横沙新洲海域工程地质特性及码头桩基承载性状分析

Analysis of Geological Characteristics of Hengsha New Island Sea Area and Bearing Performance of Offshore Wharf Pile Foundations

摘要

随着上海横沙新洲园区的开发，码头建设需求日益增加，其复杂的工程地质条件给桩基设计和施工带来了挑战。本文首先分析了横沙新洲海域地基土层分布特性与典型土体的力学性质参数，结合地质勘探资料开展了桩基工程地质条件分析，勘探资料表明该场地中的软土层和液化土层可能对桩基的安全稳定造成不利影响；并基于土体抗冲刷简易测试装置对该海域典型地层的土体开展抗冲刷试验，测试结果表明该场地的砂质粉土和黏质粉土的抗冲刷性较差，需采取必要的冲刷防护措施，相关研究结论可为该园区开发和区域经济发展提供重要的技术参考。

Abstract

With the recent development of the Hengsha Xinzhou Park， the demand for wharf construction has risen steadily， while the complex engineering-geological conditions pose challenges to pile design and construction. This paper characterizes the site’s geology by analyzing the stratigraphic profile and mechanical parameters of the seabed soils. Based on the geotechnical investigation data， the engineering-geological conditions for pile foundations were evaluated. The results indicate that soft and liquefiable soil layers may adversely affect the stability of piles， necessitating appropriate engineering countermeasures. Using a simplified scour-resistance test apparatus， scour tests were carried out on the seabed soils. The findings reveal that sandy silt and clayey silt have relatively poor resistance to scour； therefore， scour countermeasures are required. The studies will provide essential technical support for the development of the Hengsha Xinzhou Park and the regional economy.

Graphical abstract

关键词

横沙新洲海域 / 码头桩基 / 工程地质特性 / 承载性状 / 冲刷防护

Key words

Hengsha New Island sea area / wharf piles / geological characteristics / bearing behavior / scour protection

0 引 言

横沙岛位于长江口与东海的交汇处，是长江口三大岛屿之一。该岛系长江泥沙下泄，海水顶托而在河口淤积形成，三面临江，一面濒海，背靠长兴岛，北与崇明岛遥相呼应，如图1所示。其地面高程为2.87 m（吴淞零点），东西长7.5 km，南北长8.5 km，面积为49.26 km^2［1］。2023年，上海市政府批准横沙新洲园区的发展战略规划和国土空间规划，指出将在横沙新洲形成“一原点、两轴线、三组团、十方田”的空间结构^［2］，着力打造世界级现代都市生态绿色农业示范区。作为上海港外高桥港区的组成部分，横沙新洲海域的海上码头建设需求日益增加，以横沙新洲现代农业产业园为例，其配套的货运码头沿线共布置5个3 000 t级通用泊位，码头与陆域间由一座长740 m的引桥连接并为园区产业布局提供支撑，以提升长江口地区的综合竞争力。

桩基础因其适应性强、施工快捷而常被用于近海工程中^［4-5］。桩基变形特性受多种因素影响，包括荷载条件、地质环境、水文及结构等多个方面^［6-9］。码头所处的地质环境对桩基影响显著，软土地基等复杂地质条件可能导致桩基的过大变形或承载不足，开展工程地质特性分析对于码头桩基的设计和施工具有重要意义。迟玮海等^［10］分析了外高桥四期码头所处的地质条件，通过开展现场试桩试验明确了桩基的受力特性，为工程设计提供了依据。沈日庚等^［11］通过马迹山港卸船泊位的打入桩试桩和嵌岩桩水平荷载试验，结合地层发育情况对残积土层的沉桩特征及嵌岩桩的桩顶水平位移进行了分析。张晓东^［12］结合福州港某码头进行了桩基工程地质分析，介绍了桩型选择与施工控制技术。

局部冲刷则是发生在水下结构物附近的土体侵蚀现象，也是造成水下结构物水毁灾害的主要原因之一^［13-15］。奚静雯^［16］分析了张华浜港区码头前沿河床冲刷的原因。研究表明，沉积物条件是影响冲刷的重要因素，不同工程场地的地质环境差异可能会导致冲刷程度的显著不同^［17-18］，忽略地质因素将难以得到准确的冲刷预测结果。业界对此已有一定的认识，针对不同地质条件的沉积物开展了冲刷评估，例如Briaud等^［19］开发了一套侵蚀函数测定仪（erosion function apparatus，EFA），可用于测取不同流速下土样的侵蚀速率，并分析得到不同土质的侵蚀函数。Wang等^［20］基于土体抗冲刷试验装置开展了砂土的冲刷试验，结果显示颗粒组成成分对抗冲刷性有着显著的影响，级配良好的土比级配较差的土往往具有更强的抗冲刷能力。

横沙新洲园区开发刚刚起步，目前针对该海域场地的工程地质特性与土体抗冲刷性能的研究报道很少，有必要针对该海域的工程建设需要开展系统的分析研究。横沙新洲码头所处区域地质条件复杂，软土层较厚，且存在液化土、淤泥质黏土等不良地质现象，给桩基设计施工、冲刷防护设计带来了工程困难。深入研究横沙新洲海域的地质特性，特别是桩基工程地质条件，对于确保码头结构的安全稳定具有重要意义。本文通过分析该区域地层地质特征与桩基工程地质条件，并开展码头桩基承载性能分析与桩周土体抗冲刷试验，为桩基及冲刷防护设计、施工工艺选择以及后续的工程建设提供科学依据，确保码头在复杂地质条件下的长期稳定运行。

1 场区地层地质特征

1.1　主要地层分布概述

横沙新洲海域地处长江口，地质条件复杂，地层结构多变。根据地质勘探资料，该区域地层主要由第四系松散沉积物组成，包括淤泥、粉砂、砂质粉土、淤泥质黏土和黏土等。这些沉积物在长江口长期的泥沙淤积作用下形成，具有明显的层理结构和不均匀性。

该海域地层在垂向分布上可分为以下几个主要土层，其典型土层剖面如图2所示。

上述典型的土层特性描述如下。

表层淤泥层①₂：厚度一般为0.3~7.5 m，由黏性淤泥混少量粉性土组成，含有机质，含水量高，结构性差且强度低，抗冲刷能力弱，在工程建设中需要特别注意。

粉砂②_3-1：厚度为1.8~5.5 m，夹薄层黏性土，欠均匀。单孔液化判别结果显示该层所有孔内均液化，该层属轻微液化土层。

淤泥质黏土④与黏土⑤_1-1：两层均属软弱黏性土层，厚度分别为7.1~12.3 m和4.8~10 m，易触变和流变，抗剪强度低，压缩性高，工程力学性质相对较差，需引起注意。

砂质粉土⑤₂：厚度为10.9~16.1 m，该土层埋深适中，均匀性好，密实度适中，承载力强且分布稳定，可作为桩基持力层并提供较高的桩端阻力。

砂质粉土⑧₂：该层在海塘区层厚为8.2~9.1 m，在海域区层厚为12.9~18.5 m，土性好，分布稳定，可作为深层桩基的持力层。

此外，横沙新洲海域地层中还存在局部夹层，如黏土层、砾石等，海塘区水面下还存在不规则分布的抛石，这些对桩基工程的设计和施工以及沉桩设备的布设也会产生影响。在工程设计和施工前，必须准确掌握地层分布和特性，以确保工程的安全性和经济性。

1.2　土层的主要物理力学性质

根据勘探资料，表1为横沙新洲码头场地的土层物理力学参数。基于现场钻探、取样以及室内试验等综合手段获取地层土性参数，能反映场地不同土层的工程地质特性，为设计施工及安全评估提供参考。

2 桩基工程地质条件分析

横沙新洲海域地质条件复杂，地层结构多变，这对桩基工程的设计和施工提出了较高的要求。根据地质勘探资料，该区域地层包括淤泥、粉砂、砂质粉土、淤泥质黏土和黏土等。这些地层在桩基工程中的表现各不相同，需要根据具体地质条件进行合理的设计和施工，针对各土层的地质条件逐一分析如下。

2.1　软土层的影响

场区表层存在较厚的淤泥层，含水量高，压缩性高，承载力低，容易发生沉降变形。桩基在穿越该层时，容易产生较大的侧向位移，影响桩基的稳定性。在桩基工程中，淤泥层通常不作为持力层，而是需要通过桩身穿过该层，将荷载传递至下部岩土条件较好的地层。因此，需要考虑淤泥层的沉降和变形对桩基的影响，采取相应的措施，如增加桩长、提高桩身强度等，以确保桩基的稳定性和安全性。

2.2　液化土层的存在

项目场区浅层存在易液化的粉砂层，其颗粒较细，密实度较高，在施工过程中容易发生液化现象，特别是在地震作用下，可能导致桩基失稳。因此，在桩基设计中需考虑液化土层的处理措施，如采用深层搅拌桩或碎石桩进行加固。液化土层的存在还要求桩基设计时充分考虑地震等动力荷载的影响，按照抗震设防类别采取相应抗液化措施，保证桩基在地震作用下的稳定性。

2.3　持力层的选择

在该海域场区存在分布稳定的砂质粉土层⑤₂，可作为桩基的持力层提供较高的桩端阻力。然而，该层位埋深较大，桩基长度需相应增加，会增加施工难度和成本。此外，持力层的选择还需考虑桩基的承载力和变形特性，确保桩基在长期荷载作用下的稳定性。当对单桩承载力要求较高时可选用下层的砂质粉土层⑧₂，但桩端需穿越较厚的密实状的⑤₂粉土层并进入⑧₂粉土层一定深度，施工难度较大，需要采用合适的沉桩设备和特殊的施工工艺，如采用大直径钻孔灌注桩、钢管桩等。

横沙新洲海域桩基工程地质条件复杂，需要根据具体地质条件进行合理的设计和施工。在桩基设计中，需要充分考虑各土层的特性和分布情况，合理确定桩长、桩端位置和施工工艺，并进行沉桩试桩试验，以确保桩基的稳定性和安全性。同时，还需要考虑地震作用下的液化风险，采取相应的抗震措施，以提高桩基的抗震性能。

3 海上码头桩基承载性能分析

3.1　桩基小应变检测结果

桩基小应变检测是一种基于一维应力波理论的无损检测方法，通过在桩顶施加低能量冲击荷载，实测桩顶的速度时程响应，通过实测的时域曲线或辅以频率曲线，能够检测桩身完整性并判断桩身存在缺陷的程度和位置。

项目采用基桩动测仪对31根预应力混凝土管桩进行了低应变反射波法试桩检测，桩截面直径为1 000 mm，设计桩长为56 m（引桥，码头）和53 m（辅助平台），桩身混凝土设计强度为C80。结果显示全部桩检测波波形无异常反射，波速正常，桩身完好。

3.2　高应变检测结果

高应变检测是一种通过重锤冲击桩顶，使桩土之间产生足够的相对位移，从而充分激发桩周土阻力和桩端支承力的桩基检测试验方法。由于海上工程中静载试验实施难度较大，通过高应变试验能够快速、准确地评估桩基的极限承载力，并监测桩基的承载力恢复情况，从而优化桩基设计与打桩工艺参数^［21］。

本项目高应变试验结果表明，在砂质粉土层为持力层的桩基极限承载力达到6 230 kN，见表2。这表明砂质粉土层作为持力层能提供较高的承载力。然而，桩基在软土层为持力层地基中的承载力较低，容易发生沉降变形。因此，在桩基设计中需充分考虑持力层的选择，确保桩基在长期荷载作用下的稳定性。

4 桩周土体抗冲刷特性分析

4.1　土体简化抗冲刷能力设备

为评估码头桩基发生局部冲刷的风险性，开展了横沙新洲码头土体抗冲刷试验分析，从而评估场地土层抗冲刷性能，并为优化桩基及防护设计提供理论支持。

基于本文作者团队^［20］所提出的土体抗冲刷简易测试装置（SSRT）开展研究。该装置能够对近海桩基工程地基土体开展抗冲刷性能测试，并根据临界流速对土体抗冲刷性能进行评估。SSRT试验过程中，土样表面的流体速度沿半径方向呈线性分布，如图3所示，在距离土样轴心不同距离处表面所受水流侵蚀作用是不相同的。样品为均匀土样，可认为其表面抗冲刷性能处处相等。试验结束后根据侵蚀结果可将土样表面划分为侵蚀区与非侵蚀区。

如图3所示，试验装置包括紊流模拟器、水箱和土样盒。将待测土样装填在土样盒并固定在水箱下方，紊流模拟器带动水流侵蚀土样，当达到冲刷平衡时，侵蚀区与非侵蚀区边界处水流的侵蚀能力与土体的抗侵蚀能力相平衡，土体临界流速等于此处水流速度，因此，土体临界抗冲刷流速可用下式计算：

V_{\mathrm{c}}=\frac{n\mathrm{\pi }l}{\mathrm{30}}（1）

式中：V_c是土体临界抗冲刷流速，单位为cm/s；n是搅拌头转速；l是土样非侵蚀区半径。

4.2　试验设计及工况

为获取土的抗侵蚀性能与颗粒启动特点，评估近海桩基场地中不同土体的抗冲刷性能，通过地勘钻孔获取的土样开展试验，试验选取横沙新洲码头场区地层分布中的四种典型土质进行了抗冲刷性能测试，包括淤泥、砂质粉土、黏质粉土与淤泥质黏土。所测试样的土性包括砂性土、黏性土以及性质居中的两种粉性土。每种土在不同的流速下进行试验，具体试验工况见表3。

4.3　试验结果

四种待评估土样试验现象显著不同，在平衡后最终的侵蚀形态差异也较大。其中，在砂质粉土和黏质粉土的土样试验中，较低的流速就可使土样发生剧烈冲刷，大量的土颗粒逸散在水中，致使水迅速变浑浊，并在土样盒中部沉积形成面积较大的淤积区，如图4所示，这两类土达到平衡所需时间显著较短。而对于淤泥和淤泥质黏土来说，它们所需的冲刷平衡时间更长，且没有大量的土颗粒启动，多为土样表面的微小黏土颗粒被冲刷，在土样盒中部大多没有或只有极小的淤积区。

通过测量土样的侵蚀深度与非侵蚀区半径计算土样的临界流速可评估土体的抗冲刷性能。土样试验结果见表4，可见淤泥质黏土的抗冲刷性最强，砂质粉土和黏质粉土的抗冲刷性最差，淤泥的抗冲刷性稍强，但由于黏土的非均质性，在码头场区多变的水流条件下仍然可能发生大块侵蚀，导致冲刷深度快速增加，应采取合理的冲刷防护措施。常用的防护方式包括抛石、砂被、混凝土连锁排，以及近期受到较多关注的固化土防护技术等。

5 结 语

横沙新洲海域地质条件复杂，地层结构多变，这对桩基工程的设计和施工提出了较高的要求。本研究通过对横沙新洲海域地质特性的详细分析，评估了桩基工程的地质条件，探讨了桩基的承载特性与场地冲刷特性。获得的主要结论如下：

（1） 在桩基设计中，需要充分考虑各土层的特性和分布情况，合理确定桩长、桩端持力层位置和施工工艺，以确保桩基的稳定性和安全性。在桩基设计中充分考虑持力层的合理选择，并需要考虑地震作用下的液化风险，采取相应的抗震措施，以提高桩基的抗震性能。

（2） 对横沙新洲码头分层土体的抗冲刷测试结果表明，场区砂质粉土和黏质粉土的抗冲刷性较差。由于码头场区水流条件具有多变性，冲刷可能快速发展，应当注意并采取合理冲刷防护措施。

（3） 随着横沙新洲开发的深入推进与地质勘探技术的不断进步，横沙新洲海域地质特性及桩基承载特性的研究将更加深入和全面。通过详细的地质分析和科学的桩基设计，可以有效应对挑战，确保码头结构的安全性和稳定性，推动区域经济的可持续发展。

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基金资助

上海市地矿工程勘察（集团）有限公司资助项目