港珠澳大桥主体工程桥梁DB01标段工程地质分析

2024年3月7日发(作者：畏途)

港珠澳大桥主体工程桥梁DB01标段工程地质分析

戚玉红;裴成玉;安鹏程

【摘 要】The engineering Geological Investigation and relevant

achievements were described briefly for the first contract period of DB01

bid ction of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Project. It was propod

to apply rock-socketed piles(steel pipe composite piles)to the bridge

abutment foundation by estimating and analyzing the bearing capacities

of different types of piles. The pile foundation parameters were proved

accurate and reliable by comparing the theoretical calculation results with

the experimental data of pile bearing capacity.%本文简要介绍了港珠澳大桥主体工程桥梁DB01标段第一合同段的地质勘察工作和成果；通过对不同桩型单桩承载力的估算与分析，提出了桥墩基础采用嵌岩桩（钢管复合桩）的建议；通过单桩承载力理论计算与试桩数据的对比，确认了提供的桩基参数是准确、可靠的。

【期刊名称】《港工技术》

【年(卷),期】2014(000)005

【总页数】4页(P82-85)

【关键词】港珠澳大桥;地质勘察;桩基参数;单桩承载力;嵌岩桩

【作 者】戚玉红;裴成玉;安鹏程

【作者单位】中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222;中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222;中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222

【正文语种】中 文

【中图分类】P642.4

1 工程概况

港珠澳大桥海中桥隧工程总长约35.6 km，其中香港界内桥梁长约6.0 km，粤港分界线至珠澳口岸之间的海中桥隧主体工程（简称“主体工程”）长约29.6 km，按6车道高速公路标准建设，设计行车速度100 km/h。主体工程采用桥隧组合方案，其中桥梁长约22.9 km，沉管隧道长约6 km，为实现桥隧转换设置两个长度各为625 m的隧道人工岛。

主体工程DB01标段第一合同段（K13+413～K17+263）非通航孔桥是拟建港珠澳大桥主体工程深水区非通航孔桥之一，位于港珠澳大桥东部，东起西人工岛，西至跨崖13-1气田管线桥。该段非通航孔桥设计长度3 850 m（16～51号桥墩），采用110 m等跨径等截面连续钢箱梁桥。主梁采用大悬臂整体式钢箱梁，梁高4.5 m。基础拟采用钢管复合桩，桩径2.0～2.2 m，单桩承载力30 000 kN，全预制混凝土承台、墩身方案。

本勘察桥段16至51号墩每墩布置钻孔2～3个（图1），共布置87个：取土试样钻孔43个，原位测试钻孔44个。终孔条件为钻入中风化12 m或中～微风化12 m或微风化3 m，控制性加深孔钻入中风化15 m或中～微风化15 m或微风化6 m。

图1 代表性桥墩钻孔平面位置示意

2 工程地质条件

2.1 岩土层简介

本桥段16～51号墩位于青州航道和伶仃航道之间，区内第四纪地层发育，厚度

71.5～93.5 m不等，海底泥面高程一般为-7.21～-5.74 m，海床面地形总体上比较平缓。

根据现场勘探和室内试验结果，结合前期勘察成果与区域地质资料，按地质时代、地质成因、岩性、物理力学性质等特征，对勘探深度内的岩土层进行了单元岩土体的划分。结果表明，岩土层分布比较有规律，自上而下可划为5个大层、25个亚层。

2.2 岩土层指标

按照勘察技术要求，对现场采取的岩土样进行了物理、力学性质指标试验。以本次勘察划分的单元岩土体为基础，对各岩土层的物理、力学性质指标进行了数理统计。

3 单桩承载力

3.1 岩土层桩基参数

依据室内土工试验资料、标准贯入试验成果、岩石试验成果、岩体风化后的状态及岩体完整性等指标，按照《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63-2007），经综合分析确定岩土层承载力基本容许值[fa0]与桩基参数。

3.2 单桩承载力估算

根据各岩土层桩基参数，依据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007），选择代表性钻孔对嵌岩桩（钢管复合桩）、摩擦桩（钢管复合桩）及摩擦桩（钢管桩）分别进行单桩承载力估算。

3.2.1 嵌岩桩（钢管复合桩）单桩轴向受压承载力容许值估算

按照《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007），嵌岩桩（钢管复合桩）单桩轴向受压承载力容许值：

式中：为单桩轴向受压承载力容许值（kN）；

c1为端阻发挥系数；

Ap为桩端截面面积（m2）；

frk为桩端岩石饱和单轴抗压强度标准值（kPa）；

u为各土层或各岩层部分的桩身周长（m）；

c2i为第i层岩层的侧阻发挥系数；

hi为桩嵌入中风化层的厚度（m）；

ζs为覆盖层土的侧阻力发挥系数，根据桩端frk确定：当2 MPa≤frk＜15 MPa时，取0.8；当15 MPa≤frk＜30 MPa时，取0.5；当大于frk≥30 MPa时，取0.2；

li为各土层的厚度；

qik为桩侧第i层土的侧阻标准值（kPa）；

n为土的层数，强风化和全风化岩层按土层考虑。

桩端持力层为风化混合片岩，16～45号墩桩径2 m，46～50号墩桩径2.2 m，嵌岩桩嵌入中风化5 m，中风化岩层的情况按破碎考虑，端阻力发挥系数c1取0.24，岩层侧阻力发挥系数c2取0.018。选代表性桥墩进行计算，结果详见表1。

表1 嵌岩桩（钢管复合桩）单桩轴向受压承载力容许值孔号 桩长/m 桩底高程/m桩端进入持力层深度/m饱和单轴抗压强度frk/kPa桩端阻力/kN SZK17-2

SZK20-2 SZK27-1 SZK34-1 SZK37-2 SZK41-2 SZK44-1 SZK47-3 SZK50-1

97.0 78.9 80.6 91.1 112.2 106.3 105.8 99.0 97.4-103.99-85.10-86.83-97.36-118.44-112.46-111.72-105.10-103.66 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 5.0 43

100 21 700 45 000 42 100 40 300 40 400 41 700 29 700 37 200 32 480.2 16

353.1 33 912.0 31 726.6 30 370.1 30 445.4 31 425.1 27 086.4 33 926.4单桩受压承载力容许值[Ra]/kN 60 253.8 32 938.6 61 003.6 58 173.5 57 337.6 57

032.6 58 436.0 53 547.5 60 502.2

由表1可知，嵌岩桩（钢管复合桩）单桩轴向受压承载力容许值为33 000～61

000 kN左右，完全可以达到设计单桩承载力30 000 kN的要求。

3.2.2 摩擦桩（钢管复合桩）单桩轴向受压承载力容许值估算

按照《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007），摩擦桩（钢管复合桩）单桩轴向受压承载力容许值：

式中：[Ra]为单桩轴向受压承载力容许值（kN）；

u为桩身周长（m）；

n为土的层数；

li为承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度（m）；

qik为与li对应的各土层与桩侧摩阻力标准值（kPa）；

qr为桩端处土的承载力容许值（kPa），由于桩端以强风化层作持力层，砂土状强风化取值不超过1 450 kPa，碎块状强风化取值不超过2 750 kPa；

[fa0]为桩端处土的承载力基本容许值（kPa）；

h为桩端的埋置深度（m），取地面高程-20.0 m（可能最大冲刷深度）向下至设计桩端位置，大于40 m按40 m计算；

k2为容许承载力随深度的修正系数，砂土状强风化岩取5，碎块状强风化岩取值6；

γ2为桩端以上各土层的加权平均密度（kN/m3），取各层有效密度；

λ为桩的长径比修正系数，根据不同长径比取0.70～0.85；

m0为桩的清底系数，取0.8。

公式中各参数取值如下：选择强风化混合片岩为桩基持力层，16～45号墩桩径2

m，46～50号墩桩径2.2 m，m0=0.80，λ=0.85。选代表性桥墩进行计算，结果详见表2。

表2 摩擦桩（钢管复合桩）单桩轴向受压承载力容许值孔号SZK17-2 SZK31-2

SZK34-1 SZK37-2 SZK41-2 SZK44-1 SZK47-3 SZK50-1桩长/m 90.7 98.0

85.5 107.0 99.7 100.4 93.0 91.8桩底高程/m-97.69-104.11-91.76-113.24-105.86-106.32-99.10-98.06桩端持力层⑦22⑦22⑦21⑦22⑦21⑦21⑦21⑦21桩端进入持力层深度/m 6.0 2.0 3.0 3.0 15.0 15.0 6.0 6.0桩端处土的承载力容许值qr/kPa 2 406 2 406 1 450 2 406 1 450 1 450 1 450 1 450桩侧土的摩阻力/kN 14 087.6 18 315.0 13 015.3 20 927.5 18 150.8 17 047.1 15 543.0 16

969.5单桩轴向受压承载力容许值[Ra]/kN 21 642.5 25 869.8 17 568.3 28 482.3

22 703.8 21 600.1 21 053.0 22 479.5

式中：[Ra]为单桩轴向受压承载力容许值（kN）；

u为桩身周长（m）；

n为土的层数；

li为承台底面或局部冲刷线以下各土层的厚度（m）；

qik为与li对应的各土层与桩侧摩阻力标准值（kPa）；

qrk为桩端处土的承载力标准值；

由表2可知，摩擦桩（钢管复合桩）单桩轴向受压承载力容许值为17 500～28

500 kN左右，达不到设计单桩承载力30 000 kN的要求。

3.2.3 摩擦桩（钢管桩）单桩轴向受压承载力容许值估算

按照《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007），摩擦桩（钢管桩）单桩轴向受压承载力容许值：

αi、αr分别为振动沉桩对各土层桩侧摩阻力和桩端承载力的影响系数，锤击、静压沉桩其值均取为1.0。

其中桩径按16～45号墩取2 m、46～50号墩取2.2 m。选代表性桥墩进行计算，结果详见表3。

由表3可知，仅SZK50-1以⑦21强风化混合片岩为持力层时摩擦桩（钢管桩）单桩轴向受压承载力容许值大于设计单桩承载力30 000 kN的要求，其它钢管桩单桩轴向受压承载力容许值为22600～28600kN左右，达不到设计单桩承载力30 000 kN的要求。本次估算中，钢管桩基本按照打入强风化混合片岩5 m考虑的，但在实际施工中，成桩很困难。

3.3 试桩

港珠澳大桥主体工程桥梁试桩工程中钢管桩试桩共2根，试桩编号分别为SZ1、SZ2。钢管桩试桩均位于港珠澳大桥青州航道桥设计轴线北侧，距青州航道桥设计轴线150 m左右。SZ1、SZ2试桩桩底高程均为-80.0 m，桩顶高程均为5.0 m，试桩的单桩极限荷载不小于18 580 kN。

表3 摩擦桩（钢管桩）单桩轴向受压承载力容许值孔号SZK17-2 SZK31-2

SZK34-1 SZK37-2 SZK41-2 SZK44-1 SZK47-3 SZK50-1桩端持力层④5粗砾砂⑦21强风化混合片岩④6圆砾⑦21强风化混合片岩④6圆砾⑦21强风化混合片岩④5粗砾砂⑦21强风化混合片岩④5粗砾砂⑦21强风化混合片岩④5粗砾砂⑦21强风化混合片岩④5粗砾砂⑦21强风化混合片岩④5粗砾砂⑦21强风化混合片岩桩长/m 78.0 84.1 80.9 86.9 82.0 85.5 85.0 90.6 83.9 89.7 85.0 90.4 87.0 92.0

85.0 90.8桩底高程/m-84.99-91.09-87.01-93.01-88.26-91.76-91.24-96.84-90.06-95.86-90.92-96.32-93.10-98.10-91.26-97.06桩端进入持力层深度/m

6.0 5.0 3.0 5.0 3.0 3.0 1.0 5.0 5.0 5.0 8.0 5.0 5.0 5.0 7.0 5.0桩侧土的摩阻力/kN 12 425.0 15 142.7 11 988.5 14 814.5 12 750.9 14 399.4 12 914.8 15

467.6 12 610.6 15 229.3 11 923.8 14 410.7 13 798.7 13 798.7 15 649.2 18

529.8沉桩的承载力容许值［Ra］/kN 23 101.0 26 132.7 23 763.5 25 804.5 24

525.9 25 389.4 23 590.8 26 457.6 23 286.6 26 219.3 22 599.8 25 400.7 26

718.7 27 098.7 28 569.2 31 829.8

试桩为直径170 cm、壁厚25/22 mm的敞口钢管桩，采用Q345C钢钢板加工。桩长为85 m，在桩顶12.3 m范围设置内壁剪力环。钢管外壁采用双层环氧粉末涂层涂装，内壁采用无溶剂液体环氧涂层涂装。

试桩SZ1和SZ2桩端进入强风化混合花岗岩层分别为0.90 m和1.08 m，成桩后分别作了高应变试验和锚桩反力架法试验。同时，在勘察区选择代表性桥墩，利用试桩桩型和本次勘察提供的桩参数对单桩竖向极限承载力标准值进行计算，结果详见表4。

表4 试桩与单桩竖向极限承载力标准值计算成果比较桩号SZ1 SZ2 SZK18-1

SZK21-2 SZK22-3 SZK38-1 SZK42-1桩端持力层强风化混合花岗岩强风化混合花岗岩强风化混合片岩强风化混合片岩强风化混合片岩强风化混合片岩强风化混合片岩桩端进入持力层深度/m 0.90 1.08 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00桩端高程/m-80.00-80.00-82.61-81.32-79.07-88.82-94.68桩径/m 1.75 1.75 1.75 1.75 1.75

1.75 1.75单桩竖向极限承载力标准值/kN高应变试验22 918 22 042锚桩反力架法试验20 500 18 760理论计算22 072 21 404 24 626 26 279 23 489 28 912

30 096

由表4可见，SZ1、SZ2的试验结果均满足单桩极限荷载不小于18580kN的要求；桩号SZK18-1、SZK21-2和SZK22-3与试桩桩长相近，按试桩桩型和提供桩参计算的单桩竖向极限承载力标准值与试桩成果相近，验证了本次勘察提供的桩基参数是准确可靠的。

桩号SZK38-1和SZK42-1的理论计算值比试桩数据较大，主要是因为桩长增加，使桩侧阻力增大的缘故。

4 结语

1）港珠澳大桥桥位区场地内岩土层分布较稳定，可供选择的持力层较多，拟建桥梁区场地属构造相对稳定区，适宜本工程的建设。

2）勘察区内第四纪地层发育，厚度71.5～93.5 m不等，海床面地形总体上比较平缓。以本次勘察划分的单元岩土体为基础，对各岩土层的物理、力学性质指标进行了数理统计，提供了设计所需的物理力学参数及桩基参数。

3）选择代表性钻孔对嵌岩桩（钢管复合桩）、摩擦桩（钢管复合桩和钢管桩）分别进行了单桩承载力估算，结果表明：桩端嵌入中风化5 m以上的嵌岩桩（钢管复合桩）的单桩承载力能够达到设计要求，而以强风化混合片岩为持力层的摩擦桩（钢管复合桩和钢管桩）的单桩承载力基本上达不到设计要求。

4）通过单桩承载力理论计算值与试桩数据的对比，确认了本次勘察提供的桩基参数是准确可靠的。

参考资料：

[1]JTJ064-98公路工程地质勘察规范［S］.北京：人民交通出版社.

[2]JTGD63-2007公路桥涵地基与基础设计规范［S］.北京：人民交通出版社.

[3]广东省长大公路工程有限公司联合体.港珠澳大桥主体工程桥梁试桩工程钢管桩试桩试验初步报告［R］.2011，6.