预应力混凝土大直径管桩在北方港口工程中的应用实践

预应力混凝土大直径管桩

在北方港口工程中的应用实践

刘   锐

（东营港建设管理办公室 ，山东 东营 257091）

摘  要：  预应力大直径混凝土管桩八十年代研制成功后，在我国南方各大港口得到了推广应用，但在我国北方港口中还没有使用的先例。东营港扩建工程在北方港口首次大批量使用并获得成功。本文就预应力混凝土大管桩在东营港工程的应用实践进行了分析研究。                                                                                                                                   

关键词： 大管桩   北方港口    应用

  Practice of Prestressed Concrete Major Diameter Pipe

in North Harbour Engineering

LIU RUI

(Dongying port construction and management office,Dongying 257091)

Abstract: After the prestressed concrete major diameter pipe has been successfully developed in 1980’s. It was widely applied in south harbour engineering of China. Hower,it has never been applied in north harbour engineering. Now,for the first time,it is used in Dongying harbour extension engineering and the result proves to be successful. The paper offers the study of prestressed concrete major diameter pipe in Dongying harbour engineering.

Key words: major diameter pipe; north harbour; apply

    东营港扩建工程包括半开敞式30000DWT多用途泊位二个。码头为高桩板梁结构，基桩采用B₁型Φ1200×145后张预应力混凝土大直径管桩，少量Φ1200钢管桩，材质Q345、壁厚20mm。引桥全长7020m，宽20m，桥面系为50m跨预应力T型梁体系，基础为高桩承台桥墩，基桩全部采用B₁型Φ1200×145后张预应力混凝土大直径管桩。引桥和码头设计共用大管（组合）桩2771根。

一、东营港地理位置

    东营港位于渤海湾湾底西南处，黄河入海口以北大约50km的渤海湾和莱州湾交界处，地理坐标38^°05^¢39.9^²N，118^°57^¢27.6^²E。北距天津港80海里，东距龙口港约72海里，隔渤海与大连港相距122海里，出渤海海峡可与国内外各港相通，水上交通运输十分方便，优越的地理位置使东营港具有对内、对外双向辐射的区位优势。

 二、气象条件                                                                    

东营港地处北温带半湿润大陆性季风气侯区，冬季寒冷，夏季炎热，历年极端最高、低、平均气温分别为39.6℃、-18.0℃、11.7℃，年均降水量549mm。灾害性天气主要有寒潮、台风和气旋。年均相对湿度67%。潮汐为典型的正轨日潮类型，最大、平均潮差2.42m、0.76m，海浪主要为渤海海面的风成浪，最***高5.8m，一般年份冰厚5～45cm，最大60cm，固定冰堆积高度最大为5m。该地区地震烈度为7度。

三、地质状况                                          

    东营港港区地基土层为第四系黄河中积层、滨海或海陆交互层，分布较稳定，上部土层松软，为中等高压缩土层，下部较好，可作桩基持力层。地质情况为：

以QD39墩地质情况为例：孔口高程-8.35m，土层自上而下可分为：

（1）泥质粉质粘土：层底标高-9.95m，层厚1.6m、N=1击；

     （2）泥质粉质粘土：层底标高-17.35m，层厚7.4m、N=1～6击；

     （3）粉质粘土：层底标高-20.25m，层厚2.9m、N=4～7击；

    （4）粉土：层底标高-22.55m，层厚2.3m、N=14～25击；

     （5）粉质粘土：层底标高-24.85m，层厚2.3m、N=13～17击；

    （6）粘土：层底标高-32.25m，层厚7.4m、N=16～30击；

    （7）粉细砂：层底标高-37.55m，层厚5.3m、N=42～50击；   

    （8）粉质粘土：层底标高-48.35m，层厚10.8m、N=29～50击。

 四．试桩分布、试验情况

    1、 由于东营港地区尚无静载试桩资料，为确定桩长必须进行试桩。设计单位选定了三处有代表性的桩位，引桥两处：QD39、QD103，码头一处MA01位置。打桩设备为中交一航局打桩18^#：架高93.5m，锤型D125柴油锤，桩垫为棕绳和竹胶板共16cm厚。试桩长42～54m（不含桩靴），根据《港口工程桩基规范》（JTJ254-98）规定，进行静载和动载试验对比，并对试桩进行高、低应变动力检测。

2、大管桩沉桩及动、静载试验结果

    QD39墩试桩，锚桩4根，试桩1根，观测桩2根。锚桩中心距2.8m。试桩桩长52m，钢管桩长度1m，压锤后桩尖自沉至泥面下21m，二档开锤，二档击打，入粉细砂层最小贯入度2.4mm/击～1.16mm/击，穿过粉细砂层后贯入度逐渐变大，虽然桩尖到达了设计高程，但贯入度不满足设计提出的停锤标准，因此前两根桩39-2、39-3多打了2m。5根桩入土深度均超过30m，锤击数2685～3616击，其中39-2、39-3、39-4、桩顶均超出设计标高2.5～9.4m，动测结果显示：桩锤最大传递能量为155.5KN·m桩身完整性100%；复打承载力大于11345KN，静载承载力大于11250KN，满足设计设计7000KN的1.5倍的要求。

另一组试桩桩长仍为52m，原设计桩尖标高-45.45m。动测结果显示：桩锤最大传递能量为137.3KN·m，桩身完整性100%，复打承载力大于11822KN，静载承载力12375KN，满足设计值7500KN的1.5倍的要求。

    3、通过试桩：（1）.确定大管桩单桩轴向抗压极限承载力，合理确定桩长；（2）.分析土层的阻力分布，打桩时的桩身应力及瞬时沉降特性，确定打桩控制标准；（3）.静载试验结果与高应变动力检测结果对比，验证动力检测参数的合理性，为施工阶段高应变检测提供依据。

    4、沉桩控制标准：通过试桩并靠虑桩的安全，结合试桩报告，制定了停锤标准。（1）.采用锤击沉桩，用125柴油锤、二档（能量300kj）击打。停锤按设计高程和最后一阵10击平均贯入度控制，以高程控制为主，且控制总锤击数在1000～1500击之间。（2）.桩端土层为密实粉细砂（地质报告中的6土层），打入深度不小于1.5倍桩径即1.8m，达到设计高程时最终贯入度<5mm。在设计高程以上2.0m以内时最终贯入度<3mm，桩端高于设计高程以上2.0m时如果贯入度<2mm，可改用三档施打，尽量将桩端控制在距设计高程2.0m以内；当不满足上述停锤条件，尤其是桩尖达到设计高程而贯入度仍偏大时，会同设计人员研究解决。

五、大管桩应用情况汇总

   1、东营港工程使用大管桩的数量及桩型：整个工程共计使用大管桩2822 根。其中：引桥用1650 根，桩型分别为：管桩51m，10根； 组合桩（混凝土管桩+钢管桩）（33～52）+(3～12 )m，1***0根。码头用1172根,桩型分别为：管桩33～55m，386根；组合桩（混凝土管桩+钢管桩(35～ 52)+(2～20)m，786根。        

   2、沉桩情况分析：按设计桩长制作并满足沉桩控制标准的桩2777 根，占总量的98.37  %；按设计桩长制作不满足沉桩控制标准的桩39 根，占总量的1.38%；沉桩过程中桩顶破碎或管桩内壁裂缝的桩5 根，占总量的0.18%；其他原因碰撞埙坏2根，占总量的0.07%。

   3、原因分析及措施：按设计桩长制作不满足沉桩控制标准的桩主要是由于土层的变化较大在地质报告中反映不够详细而造成的，受施工条件等因素的限制，采取了就近补桩措施，以满足设计要求。沉桩初期出现桩顶破碎或管桩内壁裂缝的现象，通过及时调整打桩船的锤击档位、能量，改换桩垫材料并增加厚度，坚持一桩一垫。在以后的沉桩过程中，类似情况未再发生过。                        

    4、沉桩工程质量评定：沉桩合格率达100%，沉桩分项工程质量等级为优良。

六、大管桩的改进及质量控制措施

1．为适应东营港的地质条件对B₁型大直径管桩作了如下两项改进：

   (1)管桩各首节增加ф8螺旋钢筋;

   (2)管桩1～4节的箍筋改为ф10。

2、质量控制

   (1)在管节成型的质量控制方面：严把原材料和砼的工作度的质量关，砼成型工艺严格按三复合工艺要求进行操作和控制；

   (2)在管节养护控制方面：①采用立式蒸养工艺，减少管节粘皮、麻面的缺陷，提高了管节的优良率；②低温天气（0℃～+5℃）钢模外套保温罩后吊入蒸养座，减少环境温度对钢模温度调节的影响；③采用计算机辅助温度自动控制系统，按数据调整蒸汽养护的升温、降温速率，计算机自动反馈实施结果；④负温情况下停止关节生产;

3、在管桩拼接质量控制方面，着重解决：（1）随气温变化调整粘结剂的配比、灌浆中的封锚止浆问题；（2）管节在拼接台座上进行端面二次磨光和二次清孔处理,保证端面粘结和浆体与孔道粘结的效果；（3）采用对称、分级的二次张拉工艺.

4、在管桩装船中的保护措施有：（1）严格检查驳船舱面平整度，对坑洼不平的的舱面用型钢加固或硬木找平；（2）铺设@4000的多支点硬木底楞；（3）在舱面上焊接A型固定架，用硬木锲固定底层管桩；（4）采用宝塔型分层装驳，钢桩部分严格支撑加固，落驳完成后，用槽钢作整体加固。

    经过技术改进和有效的质量控制，使桩基工程的质量得到保障。

七、大管桩、钢桩及普通方桩对比分析

    1、制作工艺：

    预应力混凝土大直径管桩采用离心、振动、辊压相结合的复合法工艺生产，分段成型混凝土管节，管节间涂刷粘接剂，张拉预应力钢绞线，预留孔道内压力灌注水泥浆体，使纲绞线自锚拼接成管桩。材料为高性能混凝土，掺加合适的引气剂，强度60mpa，抗冻f300。钢管桩采用直缝或螺旋缝焊接而成。对操作人员和设备要求极高。

    2、防腐保护措施：

    在海水环境建造高桩码头，钢筋混凝土构件锈蚀是影响码头使用寿命的主要原因。大管桩的保护根据腐蚀区域的划分，采用涂料或其他有效措施来防止或减少锈蚀进行保护。涂料的选用根据保护时间、效果及费用等综合确定。工艺简单易行。

    东营港码头的钢管桩属于海中固定式结构，工作在水位变动区、水下区和泥下区三大腐蚀区。采用牺牲阳极阴极保护和涂层联合保护。涂装过程中的喷砂除锈、涂装、检验、补涂及养护要求较高，阳极块水下湿法焊接工艺复杂，保护系统运行后需要检测、维护管理。

    3、耐久性：

    由于预应力混凝土大直径管桩采用高速离心方法成型，混凝土密实性远远高于普通预应力混凝土方桩，经抗冻试验和氯离子渗透实验证明其抗冻性和耐腐蚀性能良好，完全可以在有抗冻要求的地区使用。

    码头的钢桩防腐有效保护年限为30年。

    4、性价比：

    预应力混凝土大直径管桩的桩端阻力和侧摩阻力较大，抗锤击性能远远高于普通预应力方桩。价格为1488元/米（仅指购买价）。

钢管桩的桩端阻力和侧摩阻力较小，价格为3200元/米。并且每根钢管桩全部防腐费用为15980元，阳极块制作安装费用为9998元。

    另外，大管桩的惯性矩大，抵抗水平力的能力远远超过普通预应力混凝土方桩。

八、结论

东营港扩建工程所用的大管（组合）桩全部在三航局预制厂（连云港、宁波）预制、张拉拼接成桩。由大型驳船运至东营港施工现场。其中最长的55m，最短的33m。在制造和施工过程中经过静荷载试验、高应变检测 、氯离子渗透试验、抗冻融试验等证明大管桩完全可满足设计要求。本工程采用的大管桩是在我国北方大批量首次应用并获得成功。但是，东营港属有抗冻要求地区，冬季海水结冰，大管桩内海水结冰膨胀会使大管桩胀裂，为保证大管桩安全越冬采取在大管桩内充填芦苇，有效地解决了大管桩因冰冻胀裂的问题。东营港扩建工程所用的大管（组合）桩自由长度15m左右，在无任何固定措施的情况下仍可保证桩基安全。

本文得到中港集团李积平总工、戴维艾高工的指导，在此深表谢意。

作者简介：刘锐（1965—），男，高级工程师，水工专业 。