张 余，原 娟，张俊健
（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220）
由于我国海岸线的地质条件，重力式和高桩结构在我国港口海岸及近海工程中广泛应用，板桩结构尤其是钢板桩结构应用较少，随着我国钢板桩行业的迅速发展，钢板桩的应用前景越来越广阔。其中钢管组合板桩结构较地连墙及单一板桩结构可以更好的适应复杂地质条件、方便施工、对各种水平和竖向荷载的适应能力强、能很好的满足水平抗弯和竖向承载力要求[1]，可以充分利用这些优势推广应用。本文结合工程案例，依据欧洲标准介绍钢管组合板桩在高桩码头接岸结构和防波挡沙堤方面的应用。
高桩码头接岸结构的选取取决于地质条件、地震灾害影响、码头平台宽度、土压力、地基应力和沉降等因素。传统的接岸结构多为抛石斜坡和重力式挡土墙，抛石斜坡接岸根据放坡长度不同，需要一定的码头后方承台宽度，以符合用海要求；
重力式挡土墙接岸结构要求有良好的地质条件以满足地基承载力要求。对于吨级较大码头考虑抛石斜坡和重力式挡土墙结合，以减小挡土墙高度同时减小抛石斜坡放坡长度。接岸结构型式的选取即要考虑造价同时也要考虑用海要求、结构对地质的适应性[2-4]。
板桩结构在公路、铁路边坡加固方面有广泛的应用，通常采用混凝土抗滑桩及混凝土挡土板组合，起到加固抗滑作用[5]。在港口工程中同样会遇到类似接岸问题，对于十万吨级以上的泊位，接岸边坡高度较高，混凝土抗滑桩及挡土板已无法满足需求，需要考虑抗弯能力强，承载能力大的新型结构型式。
钢管组合板桩有其独特的截面和受力机制，板桩承受钢管桩之间土拱范围内土体压力，不需进入很深土体起到边坡挡土作用即可。通过加大钢管桩直径可以适应不同强度要求，且钢材量增加非常有限。
1.1 工程概况
某海港工程项目需要围湾造陆，形成7 000 TEU集装箱码头及后方堆场，泊位长度630 m，码头顶高程5.5 m，码头前沿底高程-16 m。
1）设计水位：设计高水位2.4 m；
设计低水位0.3 m。2）设计波浪及海流：波高1.99 m，流速0.5 m/s。3）码头及堆场设计荷载：60 t STS起重机轨距30.48 m，起重荷载1 139 t；
堆货荷载60 kPa。
4）7 000 TEU集装箱船，码头上对应配置1600H锥形橡胶护舷和2 000 kN系船柱系靠泊设施。
5）地震：重现期475年的地震基岩峰值加速度为0.505g。
6）湾内地质：土层分布不连续，主要是松散～中密土质，包括低液限粉土、粉土质砂，以粉土为主成坡较差，地震时存在液化可能，其下为中密～密实的胶结碎石，胶结较弱易碎；
持力层为风化基岩。
1.2 码头接岸结构方案
因为上层主要是松散低液限粉土，成坡条件较差，这对码头接岸结构的选型有较大影响。如果采用常规的抛石斜坡接岸结构，放坡长度较长，码头要考虑较宽的后方承台与后方堆场衔接；
如果采用重力式挡土墙接岸结构，地基处理不当会出现不均匀沉降，导致墙向前倾倒，向下倾斜；
综合考虑地质和码头使用需求，接岸结构采用钢管桩组合板桩接岸。
模糊数学是研究与处理模糊性事物的一种新的数学模式[2]，浓香型白酒的窖泥质量本身是一些客观存在的模糊概念和模糊现象，应用模糊数学模型可对评价中的模糊性问题进行定量化处理，以反映窖泥质量的不确定性。本研究应用模糊数学模型，从感官和理化指标上对窖泥质量差异进行评价，以数据来客观反映浓香型白酒窖池窖泥质量的好坏。
一方面板桩直立接岸可以减少因为放坡增加的码头结构宽度，另外钢管桩组合板桩通过合理组合，具有较大的水平抗弯和竖向承载力，其中钢管桩可以很好适应本工程地质，钢管桩之间辅桩挡土，有效减少地震滑坡危险，同时码头前方承台可以作为板桩接岸结构的水平支撑，起到板桩结构拉杆及锚定结构作用，节省材料及施工成本[6]。
码头前方承台基础采用Ø1.5 m钢管桩，排架间距8.0 m，轨道基础下排架间增设一根Ø1.5 m钢管桩。码头接岸结构基础采用Ø1.5 m/Z18钢管桩组合板桩。结构平面及断面见图1、图2。
图1 码头结构平面示意
图2 码头结构断面
1.3 结构计算方法及工况组合
利用Algor软件建立二维平面模型对码头及接岸结构进行结构模拟及静力分析[7]。将接岸结构即钢管组合板桩简化模拟成所有水平力由钢管桩承受，结构参数以钢管桩为主，水平力计算时考虑码头高桩平台对接岸结构的锚定作用。钢管桩结构与土体间的相互关系利用地基反力系数法确定的土弹簧来模拟[8]，结构计算模型见图3。
图3 结构计算模型
在分析和设计码头结构时，需根据BS 6349-1-2:2016中STR &GEO荷载分项系数表1和组合系数表3，承载能力极限状态（ULS）和正常使用极限状态（SLS）荷载组合表2进行荷载组合。接岸结构水平力在承载能力极限状态计算时应根据EN 1997-1:2004附录A表A.4按设计路径DA1的两种组合（Combination 1即C1，Combination 2即C2，）选取土体指标（M）的分项系数。土体指标分项系数与STR &GEO分项系数选取应对应。
承载能力极限状态设计（ULS）用于强度设计。荷载的分项系数γG、γQ应按照BS 6349-1-2:2016表2的规定取值，γQ应与组合系数表3中的ψ一起使用。C1组合时永久荷载考虑压桩承载力时分项系数取1.35，考虑拉桩承载力时分项系数取1.0，土体指标中有效内摩擦角、粘聚力和抗剪强度分项系数均取1.4。C2组合时永久荷载分项系数取1.0，土体指标中有效内摩擦角和粘聚力分项系数取1.25，抗剪强度分项系数取1.4。
正常使用极限状态设计（SLS）用于结构正常使用特性设计，对于钢结构需按标准组合（characteristic）进行结构位移分析。只有非主导可变作用考虑组合系数ψ0。
1.4 计算结论
根据模型计算分析，接岸结构钢管组合板桩的内力计算结果见表1。
表1 接岸板桩结构内力计算结果
该结构方案中码头前方承台及钢管组合板桩均能满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的设计要求。接岸结构桩力控制桩长，位移控制结构刚度，若减小刚度会使用结构位移更大使得前方承台不能满足门机设备使用要求。
2.1 工程概况
孟加拉某工程区为改善港区作业条件、减少港池航道回淤，拟布置环抱式防波堤和挡沙堤，分别位于港池、航道南北两侧。北挡沙堤总长度为2 190 m，南防波堤总长度为2 521 m。
1）设计水位（CD）：极端高水位9.51 m；
设计高水位4.91 m；
设计低水位0.43 m。
2）设计波浪：工程海域波浪集中于SW到S向，50年一遇极端高水位设计波高H1%=6.1 m，波周期T=13.1 s，设计高水位设计波高H1%=4.0 m，波周期T=13.1 s。该处属于潮流动力地貌，最大潮流流速可达1.4 m/s，泥沙回淤问题严重。
3）地质条件：地质主要是粉质粘土和砂层，地震峰值加速度Z=0.164g，50年内超越概率10 %的设防烈度，表层松散砂可能会发生液化。
2.2 防波挡沙结构方案
如果采用抛石斜坡堤或半圆型预制混凝土防波堤底部均需要进行地基处理：先开挖后回填中粗砂袋做透水层，再进行塑料排水板水上施工；
考虑地震工况下整体稳定，坡身宽度较宽，而且南、北防波堤长度较长，石料用量较大，工程区域石料缺乏，常规斜坡堤造价较高。
南防波堤建成后可对整个港池和北挡沙堤形成较好的掩护，所以北挡沙堤的使用功能主要是挡沙。综合考虑水文及地质条件，推荐南防波堤采用钢管组合板桩+斜顶桩结构，北挡沙堤堤头100 m同南防波堤，北挡沙堤其余段采用无锚钢管组合板桩结构，可减少石料用量以达到节省工程投资的目的。
图4 防波堤结构断面示意
2.3 结构计算方法及工况组合
利用SAP2000软件建立二维平面模型，钢管桩结构与土体间的相互关系利用地基反力系数法确定的土弹簧来模拟[7]，防波堤计算模型见图5。
图5 防波堤计算模型示意
结构分析采用英国标准BS 6349-1-2:2016进行承载能力极限状态（ULS）的强度分析。
承载能力极限状态（ULS）荷载组合如下：
1）1.35×自重+1.5×波吸力
2）1.35×自重+1.5×波压力
3）1.0×自重+1.0×地震力
2.4 计算结论
南防波堤结构最终选用Ø1 000+Z18-700钢管组合板桩+Ø1 000钢管斜顶桩间距2.4 m，计算壁厚12 mm（不含腐蚀厚度），北挡沙堤选用Ø1 000+Z18-700无锚钢管组合板桩。根据模型计算分析，结构内力计算结果见表2。
表2 板桩结构内力计算结果
南防波堤、北挡沙堤结构满足承载能力极限状态设计要求。结构中桩基打入一定的深度即能满足桩基承载力也能满足“踢脚”稳定要求。
项目所在区域地质条件差、地震震级高，抛石散体结构及重力式挡土墙组合的接岸型式在地震工况下整体稳定不满足使用要求，将后方接岸做成钢管组合板桩主桩钢管桩打入按设计要求打入一定深度，辅桩板桩挡土只需入土1～2 m即可，这样可以解决整体稳定问题；
还可以减小因接岸放坡增加的承台宽度；
结构类型一致均为钢管桩方便施工；
钢管主桩对抵抗较大的地震及船舶水平荷载有绝对优势；
前方承台又起到接岸板桩锚定作用。防波挡沙堤结构案例二常规设计思路即抛石斜坡堤，但项目所在地区石料缺乏造价高、海况条件恶劣波高大周期长、地震表层土液化、防波挡沙堤总长4 711 m，根据工程区实际情况充分发挥钢管组合板桩的结构特性：具有较强的水平抗弯和竖向承载能力，主桩钢管桩可以适应复杂地质条件及波浪力，且方便施工，辅桩可以起阻挡作用。在结构方案设计、施工方案、造价方面钢管组合板桩结构具有很好的应用优势。