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土工织物散体桩应用于码头基础的理论技术
摘 要：在目前码头结构型式的基础上提出了利用土工织物散体桩进行深厚软基处理的技术,扩大了重力式码头的应用范围,使其能在深层软土地基中得以使用,在满足地基承载力及稳定性的前提下达到经济、环保、高效的目的.深厚软土之上的土工织物散体桩与浅层软土构成的复合地基类似于“硬壳层”地基的工程特性,形成较大的地基承载力.对土工织物散体桩处理的码头软基破坏机理进行了较为系统的分析,并通过与刚性桩的对比分析了优缺点.
关键词：土工织物散体桩 码头 硬壳层 软基处理 机理
1.前言
港口作为国家或地区对外交流的平台,是区域经济参与国际分工、合作与竞争的重要依托.自建国以来,我国码头结构主要集中在重力式码头、高桩式码头和板桩式码头三种结构形式,重力式码头适用于土质较好的地基,其能承受较大的地面荷载和船舶荷载,故而耐久性好、工艺变化适应性较强,是目前我国分布较广、使用较多的一种码头结构型式；高桩式码头是软土地基上广泛采用的码头结构型式,主要利用深层地基承载力以及桩身与土体间的侧摩阻力作为承载方式,但桩基为柔性结构,易发生侧向位移、变形、开裂等；板桩式码头除了过于坚硬或软弱的地基外,一般均可采用,但由于板桩属于薄壁结构,故而抗弯能力有限,其承载力和稳定性受水深变化的影响较大,多用于中小型码头的建设.重力式码头为我国常见的码头形式,对地基承载力有较高的要求,按照一般的基床处理方式造价较高,这也一定程度上限制了其发展,在软土深厚地区较少使用.采用土工织物散体桩处理码头软土地基的方法,无需打入深层岩石地基、也无需全部换填,即可处理一定深度范围内的软土地基,在其承载力达到建设要求的前提下通过置换、挤密、排水固结来改善码头地基各项物理力学性能指标,具有良好的推广应用前景.
2.土工织物散体桩应用于码头的可行性分析
2.1项目提出背景
目前,港口工程重力式码头或扶壁式码头基础的设计处理方法是对码头基础进行基槽挖泥,然后在基槽内换填块（碎）石,经过夯击密实后,将预制好的沉箱或方块等安放在基床顶上,以达到减少基础沉降和保证基础稳定的要求.但因码头工程水下软基往往较厚,其基础挖换填的工程量往往巨大,因而施工进度慢、工程造价高,且挖除后的淤泥倾抛后往往易随海潮和风浪再次涌入港池造成二次回淤现象.而且重力式码头一般要求软土层下地基地质较好,才能达到地基承载力要求,因此一般在深厚软土地区很难采用,即使采用,也需大范围换填,或是采取密集灌注桩基础的形式,花费人力物力巨大.而采用土工织物散体桩对深层软土进行浅层处理,形成具有抵抗一般外部荷载的“硬壳层”,在“硬壳层”上安置预制的沉箱或方块等形成重力式码头,改变一般深层软土只能建造高桩式码头的限制,在节约工程造价和缩短建设工期上起了一定的作用.
2.2土工织物散体桩处理软土的机理和优点
土工织物散体桩是一种新型的地基处理方法,其主要原理是采用碎石或砂砾等散体材料外套土工织物格栅形成基桩,该桩处理软土地基,从机理上说同时具备了对软土的置换、挤密加固、排水固结的功能,相较于传统的碎石桩等又有桩基承载力较大的优势,其施工速度快、复合地基加固效果好、工程造价低.
土工织物散体桩适用于粉土、砂土、粘土、填土、淤泥质土、腐质土、杂填土等各种复杂地质条件下的软土地基,利用土工织物散体桩处理软基,可不破坏地下水性环境,环保效果好,在含有酸、碱、盐的地下水侵蚀下具有不怕腐蚀的特点,对地下水位变动大和有潮汐影响的的地质条件有较强的适应性.
2.3土工织物散体桩应用于码头的结构形式
土工织物散体桩在公路工程上已有不少成功案例,而在码头基础的使用上实例还较少,有各方面的原因,一是水上施工有不小难度,二是作为半刚性桩的机理还不够成熟.
水上施工可采用驳船配备散体桩施工设备的方式,根据码头前沿水深条件,以及土质条件和码头结构型式,计算采用合理的桩长、桩径和桩间距,采用正方形或三角形布桩形式,在明基床上采用土工格室充填土石或混凝土填料,可在一定程度上形成具有较强的侧向限制和大刚度的结构体,抵挡来自码头一侧水位变化及潮汐冲蚀的影响,对暗基床则可采用多层土工格栅充填砂石并夯压密实构成基础褥垫层进一步提高地基承载力.
3.土工织物散体桩破坏机理分析
3.1稳定压实阶段
这一阶段认为为排水固结阶段,土工织物散体桩处理码头软基,在一定程度上形成竖向排水通道,陈建峰等的研究表明,土工织物散体桩土应力比比一般碎石桩大三倍左右,呈现半刚性桩的特点,由太沙基一维固结理论,碎石桩竖向排水通道的存在,很大程度上会加大软土在荷载下的次固结变形,地基的次固结沉降通常用下式计算：
式中C a为次固结沉降系数,由e—lg t曲线上求得；t p为主固结完成时间；t 为计算时间；L 和e 0 是软土层的厚度和初始孔隙比.在地基中打入土工织物散体桩,主固结将很快完成,t p 值很小,由式（1）算出的地基次固结沉降就会增大,再来看固结速率,由式（1）可得出：
因碎石桩地基很快进入次固结阶段,t值很小,所以地基沉降速率也会增大,Mesri等人指出,当tp较小时,Ca不是一个常数,在软土地基中打入土工织物散体桩后Ca的变化及与Cc的关系,是一个尚待研究的问题,实际工程中经土工织物散体桩处理的复合地基沉降与孔压消散在加载初期同时迅速发生,复合地基沉降在初期即已包含了不小的次固结沉降.因此,经处理的复合地基固结将在很短的时间内完成,桩与土挤密压实在软土地基上形成类似于“硬壳层”的具有较高稳定性及承载力的复合地基型式.
3.2弹塑性发展阶段
位于地表的具有较高强度和相当大厚度的硬壳层,与下方的软土形成较为鲜明的强度差和刚度差,这种由复合土层构成的低刚度水平和很大厚度的结构,在上部荷载作用下呈现一种特殊的承载方式,一种柔性的却又类似板体性的承载方式,使地基的应力分布和承载变形规律产生一系列特有的性质.事实上,由土工织物散体桩构成的复合地基,不仅在于保护下方软土不受扰动,对荷载起扩散作用,最重要的是它改变了地基的应力分布,使荷载集中于地基上部和“硬壳层”内,桩下方软土由于“硬壳层”的板体作用而承受更小的压力,地基的承载能力由此改善,稳定性也大为提高.
随着土工织物散体桩上部褥垫层及预制混凝土厚度的增加,地基的弹性平衡状态将被打破,变形的增大将削弱硬壳层的板体性作用,荷载扩散面减小,软土上的应力大幅度增加,桩的塑性变形迅速发展.尽管如此,此时的“硬壳层”内仍然具有很强的应力集中,经处理过后的复合地基依然承受着大部分荷载,地基仍然处于稳定状态,这时可叫做复合地基的弹塑性发展阶段.
3.3极限承载阶段
码头上土工织物散体桩处理深度与基床高度的关系尚待研究,但可以确定的是,随着复合地基上部荷载的增大,其弹塑性承载阶段将被打破,此后可分为三种情况：（1）“硬壳层”板体并未受到破坏,地基变形很大,荷载由在“硬壳层”中集中到“硬壳层”与软土自然承担,软土上的应力大为增长,地基很快趋于破坏；（2）“硬壳层”内桩体变形量增大,在桩身下方一定区域内有鼓胀变形趋势,荷载来不及传入下方软土,“硬壳层”本身趋于破坏；（3）即桩身鼓胀破坏并伴随复合地基整体沉降失稳.
4 . 土工织物散体桩与刚性桩（灌注桩）的比较
以大连普湾新区某码头工程为例,在基础设计阶段选型时选用了土工织物散体桩基础和灌注桩基础作为对比方案.
工程地质为水下岸坡,大部分地段回填形成陆域,海底标高-1.39～1.99m,最大高差3.38m.根据钻探揭露,场地地层自上而下为全新统抛石、全新统海积淤泥、粉质粘土、更新统海、陆积粘土及震旦系南关岭组石灰岩.其中抛石层厚1~2m,淤泥层厚14~20m,其下粉质粘土、粉土层厚约25m,再下层为强风化、中风化石灰岩.
（ 1 ）土工织物散体桩方案：采用衡重式块石砼胸墙.顶标高为+4.1m,上设0.6m高现浇砼压顶,胸墙底部设有底板.为满足地基承载力要求,需在底板底部设置土工织物散体桩,桩径0.8m,正方形布置,中心间距1.5m,深度至-20m.然后将上层块石层及部分已处理淤泥层挖除,开挖边坡为1:2,然后基床回填,至顶标高-5.0m,胸墙后回填10～100kg块石棱体,棱体外设二片石和混合倒滤层.见图（a）.
（ 2 ）灌注桩方案：基础采用φ1200mm嵌岩灌注桩,桩间距4m,其余结构相同.见图（b）.
4.1土工织物散体桩复合地基计算
（1）承载力计算
土工织物散体桩单桩承载力采用以下公式计算：
最终沉降量计算为182mm,沉降量小于设计要求.
4.2与刚性桩（灌注桩）方案的对比,见表1.
、5.结语
以上所研究的内容对现有的码头结构型式的应用提供了一个全新的思路,由土工织物散体桩处理泥面下软土,达到深厚软基浅层处理的目的,使重力式码头或扶壁式码头结构型式可在深厚软基中得到应用,在满足地基承载力的情况下具有环保、经济、高效的特点.土工织物散体桩与桩间土构成类似于“硬壳层”软土地基的工程特性,但与“硬壳层”软土地基并不完全一致,深层软土之上的土工织物散体桩式复合地基具有更大的承载能力及更广的适应性.
基础论文范文结:
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