] 王恺.高桩码头设计中波浪力计算方法的探讨[J].水运工程，2003（10）：138-142.
摘 要：本文结合某工程案例，通过方案比选，探讨斜向钻孔灌注嵌岩桩在外海小型码头建设中的技术可行性及经济适用性。
关键词：外海；小型；高桩码头；斜向；灌注桩
中图分类号：U655.1 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）5-0047-03
1 引言
目前，我国在外海的港口建设技术已经十分成熟，各类已经建成投产的大中型码头已不计其数，且码头等级在不断刷新高；但有部分小型码头，特别是渔业码头，码头等级较低，但因选址限制需要建设在外海位置时，码头设计荷载中工艺荷载、船舶荷载等均不是控制因素，而结构承受的波浪力成为控制荷载。根据工程区域地质条件，或者受用海审批限制需要采用透空式结构时，高桩梁板式码头结构为比较常见的一种结构型式。对于覆盖层较小的岩基地质，预制桩沉桩困难，抗拔承载力不能满足要求，基桩设计常规采用全直桩灌注嵌岩桩。外海小型码头由于结构受波浪力控制，结构承受较大的水平力和面板上托力，结构产生的弯矩很大，设计的灌注嵌岩桩桩径及桩数往往较大，从而造价偏高，相对于小型码头而言，方案的经济性不尽合理；随着斜向钻孔灌注桩施工技术的出现，若设计时用斜向灌注嵌岩桩取代竖直向灌注嵌岩桩，则结构受力条件将大大改善，桩径及桩数都可减小，从而节约造价，对于外海小型码头来说，方案将更为经济合理实用。
下面以舟山外海某渔业码头工程案例对上述观点进行分析探讨。
2 工程概况
2.1 自然条件
舟山某渔业码头位于外海区域，掩护条件较差，自然条件如下：
2.1.1 设计水位
设计高潮位：1.90m（高潮累积频率10%）；
设计低潮位：-1.87m（低潮累积频率90%）；
极端高潮位：2.82 米（五十年一遇）；
极端低潮位：-2.85 米（五十年一遇）。
2.1.2 潮流
海域潮流为往复流，涨潮流向NW，流速2～3节，落潮流向SE 流速2～3节。
2.1.3 波浪
强浪向为SSE向，实测最大波高H1%为3.79m。
2.1.4 工程地质
地貌属浙东南沿海岛屿区，场地地貌类型为山麓滨海淤积地貌，自上而下为①层素填土、②层粗砂、③层花岗岩、③-1层强风化花岗岩及③-2 层中风化花岗岩，对于桩基础，持力层可选③-2 层中风化花岗岩。
2.1.5 地震
本区抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.10g，分组第一组。
2.2 工程总体布置
现状码头面标高3.40m，码头前沿设计泥面高程-4.57m，码头结构为重力式方块码头（见图1）。根据使用需求，码头需要延长1个泊位，靠泊船型为300hp渔船。
3 码头结构方案
3.1 初步方案拟定
因重力式码头为实体式结构，受用海审批限制，建设单位明确要求采用透空式高桩梁板码头结构型式。
根据地质条件，初步方案考虑标准排架间距7m，基桩采用φ1200mm嵌岩灌注桩，每榀排架下布置3根直桩，桩端均进入中风化花岗岩不小于3倍桩径。码头平台上部采用现浇上下横梁，预制安装纵向梁、预制面板的结构，并通过现浇面层连成整体（如图2）。
3.2 结构优化方案
考虑到本工程位于外海，波浪力为结构控制荷载，为改善码头受力条件，优化方案标准排架间距7m，基桩采用φ1000mm嵌岩灌注桩，每榀排架下布置1对叉桩和1根直桩，桩端均进入中风化花岗岩不小于3倍桩径；码头上部结构同前述初步方案（如图3）。
4 码头结构计算
4.1 荷载计算
4.1.1 船舶荷载
船舶荷载按照《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）中公式进行计算，主要考虑船舶系缆力及船舶撞击力，经计算，船舶系缆力为76kN、船舶撞击力为8kJ；按经验，船舶系缆力与船舶在波浪作用下的横摇力远小于船舶撞击力可不考虑。
4.1.2 波浪力
波浪力按照《港口与航道水文规范》（JTS145-2015）中公式进行计算，主要考虑波浪对横梁端部、前边梁、靠船构件及水平撑的水平向作用力；波浪对码头面板底部的浮托力及对码头面板顶面的下砸力，经计算波浪水平向合力为900kN，波浪浮托力约40kpa。
4.2 码头结构计算
码头结构计算时，根据《高桩码头设计与施工规范》（JTS167-1-2010），可简化为平面问题，按纵、横两个方向进行计算。横向排架按柔性桩台计算，按最不利作用效应组合确定桩基和横梁的内力；纵梁按弹性支座连续梁进行计算。本工程计算时主要考虑的外部荷载有船舶荷载、波浪力、水流力、人群荷载及水平地震力，按照最不利工况进行组合。
通过上述外部荷载计算结果分析，波浪力作用远远大于其他外部荷载作用，是本工程结构设计的主导控制荷载，码头桩基结构受力控制工况为：恒载+均载（满布）+水流力+波浪力，通过专业的软件进行结构计算分析，初始方案及优化方案桩基的主要结构计算如表1及图4～7所示。
根据上述计算结果表明，在外海强波浪力作用下，斜桩的设置，对改善码头结构受力条件效果显著，优化方案桩基轴力较初始方案增大不少，弯矩较初始方案大大减少。而初始方案初拟直径在相同荷载条件下，需大幅度增大配筋方可满足规范要求。
5 斜向灌注嵌岩桩设计
码头结构设计中，灌注嵌岩桩直桩的设计较为成熟，在此不再叙述；而对于斜向灌注嵌岩桩的设计，应用经验相对较少。
5.1 斜向受拔桩设计
根据上述计算结果，由于波浪对面板的浮托力及水平力较大，桩基中一根上拔力较大，首先计算抗拉承载力是否满足要求。由于覆盖层较浅及嵌岩深度有限所能提供的极限抗拉承载力较小，若不能满足抗拉承载力，则需在桩端设置锚杆，锚杆锚入中风化岩层，锚杆可有效提供一定的抗拉效应，解决抗拉承载力不足的问题，锚杆锚固长度及直径可按按《港口工程桩基规范》（JTS167-4-2012）相关公式进行计算，锚固长度不宜小于3m。
5.2 斜向受压桩设计
根据上述计算结果，由于波浪对面板的下砸力及水平力较大，为能满足垂直极限承载力的要求，采用斜向灌注嵌岩桩，嵌入中风化岩层端可按照固接设计，嵌岩深度应不小于计算嵌岩深度（可按《港口工程桩基规范》（JTS167-4-2012）公式4.3.5计算），且应不小于1.5倍嵌岩段桩径。
6 经济性分析
工程的经济性是衡量工程设计合理性的一个重要标准，本工程设计的优化方案较初始方案的经济性主要体现在桩基设计中，桩基由3根φ1200mm嵌岩灌注桩直桩优化为3根φ1000mm嵌岩灌注桩斜桩，工程造价可明显降低，经济分析如下：
根据上述表中数据，优化方案较初始方案单榀排架節省50003元，约19%，一般连片式高桩码头排架数量较多，优化方案可大幅度降低工程总投资，为小型码头的经济可行性提供有利依据。
7 结语
在外海掩护条件差、持力层为中风化岩层的小型码头设计过程中，采用斜向灌注嵌岩桩，可以大大改善结构受力的合理性，同时施工工艺也能够得到保证，能有效地降低工程造价，具有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1] 麦冬生.斜向钻孔灌注桩施工技术[J].中国港湾建设，2002（5）：42-44.
[2] 港口与航道水文规范（JTS145-2015）.中华人民共和国交通运输部.
[3] 王恺.高桩码头设计中波浪力计算方法的探讨[J].水运工程，2003（10）：138-142.
