预制型植入嵌岩桩设计与施工研究

边 峰， 王志勇， 刘淑伟， 巫绪敏

(安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽 合肥 230011)

0 引 言

工程地处池州市东至县香隅镇境内,距上游在建望东长江公路大桥约2.7km,工程规划建设4个1个1 000吨级兼顾3 000吨级泊位,其中1个固体化学品进出口泊位、1个液体化学品进出口泊位和2个散杂货进口泊位。工程区域位于扬子准地台下扬子台坳沿江拱断褶带石台穹褶断束,石台穹褶断束是沿江拱断褶带南部的次级单元,南以江南深断裂与皖南陷褶断带相接,场地覆盖层仅为1m左右,下部均为微风化石灰岩石灰岩,饱和抗压强度平均值约38.67MPa,且局部分布有溶洞。本工程所在区域水文、地质情况较复杂,水流风浪较大,水位差大,且岩面起伏大,覆盖层较浅,裸岩、礁石、溶洞多发。根据以上情况,码头结构形式采用高桩框架结构,桩基采用预制型植入嵌岩钢管桩。

1 嵌岩桩分类及国内外发展状况

1.1 嵌岩桩分类

嵌岩桩是指桩的下部有相当一段长度浇筑于坚硬岩层中的钻孔灌注桩,下端可嵌入中等风化、微风化或新鲜基岩。目前主要分为灌注型嵌岩桩、灌注型锚杆嵌岩桩、预制型植入嵌岩桩、预制型芯柱嵌岩桩、预制型锚杆嵌岩桩、组合式嵌岩桩等。

1.2 嵌岩桩使用状况

随着船舶吨位的逐渐变大,为了满足大型船舶的靠泊,码头利用长引桥连接深水区码头平台,并选择较优良天然掩护的岛屿岸线,但这类海域的地质条件往往比较复杂,存在覆盖层相对较薄,基岩裸露的情况。在覆盖层薄、基岩坡度大的地质条件,为了解决构筑物中基础抗拉、抗弯及承重荷载作用的问题,预制型锚杆嵌岩桩、预制型植入嵌岩桩、预制芯柱嵌岩桩等各种桩型得到越来越多的开发运用。

目前在我国,嵌岩桩已经应用在建筑、桥梁、码头等各类工程方面,施工工艺及理论计算已趋于成熟,嵌岩桩解决了在覆盖层较浅、持力层抗压强度较大地质条件下施工的难题,并可以减少投资。

2 嵌岩桩基设计

码头结构采用高桩梁板型，桩基为预制型植入嵌岩桩，每榀排架设置5根φ1 200mm×18mm钢管桩，共计150根植入嵌岩钢管桩，钢管桩嵌岩深度4.5m，桩身内混凝土锚固长度6.5m。

2.1 嵌岩桩单桩轴向抗压承载力

嵌岩桩单桩轴向抗压承载力的设计值按下式计算：

Qcd=(U1∑ξfiqfili)/γcs+U2(ξsfrkhr+ξpfrkA)/γcR

式中,Qcd为嵌岩桩单桩轴向抗压承载力设计值kN;U1、U2分别为覆盖层桩身周长和嵌岩段桩身周长，m；ξfi为桩周第i层土的侧阻力计算系数；qfi为桩周第i层土的单位面积极限侧阻力标准值，kPa；li为桩穿过第i层土的长度，m；γcs为覆盖层单桩轴向受压承载力抗力分项系数；ξs、ξp分别为嵌岩段侧阻力和端阻力计算系数；frk为岩石饱和单轴抗压强度标准值，kPa；hr为桩身嵌入基岩的长度，m；A为嵌岩段桩端面积，m2；γcR为嵌岩段单桩轴向受压承载力抗力分项系数。

2.2 嵌岩桩单桩轴向抗拔承载力

嵌岩桩单桩轴向抗拔承载力的设计值按下式计算：

Qtd=(U1∑ξ＇fiξfiqfili+Gcosa)/γts+(U2ξ＇sfrkhr)/γtr

式中：Qtd为嵌岩桩单桩轴向抗拔承载力设计值，kN；ξ＇fi为第i层覆盖土的侧阻力抗拔折减系数；G为桩重力，kN；a为桩轴线与铅垂线夹角，(°)。

2.3 嵌岩深度

嵌岩桩在水平力作用下的嵌岩深度按下式计算，且应不小于1.5倍嵌岩段桩径。

本工程水工建筑物安全等级按二级建筑物设计,以16t门机和散货堆载40kPa作为控制荷载,根据以上公式进行计算,桩基承载力可达7 124kN,码头平台最大水平位移为9mm，如图1所示。

图1 码头桩力计算结果图

钻孔桩穿过溶洞时,若填充料较密实,甚至不影响混凝土浇筑的,无须处理。若填充料较松散,可采用往钻孔内加抛石,再进行钻孔的方式。所有钻孔桩均应采用超前钻,超前钻深度应大于桩底设计高程以下2m以上，如图2所示。

图2 桩基入岩设计示意图

由于钻孔数量有限,岩面存在起伏,可能与地质报告存在出入,以入岩深度不小于4.5m控制(如遇溶洞,岩面以溶洞底部为起始面)。

3 预制型植入嵌岩桩基施工

预制型植入嵌岩桩基施工工序主要包括钻孔平台搭设、江底基床处理、桩基成孔、钢管桩沉放及混凝土灌注。

3.1 钻孔平台

码头平台施工需设置钻孔平台,钻孔平台主要有钢管桩支撑平台、钢护筒支撑平台、钢围堰支撑平台和浮式平台四类,考虑本工程河床覆盖层较薄、岩基强度高,且短期水位落差较小,并考虑施工便利性、经济社会效益等,本工程采用浮式平台。浮式平台主要由甲板驳、平台上部固定结构及锚索组成，如图3所示。

图3 浮式平台结构示意图

3.2 基床处理

为保证钢管桩沉放的稳定问题,河底基床需进行处理,主要处理方法有人造基床、套箱基床及爆破法。本工程综合考虑施工成本、安全性及地质浅覆盖层的零散性,选择抛填土石人造基床的处理方案。

3.3 桩基成孔

桩基成孔需设置钢护筒,钢护筒利用大型浮吊固定在钻孔平台的定位架内,并利用振动锤进行锤击,将钢管桩沉入土中大于1m,每榀排架钢护筒采用双层定位架固定在一起,保证定位准确及稳定。综合考虑平台搭设以及桩基成孔工艺,选择适合于中风化岩成孔的CK1800 型的冲击钻机,冲击钻机前端配置一只下端设置有合金钢牙片的冲锤。成孔后应上报监理工程师确认,留存渣样,同时与地勘报告和超前钻数据对比,避免遇到夹层而错判入岩。终孔标高以入岩深度不小于4.5m控制(如遇溶洞,岩面以溶洞底部为起始面)。

3.4 钢管桩沉放

将加工好的钢管桩吊入孔内,利用全站仪或GPS对钢管桩进行定位,并比对桩身长度和孔深,保证钢管桩落到孔底位置,上部利用钢护筒定位架进行固定。

3.5 混凝土灌注

混凝土灌注主要控制有效芯柱长度及混凝土外翻质量,混凝土灌注过程中,应经常探测外护筒内混凝土上升高度,保证混凝土有效芯柱长度满足要求,并对混凝土和易性以及坍落度进行控制,保证混凝土外翻质量。

4 结束语

本文通过工程实例对预制型植入嵌岩桩设计理论与施工方法进行探讨和研究,在覆盖层较浅,裸岩、礁石、溶洞多发地层中,建议设计及施工应采用逐桩超前钻探,以设计依据的合理性,并对施工方案进行了论述,介绍了浮平台、人造基床及沉桩工艺,对浅覆盖层地质条件有较强的针对性,为类似工程施工提供参考。