港口工程桩基的设计施工特点

摘 要：桩基在港口工程中应用极为广泛,该文从桩基的设计与施工两方面总结了几种不同类型的桩基结构,并比较出不同结构导致桩基的性能差异.在工程建设中我们应该根据实际需求选择合适的桩基类型.为保证桩基质量对港口工程建设的影响,一般在码头工程中需要对桩基采取一定的防腐措施.该文通过对桩基的设计、选择、施工和防腐的分析研究,为港口工程桩基的设计和施工提供一定的借鉴和参考.

关 键 词：港口工程桩基设计桩基施工防腐

中图分类号：U65文献标识码：A文章编号：1674-098X（2014）10（b）-0094-02

桩基结构在工程应用中有许多优点,比如能够承受轴向压应力、轴向拉应力、水平载荷以及几种外力的合力等.因此,桩基在建筑的各个领域应用十分广泛,尤其在港口工程领域,桩基的作用更是无法替代.在港口工程中,桩基设计是否合理直接影响到港口建筑的安全性与稳定性.现场的设计施工人员,必须明确桩基的分类、适用范围、受力特点、安全防腐等特点,才能选择出合适的桩基,充分发挥不同桩基的优势.因此,我国在桩基的设计及选用环节应该充分重视,加强管理力度,使桩基的设计与施工更加科学、合理.

1港口工程桩基的设计

1.1桩型及桩长的设计

桩型及桩长是桩基设计中最重要的两个因素,只有桩基的桩型和桩长设计得科学、合理,才能保证整个港口工程的施工质量.从力学角度分析,桩基分为横向受力桩、竖向受力桩和斜向受力桩,不同的桩型具有不同的截面积,其受力及应力分布也不同,因此设计者应该根据建筑物的实际载荷对桩型进行设计选择.桩长的设计与其断面、地基的持力层厚度以及沉降方式有关,同时也要依据施工环境,对地层的情况进行分析.在通常情况下,设计人员会根据现有的施工方案,对施工现场进行勘察,设计出多个方案进行比较选择,根据工程实际,选择合适的桩型与桩长,以确保工程造价的经济合理性.

1.2桩基的静载荷试验

在桩基投入使用前都会进行静载荷试验,目的是为了确保桩基在实际使用中安全耐用.在港口工程进行桩基静载荷试验是目前比较可信的一项桩基检测试验,根据试验所得数据对桩基的可靠性进行分析,并进一步确定桩基的施工方案.一般的静载荷试验是分别在桩基的顶部对桩基逐级加载轴向压力、轴向上拔力和水平力,并测出桩基上各个检测点随着时间不断变化而产生的下沉位移、上拔位移以及水平位移,绘制出相应的压力载荷与各向位移的关系曲线图,判断出单个桩基各向应力、位移的极值,观测加载后桩基的性能和变形情况,在实际工程中根据一定的安全余量,确定出桩基所能承受的载荷范围.

静载荷试验是公认的检验桩基承载力水平最准确可靠的方法,目前已被列入桩基规范中,成为工程验收的一项重要依据.静载荷试验的受力条件与工程实际接近,操作简单,试验结果直观易理解,已经越来越广泛的应用于各个工程领域中.

1.3桩基设计的注意事项

在桩基设计中,首先要做好桩基性能参数的设计,比如桩基变形系数、桩顶刚度计算、确定桩身挠曲长度等,这些都是桩基的基本参数.其次,桩基的设计与施工现场的水文地质条件是紧密相连的,不论设计的是钻孔灌注桩还是预制桩,在设计时都要充分考察港口码头的地质结构、土壤构成以及水文状况.根据港口的地质勘查报告,综合考虑桩基的安全、质量、施工进度等,对桩基进行施工.再者,如果相邻桩基之间的地质情况差异较大,则桩基的设计需要分开设计,设计者需要根据港口地质的实际情况对桩基进行差异化设计.

2港口工程桩基的施工

港口工程桩基的施工是整个港口施工的基础和保障,也是港口施工的重点和难点.按照桩基的类型分为钻孔灌注桩、预应力钢筋混凝土桩、钢管桩、钢筋方桩和PHC桩等.港口工程中主要应用的有钻孔灌注桩和预应力钢筋混凝土柱.也有少量应用PHC桩.桩基是港口承受载荷的主体结构,通过桩体将上部的载荷传送到地基中.只有对桩结构进行合理的选择和布置才能最大限度地发挥桩的承受能力,同时使码头的沉降不均匀度最小,有利于稳固岸坡,使码头的技术经济性达到最优.为了弥补打桩对岸坡稳固性的影响,实际施工时常采用“打头”、“束腰”、“压脚”等方法,也要考虑桩负摩擦力、桩群和桩的拔出对岸坡的影响.桩柱除了要承受上部的载荷外,还要承受来自船舶、海水等横向撞击带来的影响,长时间浸泡在海水中要受到海水的侵蚀.以下对各种桩基结构进行介绍.

2.1钻孔灌注桩

灌注桩是指使用钻孔、钢管挤压或者挖掘等手段在地面形成桩孔,再在桩孔内放置钢筋笼,灌注混凝土形成灌注桩.钻孔灌注桩是使用地面钻孔的方法形成灌注桩.按照护壁方法的不同又分为泥浆护壁和全套管护壁.钻孔灌注桩的优点是在各种地基条件下均能使用,相对于锤击钢管法噪声较小.缺点也很明显,成孔费工费时,钻孔灌注桩属于隐蔽工程,对于桩柱质量难以检测,因此存在质量隐患.

2.2预应力钢筋混凝土桩

预应力钢筋混凝土桩的制作过程是先由钢筋制成钢筋笼,在钢筋笼内安装各种预埋件和金属构件,再将钢筋笼放入钢模中,在钢模中注入混凝土,钢模绕中心轴旋转,使混凝土在离心力作用下压实、成型.预应力钢筋混凝土桩分为先张法和后张法,先张法具有较高的抗裂弯矩和极限弯矩,,桩体承载能力高.适宜埋藏在深、强风化岩层地质条件下使用.后张法适用于大口径管桩,具有寿命长的特点.

我国的大口径管桩常采用拼接的方法,在工厂制成长度为4m的短管桩,运输到现场后按照设计图纸要求进行桩接.为保证拼接精度,将管桩的端面磨平,端面一周磨成倒角,再用环氧树脂进行连接.常采用重力锤击的方法使桩柱下沉.重力锤击的设备包括打桩锤、打桩架和其他设备.打桩锤包括蒸汽锤、柴油锤和液压锤.各类型均有其自身的特点,在选择时要保证工程的进度和质量,取得最佳的经济效益.

2.HC桩PHC桩是我国的引进产品,它是预应力钢筋混凝土桩的一种,具有更高的混凝土强度.首先对它经过预应力离心成型,再通过1.0MPa和180℃蒸汽养护,形成空心圆筒形的管桩构建.具有较长的工程强度,单桩承载力强、应用范围广、沉桩质量可靠、工程造价便宜和施工应力小等优点.PHC桩正在码头、公路等行业得到越来越广泛的应用.预计到2016年,PHC桩的需求量将达到5.98亿m3.

2.4预应力混凝土空心方桩

预应力混凝土空心方桩是用离心成型的方法对浇筑进入钢模中的混凝土进行压实、成型.根据材料力学性能,同样的质量的物料,空心的方桩相较于实心方桩具有更高的抗弯模量.因此预应力混凝土空心方桩具有承载能力强、生产周期短的特点.其形状是外方内圆.在同样地使用条件下,方桩的横截面积要大于圆柱,因此在土层中方桩的接触面要大于圆柱,方桩具有更高的摩擦.方桩耐冲击,桩头不易损坏,且焊接周长较长,焊接不易破损.目前正得到大力推广和应用.

2.5钢管桩

钢管桩的强度大,且抗弯、抗冲击能力强,能有效抗击海水、船舶的横向冲击,又由于钢管桩普遍采用锤击的方式,具有施工方便、工程周期短的优点.因此广泛应用于深水码头、冰凌严重的场合.但是钢管桩的成本较高,经济适用性不强.

钢管桩一般进行卷焊成型,采用合金钢或其他高强度钢.钢管桩安工程需要进行多段拼接,为保证拼接强度,常在内部加焊衬套.接桩是在单根桩无法满足设计深度时使用,在上一根桩打至露出水面或地面50cm左右时,进行接桩工作.将上段桩吊至其上时,首先使用经纬仪测量测量两段桩的垂直度是否保持一致,然后对接桩处进行除锈、除油,使用全周长电弧焊进行焊接,待焊接冷却后继续打桩工作.打桩时在钢管桩上段带上桩帽.地基上层土质较松,先间断锤击再连续锤击,避免因贯入量大而空打.在桩体的横向和侧向放置两台经纬仪,保证打桩精度.对于不符合要求的桩体应调整或拔出.

2.6桩基的施工流程

桩基的施工需要根据工程的实际情况,对港口的地质、土壤等情况做出详细的考察,根据考察报告,对各项因素综合分析,采取当前成熟的工艺流程,尽量使桩基施工不受外部因素的影响.虽然码头的地面载荷不是很大,但是大型码头一般位于深水区,水下情况复杂,要防止发生桩基下沉,特别是不均匀的下沉会造成地面开裂甚至建筑物倒塌.具体桩基的施工流程如下.

（1）场地平整―垫层施工―挖上部桩孔土方―垂直度检验―安装提升机械―挖下部桩孔土方―孔径检验―吊钢筋笼―浇筑混凝土.

（2）做好施工准备,审核施工图纸,与施工人员做好技术交底等工作,同时要保证施工监管人员及时就位.

（3）然后进行测量放线,测量放线之前需要对场地进行清理与平整,扫除杂物,将工具、材料等归类放好.再按照施工图纸进行相关标记的设定,并确定桩基的确切位置,为后续工程做好准备.

（4）按照上述操作将桩基进行定位后,就需要人工成孔了.人工成孔是以桩基的定位点为圆心,然后开始挖桩孔,一般桩孔深度为1.5m.在开挖桩孔后还需要进一步对桩基的中心进行校对,并修复孔壁,以免尺寸遭到破坏.

（5）在对制好的钢筋进行存放时也要做到有序存放,一般按照钢筋的规格和等级分开存放.在使用钢筋前需要对其进行清洁处理,出去粘连的杂质与表面结晶物质.

水下工作存在隐蔽性,同时矫正难度大,施工时要边施工边检验,对不符合要求的及时改正.桩基施工的质量和进度关系到整个项目的质量和完工时间.对桩基施工工作进行有效控制,保证港口工程桩基的顺利实施.

3港口工程桩基的防腐蚀措施

港口工程的桩基自工程使用日起就常年浸泡在海水中,再加上大部分桩基采用的是钢筋与混凝土的复合体,因此被海水腐蚀极为严重.根据分析,该腐蚀分为两种形态：（1）桩基在长时间使用后混凝土本身遭到破坏,使得混凝土内的钢筋等易腐蚀物质裸露在海水中,久而久之造成了整个桩基的腐蚀破坏.（2）桩基本身并未损坏,但桩基表面存在细微裂缝,在海水的侵蚀之下,使混凝土与钢筋接触部位的化学性质发生了变化,从而导致内部钢筋的锈蚀.由于铁锈的膨胀,使外表混凝土裂缝越来越大,继而剥落,最终使得桩基无法承载上部重力而失效.

分析了桩基的腐蚀原因可知,若桩基的腐蚀严重会导致无法挽回的后果和巨大的经济损失,因此考虑到码头的使用安全,我们在设计时就应该对桩基采取一定的防腐措施,以杜绝隐患.

3.1采用高性能混凝土防腐

在桩基的制作与施工中,最好采用性能好、抗海水腐蚀强的混凝土,此类混凝土能够提高桩基的密实程度,特别是对于海水中的氯离子能够具有较强的抗渗透性.高性能混凝土是选用优秀原材料,再加入大量掺合料以及高效外加剂配制而成的,不但具有自密实性、体积稳定性、强度高、收缩徐变小等优点外,在抵抗化学腐蚀上其性能也明显优于普通混凝土,这样就大大地延长了桩基的使用寿命.

3.2涂层防腐

在桩基的外表面涂上一层厚厚的防腐层,使桩基与外界的海水环境隔离,这层涂层阻止了腐蚀介质与腐蚀材料的接触,这样就大大减小了桩基腐蚀的条件,起到防腐的作用.但是涂层的厚度有一定范围,不能无限制的加厚.目前这种涂层防腐技术应用比较灵活,在施工现场可直接对桩基进行涂刷,简单易操作,经济性好,因此应用十分广泛.

3.3阴极保护防腐

阴极保护防腐技术是港口工程中使用最多的防腐技术之一.主要方法是将具有还原性的金属和被保护的金属构成一个原电池,其中还原性强的金属为保护极,而桩基一端为被保护极,含有杂质的海水为电解质溶液.当海水浸泡时,还原性强的金属在反应中作为负极失去电子发生腐蚀作用,而桩基一端由于被保护因而不发生反应,这样就消耗了还原性强的金属,避免了桩基钢筋被海水腐蚀.

一般阴极保护有两种方法：牺牲阳极法和外加电流法.前者较为常见,而且方法简单易安装、效果较好、无需专业人员维护,可以说是一劳永逸的方法.后者需要人工输入电流,整个系统操作比较繁琐,需要有增设专门的工作人员维护管理.

3.4联合防腐

在港口实际工程中,除了采用高性能的混凝土制作桩基之外,我们常常将涂层技术与阴极保护技术联合使用,以达到更好的防腐效果.首先,涂层作用能够使桩基周围的电流分布更加均匀；其次,阴极保护技术也能减缓涂层技术所造成的孔蚀、点蚀等现象.二者联合使用,各施所长,有效的防止了桩基的腐蚀,使港口码头的安全顺利运行有所保障.

4结语

桩基是整个工程建设的基础,也是外部载荷的主要承载构件.在港口建设中,桩基的使用能够大大减少水下工程量,因此,港口桩基的设计与施工是否合理显得尤为重要.合理科学的桩基选择和设计可以有效减小港口结构物的变形与坍塌,同时也能降低工程造价.桩基的设计和施工要符合工程实际,尽量选用成熟的、有先例的设计方案.桩基除了承受上部载荷外,还会受到多种因素的影响,要综合考虑,保证工程顺利、稳定完成.