一种双排长短密排桩基础的框架海堤结构

一种双排长短密排桩基础的框架海堤结构黄朝煊【摘要】针对目前滨海地区深厚淤泥质地基中沿海大桥与一般土石海堤交叉影响问题, 通过桩型比选 (钻孔灌注桩、大直径薄壁筒桩以及U形预应力板桩)、桩基布置方案比选 (密排、 2倍桩径间隔以及满堂布置) 等深入对比分析, 结合竖向承载力、水平承载力计算对比, 提出了一种新型双排长短密排桩基础的框架肋板结构海堤结构; 并对深厚淤泥地基进行浅层满堂固化加固处理.该新型结构能有效避免一般土石堤沉降对沿海大桥桥墩负摩擦阻力的不利影响, 能有效保证大桥安全, 同时能大量节省交叉段桥梁和交叉段海堤的施工工期.通过完工后的实际沉降等监测数据分析, 认为该新型结构有效地保证了交叉段桥梁的安全.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2018(000)011【总页数】7页(P167-173)【关键词】围垦工程;海堤;桩基;水平承载力;沉降【作者】黄朝煊【作者单位】浙江省水利水电勘测设计院, 浙江杭州310002【正文语种】中文【中图分类】TU473;U656.2伴随着沿海地区经济发展及滨海城市的开发，之前的围垦造地工程已经由原来的高滩向浅海低滩发展，滨海地区多为海相深厚淤泥质地基，由于淤泥土含水率高、孔隙比大、压缩性大以及承载力差等特点，在其上新建的一般土石海堤沉降量大。

而沿海地区高速交通的快速发展，常常出现沿海大桥与一般土石海堤结构交叉情况，如温州市铁路S1线跨堤桥梁段和温州灵昆南堤坝交叉影响，宁海县三山涂围垦工程与甬台温高速三门湾跨海大桥交叉影响等。

一般土石堤沉降较大(总沉降量一般在2～3 m)，而桥梁桩基沉降量较小(一般在厘米数量级)，因此，一般土石堤结构对沿海大桥桥墩存在负摩擦阻力的不利影响。

土石堤结构不仅对桥墩桩基产生负摩擦力，影响竖向沉降，同时产生侧向土压力作用等，进而使得桥墩桩基产生水平向位移，有些甚至导致桥墩发生严重破坏。

魏汝龙[1]对大面积填土对相邻桩基沉降、水平变位影响进行了数值分析；王志亮等[2]通过非线性有限元计算对邓肯-张模型中影响软基路堤沉降参数进行敏感分析。

彭良泉等[3]对堤防既有桥桩的影响也进行了三维有限元模拟分析；闫澍旺等[4]采用大型非线性有限元软件ABAQUS对不同堆载高度下桥梁桥墩沉降和水平变位进行了分析。

黄朝煊等[5-7]对土石海堤塑料排水板处理地基固结理论进行了深入研究，并给出地基总固结度解析计算式。

基于一般土石堤沉降对沿海大桥桥墩存在负摩擦阻力的不利影响，本文创新性地提出了一种适用于深厚淤泥地基上的双排长短密排桩基础的框架肋板结构海堤结构，该新型海堤结构能有效解决一般土石海堤沉降对大桥桥墩负摩擦阻力的不利影响，能大量节省交叉段桥梁和交叉段海堤的施工工期。

1 工程概况浙江省某围垦工程围涂规模为2.6万亩(17.33 km2)，工程等级为Ⅳ等工程。

其中的主要建筑物海堤长15.9 km，为4级，防潮标准为20 a一遇，其堤基影响深度范围内土体主要为II层淤泥、淤泥质黏土，是天然地基建筑物的主要压缩层及堤坝边坡稳定的控制土层，其厚度大、压缩性高，对工程有较大影响[8]。

某大桥及接线工程在工程区县内的路线长度为19.858 km。

两大工程平面存在局部交叉，如图1所示，大桥沿新型海堤结构跨中上方正交穿过，且两个项目工期较为接近，其施工和后期运营均存在一定的干扰。

图1 框架堤与土石堤衔接布置为了控制海堤对某大桥的影响，其东III堤6+402～6+702 m、西I堤8+967.5～9+267.5 m为桥梁交叉段，采用桩基础混凝土框架结构，其余堤段采用土石堤身结构。

基于大型有限元软件(图2)，相关专题研究[9]分别对两种施工顺序进行计算对比分析，即：方案1，先建桥后筑堤方案，先建大桥，待大桥完工后再建交叉段250 m长框架堤及其余两侧土石堤方案；方案2，先筑堤后建桥方案，先建交叉段250 m长框架堤及其余两侧土石堤，待完工后再建大桥方案。

有限元分析的主要结论如下：1)通过对两种施工顺序方案进行计算对比分析，认为方案1先建桥后筑堤与方案2先筑堤后建桥相比，两种方案中桥墩桩的应力变化不大，但方案1桥墩顺桥向的位移近20 cm，不满足要求，因此本工程实际实施顺序推荐方案2。

2)当交叉段海堤采用桩基海堤时，随着框架海堤长度的增加，其余两侧土石堤与桥墩之间距离也增加，其沉降对交叉段桥墩及交叉段框架海堤桩基的负摩阻力不利影响也将逐渐衰减，对桥墩、桥桩的最终沉降和顺桥向位移的影响也将逐渐减少，通过选取不同交叉段长度(即分别选取2×100 m、2×125 m、2×150 m以及2×200 m)方案计算对比分析，综合考虑投资优化及安全合理性情况下，最终确定沿大桥中心线两侧各布置框架新型海堤结构125 m，并设置衔接段框架堤25 m，即交叉段框架海堤总长300 m。

图2 东III堤衔接段三维有限元网格2 框架肋板结构海堤结构设计交叉段框架海堤基础采用桩基础结构，需考虑以下原则：1)桩基础需满足竖向承载力要求，竖向荷载有上部框架结构自重、施工荷载及堤顶车辆荷载等。

2)桩基础需满足水平承载力及水平变位要求，水平荷载主要为波压力、波浪力；其计算方法参考JTS 154-1—2011《防波堤设计与施工规范》[10]。

3)满足三门湾大桥桥墩沉降和位移要求。

4)施工方便可行。

5)投资经济合理。

2.1 桩型比选桩型主要有钻孔灌注桩、大直径薄壁筒桩和U型板桩。

1)桩型方案1：钻孔灌注桩。

钻孔灌注桩是一种常用桩型，在软基水闸等沿海软土地基工程中得到广泛应用，施工工艺成熟。

缺点是费工费时，成孔速度慢，泥渣污染环境。

2)桩型方案2：大直径薄壁筒桩。

随着桩基技术的发展，一些新的地基处理方法也日趋成熟，大直径现浇混凝土薄壁筒桩(PCC 薄壁筒桩)技术就是其中一种，并且已有在海堤及港口工程应用成功的实例，桩径一般可达1 000～1 500 mm，壁厚120～300 mm，属于弱挤土刚性桩。

薄壁筒桩具有质量稳定、施工速度快、无需二次回填、少量挤土、竖向承载力大及水平承载力大等特点，见图3a)。

3)桩型方案3：U型预应力板桩。

U型预应力混凝土板桩因其独特的U型结构截面设计，提高了结构的截面惯性矩，是一种抗弯、抗剪性能优良的预制混凝土围护桩型，属于挤土桩。

可采用静压法、振动成型法、钻孔植桩等施工工法，其结构型号上按照截面高度h的区别主要分为300～1 200 mm等多种型号。

见图3b)。

图3 桩型比选比较可知，U型板桩海上施工难度大，大直径薄壁筒桩施工工艺不如钻孔灌注桩成熟，通过综合比选，最终推荐钻孔灌注桩。

2.2 桩基布置比选对桩径(1.0、1.2、1.5 m)、桩间距(密排、2倍桩径、3倍桩径)以及桩布置排数(两排、满堂布置)进行对比分析，选择其中较优方案。

方案见图4。

图4 桩基布置比选 (单位：cm)2.2.1 方案1：密排长短桩结合方案该方案沿堤顶宽度两侧布设C30混凝土灌注桩2排，排轴线距7.2 m，桩径1.0 m。

两侧灌注桩为密排桩布置，桩间中心间距1.2 m；采用长短桩结合布置，长桩主要承受竖向荷载及水平荷载，短桩主要承受水平荷载。

东III堤涂面相对较低，其混凝土灌注桩长为32 m，桩顶高程为0.5 m；桩身均打穿淤泥层，深入黏土层，桩顶以上结构均采用前后排现浇连续板墙，内侧板墙厚0.6 m，外侧板墙厚0.8 m，板间采用C30钢筋混凝土肋板连接，以增强上部结构整体刚度，整个断面呈“∏”字形。

框架内采用闭气土方回填，并采用固化剂处理，堤内、外坡均设5 m宽的护堤块石抛石层护脚，抛石平台以1:2边坡与涂面连接，外海侧抛石层设0.4 m厚灌砌块石防冲护面。

2.2.2 方案2：间隔2倍桩径间距布置方案该方案沿堤顶宽度两侧布设C30混凝土灌注桩2排，排轴线距7.2 m，桩径1.5 m。

两侧灌注桩中心间距为2倍桩径布置。

东III堤涂面相对较低，其混凝土灌注桩长为32 m；桩身打穿淤泥层，深入黏土层；其余上部结构同方案1。

2.2.3 方案3：满堂3倍桩径间距布置方案该方案桩布置类似水闸底板桩基础形式，采用满堂布置，灌注桩中心间距为3倍桩径，桩间距增大后虽然每联的桩数减少，但是桩侧土的侧向摩擦阻力、水平抗力等更能充分发挥。

灌注桩直径为1.2 m，底板厚1.4 m。

东III堤涂面相对较低，其混凝土灌注桩长为32 m；桩身打穿淤泥层，深入黏土层。

C30灌注桩顶高程为2.0 m，桩顶以上结构均采用前后排现浇连续板墙，板墙厚0.5 m，板间采用现浇板连接，以增强上部结构整体刚度；其余结构同方案1。

对比分析3种方案，其投资相差不大，方案1稍贵，但方案1防渗处理更方便可靠且施工方便，因此本阶段推荐方案1密排桩布置方案。

2.3 框架肋板结构海堤交叉段试验堤采用钢筋混凝土框架结构，防浪墙顶高程7.1 m，墙高0.8 m，堤顶高程为6.3 m。

堤顶总宽10.0 m，采用9 cm厚沥青混凝土路面，下部为10 cm 厚C10混凝土稳定层及30 cm厚石渣垫层。

石渣垫层以下为防渗闭气土。

堤身围区侧C30钢筋混凝土墙厚60 cm，外海侧C30钢筋混凝土墙厚80 cm，东Ⅲ堤交叉段试验堤抛石消浪平台高程1.0 m、宽5 m，西Ⅰ堤交叉段试验堤抛石消浪平台高程2.4 m，抛石平台均以1:2的斜坡顺接至涂面，两侧抛石保护，外侧抛石设40 cm厚C25混凝土灌砌块石护面。

为满足防渗需要，中间采用闭气土回填(掺固化剂，其中掺量为5%)。

先进行搅拌桩处理，搅拌桩直径为60 cm，桩间中心间距50 cm，梅花形布置，深10 m，在密排灌注桩成孔区的水泥土强度接近50%的设计强度时，再进行钻孔灌注桩施工，钻孔灌注桩直径100 cm，桩间中心间距120 cm，桩端深入黏土持力层。

见图5。

图5 交叉段框架海堤典型断面结构(单位：m)3 结构稳定计算3.1 基桩竖向承载力计算根据JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》[11]进行交叉段桩基布置，基础布置C30钢筋混凝土钻孔灌注桩，桩径1.0 m。

设计取用的地质参数见表1。

表1 桩基计算参数层号名称极限侧摩阻力标准值Qsk∕kPa极限端阻力标准值Qpk∕kPaⅡ0淤泥9Ⅱ1淤泥10Ⅱ2淤泥质黏土12Ⅲ粉质黏土夹粉砂26Ⅴ1黏土40800Ⅴ2黏土35Ⅵ1中砂501 800Ⅵ2含黏性土圆砾 752 500桩基竖向承载力计算应符合下列要求：Nk≤R(1)偏心竖向力作用下，除满足上式外，尚应满足下式的要求：Nkmax≤1.2R(2)式中：Nk为荷载效应标准组合轴心竖向力作用下，基桩或复合基桩的平均竖向力；Nkmax为荷载效应标准组合偏心竖向力作用下基顶最大竖向力；R为基桩或复合基桩竖向承载力特征值。

基桩或复合基桩竖向承载力特征值R为：(3)式中：Quk为单桩竖向极限承载力标准值；Qsk为单桩总极限侧阻力；Qpk为单桩总极限端阻力标准值；u为桩身有效计算周长，当钻孔灌注桩桩间中心距离≥3d(桩径)时，u=πd，d为钻孔灌注桩桩直径；当灌注桩采用密排布置时，u为2倍桩间中心间距；当桩间距离介于3d(桩径)和密排布置之间时，u取值采用直线内插法选取；qski为桩侧第i层土的极限侧阻力标准值；n为土层质量；li为桩穿越第i层土的厚度；qpk为极限端阻力标准值；Ap为桩端面积；对于大直径钻孔灌注桩(d> 0.8 m)，需考虑其尺寸效应影响，黏性土、粉土地基中的侧摩擦阻力尺寸效应系数ψs=(0.8d)0.2，端阻力尺寸效应系数ψp=(0.8D)0.25；K 为安全系数，按规范取2.0。