高桩码头桩基设计关键技术分析

李王红 中交水运规划设计院深圳有限公司

1.工程概况

某码头工程施工现场岸坡，坡比1∶1.5～1∶1.7，岸坡较陡，同时桩基覆盖层厚度不足，桩体入土深度有限，可能会影响到桩的稳定性。若该码头建设中均采用的是PHC（Prestressed High-strength Concrete，预应力高强度混凝土）管桩，桩基施工期间稳桩较困难，且靠船时码头可能有较大的水平位移。鉴于此，项目组织优化设计，选用Φ800mm的PHC管桩和Φ900mm嵌岩桩的组合桩基方案，有效突破现场地质条件的限制，提高桩基结构体系的稳定性。

2.高桩码头的常见桩型及特点

高桩码头建设中，应用较为广泛的桩型有PHC管桩和钢管桩，但部分工程中前沿水深较大，桩体的入土深度有限，不利于桩体的施工，可能会由于桩基的承载力和抗拔力不足等原因出现问题。此时，除了考虑PHC管桩等常规方法外，还需将桩端稳定嵌入岩体内，并采取锚固处理，即建设稳定可靠的嵌岩桩，保证成桩质量。

2.1 PHC管桩

PHC管桩在高桩码头工程中较为常见，生产预制具有流程化、规范化的特点，在保证管桩成型质量的同时还可提高效率。以C80混凝土为基础材料，制作合适尺寸的PHC管桩，可充分发挥出PHC管桩的高强度、高耐久性、高抗渗性等多方面的性能优势。得益于PHC管桩的多重突出性能，深受工程人员的青睐，因此成为高桩码头建设中普遍采用的桩型。但需注意，PHC管桩有一定的脆性，桩体对地质条件较为敏感，若存在锤击应力集中易导致桩身纵向裂缝，若存在较厚的硬质夹层锤击过程中易产生环状裂缝，以上均会给码头工程造成不良影响，同时PHC桩必须采取先整桩拼接再施工或是整桩预制的方法，但目前的船机的起吊能力以及港工类桩基水平荷载作用影响较大等因素，PHC桩的桩长受到一定的限制。

2.2 钢管桩

钢管桩的优势体现在强度高、延展性好、抗弯能力强、抗水平荷载效果好等多个方面。施工中，可较为便捷地完成钢管桩的水上接桩、截桩作业。钢管桩的适用范围较广，通常在各类土层中均具有可行性，即便桩体打设深度范围内为硬地层，也依然可以有效打入。桩端持力层起伏较大时，若操作得当，钢管桩也可有效打设到位。但钢管桩抗腐蚀性能差、易生锈，影响桩体的完整性和耐久性且造价偏高。

2.3 嵌岩桩

嵌岩桩是码头工程建设中较为常见的桩型，具备抗震、承载力大等多重优势，在覆盖层浅、基岩坡度较大的地区依然具有可行性。在合理设置嵌岩桩后，可充分发挥出基岩的承载性能优势，进而保证单桩有更强的承载力。嵌岩桩的缺陷在于施工难度较大、细节多、周期长，且普遍存在造价偏高的局限性。

3.高桩码头桩基设计

3.1 单桩承载力设计

立足于码头桩基使用工况，结合桩基承载力要求，合理组织桩基设计工作，经过对方案分析后，决定采用Φ800mm的PHC管桩+Φ900mm嵌岩钢管桩的组合桩基方案。

PHC管桩设计中，要求桩体有足够的单桩垂直极限承载力Q，具体可按式（1）计算。

式中：为单桩垂直承载力分项系数，取1.45；U为桩周身长度（m）；q为桩的极限侧摩擦阻力（kPa）；l为桩在各土层中的长度（m）；q为桩端极限阻力（kPa）；A为桩尖截面面积（m）。

基于已经掌握的地层资料，用前述所提的公式（1）展开计算，得到Q的最小值为3436kN，Q的最大值为4568kN，发生位置分别在码头前沿、码头后沿。

对于嵌岩桩，按公式（2）计算，确定单桩垂直极限承载力Q。

根据钢管桩的分布位置分析，钢管桩均集中在码头前沿，因此计算时着重考虑码头前沿地基的相关数据，经计算，确定Q的最小值、最大值分别为6300kN、8600kN。

3.2 水平力作用下桩的计算

3.2.1 弹性长桩

根据入土深度的不同划分桩体，具体类别及各自的判断标准见表1。

注：L为桩的入土深度，m；T为桩的相对刚度系数。

按公式（3）计算，可求得T值。

式中：E为桩材料的弹性模量（kN/m）；I为桩截面惯性矩（m）；m为桩侧地基土水平抗力系数随深度增长的比例系数（kN/m）；b为桩的换算宽度（m）。

基于已掌握的工程数据展开计算，确定PHC管桩的T值为2.75，进一步结合表1给出的判断标准加以分析，对于PHC管桩而言，桩的入土深度＞11m时，才具备成为弹性长桩的条件。

表1 桩体的划分标准

3.2.2 受弯嵌固深度的计算

按公式（4）确定受弯嵌固深度。

式中：t为受弯嵌固点距泥面深度（m）；η为系数，取1.8～2.2，T桩的相对刚度系数。

从工程实际情况来看，排架桩基桩顶采取的是铰接的设置方法，与此同时桩基有相对较大的自由长度，因此认为η值取较小值更为合适，即1.8。经计算，t为4.95m，此处按5m考虑。

3.3 桩型布置设计

3.3.1 多种桩型布置方案

方案Ⅰ：按6.8m的间距设码头排架，每榀排架设7根Φ800mm的PHC管桩，具体包含1对叉桩和5根直桩。

方案Ⅱ：按7.5m的间距设码头排架，排架桩集两类桩体于一体，即Φ800mm的PHC管桩和Φ900mm嵌岩钢管桩。

对比分析2种方案可知：方案Ⅰ，桩的类型均一致，即PHC管桩，以相对较小的间距设置排架；方案Ⅱ，除了PHC管桩外还应用到嵌岩钢管桩，与方案Ⅰ相比排架间距有所增加。对于方案Ⅰ（a）和方案Ⅱ（b），其中的①～⑦桩体均保持一致，均为Φ800mm的PHC管桩。而对于方案Ⅱ（a），分2个部分考虑，其中①～③为Φ900mm嵌岩钢管桩，剩余部分（④～⑦）则统一采用Φ800mm的PHC管桩；方案Ⅱ（b），桩体类型也分为2个部分予以考虑，其中①～②为Φ900mm嵌岩钢管桩，剩余部分（③～⑦）均为Φ800mm的PHC管桩。

3.3.2 方案的对比分析及选择

（1）方案Ⅰ。桩基入土深度有限，排架的稳定性难以得到保证，可能出现大位移现象。对于方案Ⅰ（b），与单桩垂直极限承载力设计值相比，④桩的轴力超过该值，可见此时的斜桩弯矩偏大。为此，做进一步调整，将斜桩向岸侧适量平移，此时方案Ⅰ（a）在斜桩入土深度增加的条件下，码头排架位移有减小的趋势，但横梁内力的分布缺乏均匀性，其正负弯矩差异有所增加。

（2）方案Ⅱ。突出特点是排架虽然仍有整体位移现象，但可得到有效控制。对于方案Ⅱ（a），码头排架最大位移仅为8mm，与单桩垂直极限承载力设计值相比，④桩的轴力高于该值；此外，横梁的正弯矩较大，明显增加了横梁的正负弯矩差异。进一步分析方案Ⅱ（b），码头前沿的嵌岩钢管桩数量由3根调整为两侧布置2根，并采取在后沿轨道处增设1根PHC管桩等优化方法，此时码头排架最大位移为10mm，横梁的受力条件更为合理，即正弯矩减小、负弯矩增加，在该变化下，显著减小了正负弯矩差异。

（3）方案比选。基于上述分析可以发现：码头排架整体位移得到有效控制，约为10mm，可有效避免码头异常变形的问题；桩基的受力条件得到优化，最大桩力、最大弯矩未发生在同一叉桩处，尽管侧叉桩的弯矩略有增加，但小于抗裂弯矩设计值；从横梁受力的角度看，最大正负弯矩基本一致，无明显差异，各桩的轴力几乎一致，不存在局部内力异常分布的情况。综合考虑排架位移、单桩内力等方面，方案Ⅱ（b）是最具可行性的方案。

由于基桩入土深度较小，若均设置为PHC管桩，虽然有利于减小码头排架的间距，但该装置可能有较大幅度的位移变化，且部分桩的轴力异常偏高；经过优化，将码头前沿2根桩调整为嵌岩钢管桩后，仅需要小幅度增加码头排架间距即可有效控制码头排架的水平位移，横梁内力的分布也具有均匀性，受力条件更为合理，各方面的表现较佳，因此选择方案Ⅱ（b）最佳。

3.4 嵌岩桩结构设计

3.4.1 嵌岩芯柱直径及深度

码头前沿有2 根Φ 900 mm 嵌岩钢管桩，壁厚16 mm，芯柱直径740mm。工程要求预制桩内芯柱的高度值不可小于嵌岩深度的1.5倍，因此如何有效控制嵌岩深度极为关键，会直接影响到芯柱的高度，是嵌岩桩设计中需要重点考虑的内容。

钢管桩的垂直极限承载力较高，在合理增设适量的嵌岩钢管桩后，有利于维持排架的稳定性，减小其水平位移量。可见，水平力将对钢管桩嵌岩深度带来显著影响。在设计阶段，需要充分考虑竖向荷载和水平向荷载对嵌岩桩的作用，确保桩体可以达到承载力要求。

考虑多种桩体嵌岩深度（与桩径D作对比分析），确定最为合适的值：嵌岩深度为3D时，桩的端阻力和侧阻力良好；超过3D时，并不会对桩体承载力的增加带来明显的作用（虽然有所增加但幅度甚小）。因此，嵌岩桩的嵌岩深度以3D为宜，本工程中按3m予以控制。进一步考虑钢管桩内芯柱的设计，认为此部分的长度以10m为宜。

3.4.2 嵌岩芯柱的完整性检测方法及结果

超声波检测、低应变动力检测等，均是嵌岩桩芯柱质量检测中的常见方法。本工程中，芯柱长度仅为10m且芯柱未延伸到桩顶，若要准确判断芯柱混凝土是否具有完整性，需要采取不损伤芯柱为前提的检测方法，例如超声波检测法。为了使检测结果具有代表性，着重考虑的是设置在地质层面较陡、强风化层较厚等特殊情况下的桩体，按照规范完成超声波检测工作。经过对14根嵌岩桩的检测后，采集得到各项数据，经汇总、计算和分析，发现桩身波速的最大值、最小值分别为4067m/s、4770m/s，平均值为4396m/s，基于各项数据检测结果，嵌岩桩完整性类别达到Ⅰ类。

4.结语

在高桩码头工程设计中，桩基是不容忽视的部分，选择合适的桩型、控制桩径等相关参数、挑选合适的施工方法等均至关重要。实际工程中，考虑到桩基持力层较浅、岸坡较陡的现场条件，提出2种桩基设计方案，从桩基内力、排架位移等方面对比分析，最终认为PHC管桩+嵌岩钢管桩的组合桩基方案具有可行性。组合桩基施工成型后，实测显示排架水平位移较小，桩基的稳定性得到保证，同时施工期间各项工作有序进行，建设成本得到有效控制。

在设计过程中，大多情况下桩型基本通用，选用PHC桩、钢管桩均可，但是也会遇到很多不同的特殊地质构造，比如岩基起伏较大、中间存在较厚硬质土层、坚硬土层很厚或者桩端持力层强度突变等情况，厘清不同的桩型特点及其适用性，是工程成败的关键。