基于椅凳理论的非嵌岩式高桩码头结构及施工方法与流程

本发明涉及高桩码头领域。更具体地说，本发明涉及一种基于椅凳理论的非嵌岩式高桩码头结构及施工方法。

背景技术：

1、高桩码头是水运工程中应用最广泛的结构形式之一，其桩基作为核心受力构件，承担上部结构传递的竖向荷载、船舶撞击力、系缆力以及波浪和水流产生的水平力。在沿海、沿江及内河港口建设中，常遇到基岩埋深浅、覆盖土层薄的坚硬岩质地基工况。该类地质条件下，行业内长期以来形成了较为固化的技术思维定式，即认为高桩码头的桩基必须嵌入基岩内部，依靠桩端嵌固作用才能满足受力和稳定要求。基于这一认知，嵌岩桩技术成为该类工况下的通用解决方案。其典型施工流程为：采用旋挖钻等专用设备在设计桩位处钻孔，穿透覆盖层后继续钻进坚硬基岩至设计嵌岩深度，经清孔、护壁后，将钢管桩置入孔内，最后在桩底基岩段灌注混凝土形成嵌岩锚固段，依靠桩身与嵌岩段之间的锚固约束传递竖向荷载、抵抗水平力。

2、然而，在大量不具备抗震设防要求或抗震等级较低的地区，码头结构设计的主要控制因素并非极端动力荷载，而是竖向承载和常规使用条件下的整体稳定性。在此类场景中，嵌岩桩技术为追求桩端嵌固约束而产生的较大成本代价与其实际贡献并不匹配。嵌岩施工需投入大功率钻机、耐磨钻具等专用重型设备，并消耗大量混凝土及泥浆材料，人工、设备租赁和材料损耗费用居高不下，单桩综合造价较高。其次，坚硬岩体的钻进速度缓慢，单根桩的嵌岩施工周期通常是普通打入桩的三至五倍，且钻进过程中易发生卡钻、偏孔等事故，频繁导致返工和整改，拖延项目整体建设进度。最后，基岩下部条件勘察困难，存在设计风险与经济风险。受勘察手段和成本限制，设计阶段难以充分探明各桩位处基岩表面以下的地质条件，一旦施工揭露的实际地质条件与设计假设不符，出现桩底沉渣超标、嵌岩深度不足、嵌岩接触面脱空等情况，轻则需对该桩位采取灌浆补强、扩底增径等增强措施，重则需调整桩位乃至修改上部结构设计，导致工期延误和投资失控。

3、综上，在非抗震设防地区的坚硬地基工况下，现有嵌岩桩技术存在一系列的行业痛点，对于高桩码头桩基可以探索一种新式的受力机制，以结构自重和桩端接触面摩擦力替代桩岩嵌固作用，从而在保障安全的前提下大幅降低工程造价、缩短施工周期、规避因基岩条件不确定带来的设计变更风险。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于椅凳理论的非嵌岩式高桩码头结构及施工方法，以椅凳理论突破桩基必须嵌岩的技术定式，无需嵌岩施工，大幅降低造价、缩短工期，规避基岩不确定性带来的设计变更风险。

2、为了实现根据本发明的这些目的和其他优点，第一方面，本发明提供了一种基于椅凳理论的非嵌岩式高桩码头结构，包括上部结构和桩群结构；所述桩群结构包括若干竖向设置的非嵌岩桩，所述非嵌岩桩的桩顶与所述上部结构刚接，所述上部结构与全部非嵌岩桩形成整体受力结构；所有非嵌岩桩呈矩阵式布置，形成沿岸线纵向和横向分别排列的多排桩列；所述非嵌岩桩支承于基岩上，且桩底未形成伸入基岩内部并与基岩产生嵌固作用的构造；所述非嵌岩桩的桩底设有混凝土找平增阻层，所述混凝土找平增阻层填充桩底与基岩表面之间的空隙，混凝土找平增阻层底面与基岩表面贴合；所述非嵌岩桩的桩底及所述混凝土找平增阻层的底面，与基岩表面之间形成面接触传力界面。

3、优选的是，所述非嵌岩桩为钢管桩，所述钢管桩内部设有填充段，所述填充段包括底部混凝土段和顶部钢筋混凝土段；所述底部混凝土段自所述钢管桩内部延伸填充至钢管桩与基岩表面之间的空隙，构成所述混凝土找平增阻层；所述顶部钢筋混凝土段与所述上部结构浇筑成一体，形成刚性连接；所述底部混凝土段的高度和所述顶部钢筋混凝土段的高度各自不小于3倍钢管桩外径。

4、优选的是，所述填充段还包括填充于所述底部混凝土段与所述顶部钢筋混凝土段之间的中部填砂段。

5、优选的是，所述钢管桩的桩底外壁沿周向固定设置有环形加强钢板，所述环形加强钢板沿钢管桩轴向的高度不小于1倍钢管桩外径。

6、优选的是，所述钢管桩的桩底内壁沿周向间隔设置有若干剪力键，所述剪力键沿径向向内伸入所述底部混凝土段内。

7、第二方面，本发明提供了一种基于椅凳理论的非嵌岩式高桩码头结构的施工方法，应用于上述结构，包括以下步骤：

8、s1、确定各非嵌岩桩的桩位及尺寸并进行结构设计计算，结构设计计算包括：结构整体抗滑稳定验算、结构整体抗倾稳定验算、结构整体位移验算、单桩受力验算、上部结构验算以及桩身屈曲稳定验算；

9、s2、按确定的桩位进行测量定位，将各非嵌岩桩垂直沉桩，通过桩底高程与贯入度双控确定停锤标准，沉桩过程中实时监测桩身垂直度；

10、s3、沉桩到位后，清除桩底与基岩表面之间的岩屑、沉渣及松散土体，检查桩底接触面的平整度与沉渣厚度，确保桩底与基岩表面之间无浮渣、无松散土体；

11、s4、在桩底浇筑混凝土，使混凝土填充桩底与基岩表面之间的空隙并与基岩表面紧密贴合，形成所述混凝土找平增阻层；

12、s5、桩基验收合格后，在桩群结构上施工上部结构，整体浇筑横梁、纵梁及面板，使各非嵌岩桩的桩顶与上部结构刚性连接，形成整体受力结构。

13、优选的是，所述结构整体抗滑稳定验算，以上部结构和桩群结构所组成的码头整体结构为对象，以桩岩界面摩擦力和桩周土水平抗力之和为抗滑力，计算公式为：

14、；

15、其中，

γ

0为结构重要性系数，

f

total为最不利组合水平滑动荷载，根据包含系缆力、船舶撞击力、波浪力和水流力的各工况作用组合，取其中最不利者确定；

16、

γ

g为自重力分项系数，

γ

d为结构调整系数，

g

1、

g

2、

g

3分别为上部结构自重、桩群结构自重、码头恒载标准值，

f为桩底与基岩表面之间的摩擦系数，取值0.55~0.6，

γ

e为土压力分项系数，

e

h为桩周上覆土层水平土抗力标准值。

17、优选的是，所述结构整体抗倾稳定验算根据最不利组合水平荷载的作用方向，取桩群结构中受荷侧最外排非嵌岩桩的桩底与基岩表面接触点为倾覆转动点，计算公式为：

18、；

19、其中，

m

total为最不利组合水平滑动荷载基于倾覆转动点的倾覆力矩设计值，

m

g1、

m

g2、

m

g3分别为上部结构自重、桩群结构自重、码头恒载标准值基于倾覆转动点的抗倾覆力矩，

m

e为桩周上覆土层水平土抗力标准值基于倾覆转动点的抗倾覆力矩。

20、优选的是，所述单桩受力验算和结构整体位移验算采用空间有限元模型进行分析：

21、所述空间有限元模型中，上部结构的横梁和纵梁采用梁单元模拟，面板采用板单元，各非嵌岩桩采用梁单元，上部结构的梁单元与非嵌岩桩的桩顶节点刚接，非嵌岩桩的桩侧设置土弹簧单元模拟桩土相互作用，桩底边界条件为水平向设置摩擦单元模拟桩底与基岩表面之间的摩擦约束，桩底设置铰支承，转动自由度释放；

22、由所述空间有限元模型计算并验算：

23、正常使用工况下上部结构表面最大水平位移

δh满足

δh≤h/300且

δh≤100mm，

h为上部结构表面至非嵌岩桩桩底的高度；

24、最不利组合水平荷载下各非嵌岩桩桩底最大水平剪力

v

max及对应桩底轴力

n满足

v

max

≤n·

f；

25、桩底轴力

n满足0＜

n≤ψ

r·

f

rk·

a

p，其中

ψ

r为折减系数、

f

rk为基岩的岩石单轴饱和抗压强度标准值、

a

p为桩底有效接触面积。

26、优选的是，当所述非嵌岩桩为钢管桩时，桩身屈曲稳定验算包括桩身整体稳定验算和钢管壁局部屈曲验算；

27、桩身整体稳定验算公式为：

28、；

29、其中，

m为桩段最大弯矩，

φ为轴心受压稳定系数，

a为桩身截面面积，

f

d为对应段抗压强度设计值，

β

m为等效弯矩系数，

γ

x为截面塑性发展系数，

w

x为毛截面模量；

30、钢管壁局部屈曲验算公式为：

31、；

32、其中，

σ

x为钢管壁最大轴向压应力，

α为缺陷折减系数，

e为钢材弹性模量，

t为钢管桩壁厚，

r为钢管桩半径，

ν为钢材泊松比。

33、本发明至少包括以下有益效果：

34、本发明突破传统高桩码头桩基必须嵌岩的技术定式，基于椅凳理论构建了非嵌岩式桩基受力体系，非嵌岩桩底端直接抵接于基岩表面，通过混凝土找平增阻层与基岩形成面接触传力界面，以上部结构及桩群自重提供抗滑正压力，以桩岩界面摩擦力抵抗水平荷载，以矩阵式多排桩布置形成空间整体受力结构，彻底摆脱了对桩端嵌固约束的依赖，在非抗震设防或低抗震等级地区可完全替代嵌岩桩。

35、本发明施工工艺简化，工程造价和工期降低，无需进行基岩钻孔、清孔、嵌岩灌注等复杂工序，单桩施工周期大幅缩短，综合造价低于传统嵌岩桩。

36、本发明建立了包含整体抗滑稳定验算、整体抗倾稳定验算、整体位移、上部结构验算、单桩受力验算以及屈曲稳定验算的成套设计计算体系，设计参数明确、验算路径清晰，不依赖基岩表面以下深部地质条件的精确勘察数据，从设计源头规避了因基岩内部条件不确定带来的施工期设计变更风险。

37、本发明的其他优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。