張志鵬，李天翔，李松樵

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

引 言

在鋼管樁樁基施工過(guò)程中，沉樁錘型的選擇和停錘標(biāo)準(zhǔn)的制定起著重要作用。錘型的選擇和停錘標(biāo)準(zhǔn)的制定應(yīng)根據(jù)地質(zhì)、樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、樁的承載力和錘的性能，并結(jié)合試沉樁情況確定。沉樁的停錘標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)行《港口工程樁基規(guī)范》[1]僅根據(jù)不同的地質(zhì)情況給出了一般性的指導(dǎo)建議，而無(wú)可供實(shí)際參考的控制標(biāo)準(zhǔn)，因此有必要對(duì)沉樁的停錘標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究。

本文介紹了加納特碼新建集裝箱碼頭后軌道梁鋼管樁基礎(chǔ)沉樁的選錘及停錘標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)理論公式和試沉樁確定了以貫入度控制的停錘標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步用高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)試驗(yàn)和靜載荷試驗(yàn)進(jìn)行復(fù)核并對(duì) ENR公式進(jìn)行修正，實(shí)際應(yīng)用效果良好，可供類(lèi)似工程參考。

1 工程概況

加納特碼新集裝箱碼頭項(xiàng)目碼頭總長(zhǎng)1 400 m，碼頭前沿為重力式沉箱結(jié)構(gòu)。后軌道梁基礎(chǔ)采用鋼管樁樁基結(jié)構(gòu)，鋼管樁間距為4.5 m，樁徑為1 m，壁厚為20 mm，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)17.6 m（樁底高程-16.0 m，樁頂高程1.6 m）。

本項(xiàng)目在碼頭沉箱主體結(jié)構(gòu)、后方拋石棱體和土工布施工完成后，陸域回填砂到2 m左右，形成地基處理作業(yè)面，地基處理采用振沖密實(shí)法，業(yè)主要求地基處理后水上相對(duì)密實(shí)度不小于70 %，水下相對(duì)密實(shí)度不小于60 %。地基處理檢測(cè)合格后進(jìn)行沉樁施工。碼頭結(jié)構(gòu)典型斷面見(jiàn)圖1。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)典型斷面示意

本項(xiàng)目沿后軌道梁原泥面在-7～-8 m高程之間，由上至下主要土層為：松散粉質(zhì)細(xì)砂，密實(shí)砂礫石層，強(qiáng)風(fēng)化片麻巖、中風(fēng)化至微風(fēng)化片麻巖層等。設(shè)計(jì)樁底高程打入強(qiáng)風(fēng)化片麻巖。各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1。

表1 各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)力計(jì)算結(jié)果顯示，拉樁力極小可不考慮，最大工作荷載壓樁力為4 144 kN。根據(jù)業(yè)主要求，壓樁承載力計(jì)算安全系數(shù)取 2.5，即樁基承載力要求至少為10 360 kN。

2 選錘及停錘標(biāo)準(zhǔn)的確定

2.1 選錘分析

樁錘的選型應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況、樁型、設(shè)計(jì)承載力等綜合考慮。樁錘不宜過(guò)大也不宜過(guò)小，樁錘過(guò)大易造成樁身?yè)p傷；樁錘過(guò)小，沉樁效率低且沉樁不易達(dá)到設(shè)計(jì)高程。本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)具備柴油錘 D128和D160兩種型號(hào)，D128柴油錘單次打擊能量最大為426.5 kJ，每分鐘打擊次數(shù)為36～45次；D160柴油錘單次打擊能量最大為533.0 kJ，每分鐘打擊次數(shù)為36～45次。具體的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 柴油錘D128和D160技術(shù)參數(shù)

根據(jù)《Installation Specification For Driven Piles-PDCA Specification 102-07》[2]規(guī)定，大小合適的樁錘應(yīng)滿(mǎn)足在達(dá)到樁基承載力時(shí)，每 1英寸（25.4 mm）夯沉量不超過(guò)10擊。本工程設(shè)計(jì)樁端土層為強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，承載力要求大于10 360 kN，為了初步評(píng)估現(xiàn)有錘型是否能夠滿(mǎn)足打樁要求。本項(xiàng)目采用ENR公式[3]進(jìn)行計(jì)算：

式中：

Ra為樁基承載力，kN；

FS為安全系數(shù)，建議值取6；

E為單次打擊能量，kJ；

s為單次打擊的夯沉量，mm。

計(jì)算中假定單擊夯沉量為2.54 mm，得到不同錘型停錘時(shí)所能達(dá)到的最大承載力，如表3所示。

表3 不同錘型停錘時(shí)樁所能達(dá)到的最大承載力

從表3可知，在假定單擊夯沉量為2.54 mm時(shí)，樁所能達(dá)到的最大承載力分別為 13 992.78 kN和17 486.88 kN，設(shè)計(jì)要求樁基承載力大于10 360 kN，同時(shí)根據(jù)選錘參考資料[1]，柴油錘 D125可能達(dá)到的極限承載力分為為11 000～21 000 kN，D160可達(dá)15 000 kN以上，最終 10擊的平均貫入度在5～10 mm，因此，可以初步判斷柴油錘D128、D160均可滿(mǎn)足沉樁要求。綜合考慮沉樁效率及經(jīng)濟(jì)性，選定D128柴油錘進(jìn)行沉樁施工。

2.2 停錘標(biāo)準(zhǔn)

停錘標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與錘型相適應(yīng)。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)樁端土層為強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，應(yīng)以貫入度控制[1]；設(shè)計(jì)規(guī)格書(shū)要求1 500擊的夯沉量不大于1.5 m或每0.25 m夯沉量需超過(guò)650擊，該標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)嚴(yán)格且過(guò)于寬泛，不宜作為實(shí)際沉樁施工的控制標(biāo)準(zhǔn)，控制貫入度應(yīng)該根據(jù)選定錘型不同而不同。為了初步確定停錘貫入度，根據(jù)ENR公式計(jì)算，樁基承載力Ra按設(shè)計(jì)要求承載力取值為10 360 kN，單次打擊能量采用3擋計(jì)算，其結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 柴油錘D128貫入度計(jì)算

計(jì)算結(jié)果表明，平均貫入度小于3.61 mm或連續(xù)30擊貫入度小于108 mm時(shí)，說(shuō)明已達(dá)到樁基承載力要求。由于 ENR公式為經(jīng)驗(yàn)公式，安全系數(shù)的取值本身有一定主觀(guān)性，而且考慮到地質(zhì)的復(fù)雜多變性，計(jì)算結(jié)果只可作為控制貫入度的估值范圍，停錘標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)試打樁、高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)和靜載荷試驗(yàn)結(jié)果再調(diào)整。

實(shí)際沉樁過(guò)程中，首先以 ENR公式計(jì)算出來(lái)的貫入度作為停錘標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)發(fā)現(xiàn)樁基承載力不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)繼續(xù)試打和高應(yīng)變動(dòng)力復(fù)測(cè)，并出于保守考慮，初步確定控制貫入度為最后連續(xù)兩個(gè)30擊貫入度均小于50 mm，考慮到土質(zhì)不均勻情況，為了確保樁端能入持力層，當(dāng)沉樁貫入度已達(dá)到控制貫入度時(shí)，要求繼續(xù)錘擊50擊，避免沉樁中出現(xiàn)的虛假現(xiàn)象。

3 高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)試驗(yàn)

高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)是通過(guò)分析樁在沖擊力作用下產(chǎn)生的力和加速度，確定樁的軸向承載力，評(píng)價(jià)樁身完整性和分析土的阻力分布等[4]。本項(xiàng)目高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)試驗(yàn)采用美國(guó)PDI公司生產(chǎn)的打樁分析儀（Pile Driving Analyser，PDA），數(shù)據(jù)分析采用CAPWAP軟件。

根據(jù)沉樁情況選擇有代表性的樁進(jìn)行高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)試驗(yàn)，以確認(rèn)其承載力是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，停錘標(biāo)準(zhǔn)是否合理。其中靜載荷試驗(yàn)樁及9根工程樁的高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

高應(yīng)變動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果表明，按上述停錘標(biāo)準(zhǔn)沉樁，即滿(mǎn)足連續(xù)兩個(gè)30擊貫入度小于50 mm的要求，平均貫入度小于1.67，承載力均大于2.5倍工作荷載（10 360 kN）且相差不大，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)承載力要求，說(shuō)明初定的停錘標(biāo)準(zhǔn)是合理的。

從靜載試樁和P11樁復(fù)打結(jié)果對(duì)比來(lái)看，復(fù)打承載力恢復(fù)系數(shù)分別1.09和1.02，側(cè)摩阻力有所提高，端阻力變化較小。

表5 高應(yīng)變CAPWAP分析結(jié)果

4 靜載荷試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)概述

靜載荷試驗(yàn)采用常規(guī)壓重法，用工字鋼作承重臺(tái)架，上部堆疊1 200 t的鋼筋作反力，用對(duì)稱(chēng)安放在樁頂?shù)娜齻€(gè)QF500-20液壓千斤頂分級(jí)頂壓試樁，樁頂?shù)呢?fù)載由油壓表控制，樁頂沉降則由樁周四個(gè)千分表監(jiān)測(cè)，并使用水準(zhǔn)儀和標(biāo)尺進(jìn)行檢查。靜載試樁布置示意如圖2。

圖2 靜載試樁布置示意

4.2 加載步驟

設(shè)計(jì)最大工作荷載為4 144 kN，業(yè)主要求靜載荷試驗(yàn)最大試驗(yàn)荷載為兩倍最大工作荷載，即8 288 kN。壓樁試驗(yàn)分為兩個(gè)循環(huán)，其具體加載、卸載過(guò)程如表6。

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖表

靜載荷試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表 7，其時(shí)間-沉降（lgt-s）曲線(xiàn)分別見(jiàn)圖 3。另外對(duì)靜載荷試驗(yàn)與高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)試驗(yàn)Q-s曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖4。

4.4 承載力分析

由靜載試驗(yàn)結(jié)果可知，循環(huán)一在最大工作荷載下最大沉降量為3.68 mm，殘余沉降量為0.28 mm；循環(huán)二在兩倍最大工作荷載下最終沉降為8.47 mm，殘余沉降量為 0.34 mm。兩個(gè)循環(huán)Q-s曲線(xiàn)斜率相對(duì)一致，且沒(méi)有明顯拐點(diǎn)，lgt-s曲線(xiàn)上也沒(méi)有明顯向下彎曲現(xiàn)象。說(shuō)明樁和樁周土在荷載作用下的變形一直處于彈性變形階段。

因此，該試驗(yàn)樁的極限承載力不會(huì)小于試驗(yàn)最大荷載8 488 kN，同時(shí)也進(jìn)一步驗(yàn)證了停錘標(biāo)準(zhǔn)。

表6 靜載荷試驗(yàn)加載、卸載過(guò)程

表7 靜載荷試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

圖3 靜載荷試驗(yàn)時(shí)間-沉降（lgt-s）曲線(xiàn)

圖4 靜載荷試驗(yàn)樁靜載與動(dòng)測(cè)Q-s曲線(xiàn)

對(duì)比靜載荷試驗(yàn)和高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)結(jié)果，靜載荷試驗(yàn)Q-s曲線(xiàn)明顯更緩，主要原因是靜載試驗(yàn)采用兩倍最大工作荷載，試驗(yàn)結(jié)果表明未達(dá)到樁基極限承載力，屬于驗(yàn)證性試驗(yàn)，而非破壞性檢測(cè)極限承載力試驗(yàn)。另一方面靜載荷試驗(yàn)較高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)晚了將近一個(gè)月，樁土作用有所恢復(fù)，樁側(cè)阻力增加，承載力有所提高。

5 ENR公式修正

根據(jù)上述 ENR公式計(jì)算貫入度和高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知，與試驗(yàn)結(jié)果相比，相同樁基承載力情況下，ENR公式計(jì)算出的貫入度明顯偏大，計(jì)算結(jié)果偏危險(xiǎn)，故不宜在該項(xiàng)目或類(lèi)似項(xiàng)目情況下應(yīng)用?；诖?，建議將原 ENR公式的安全系數(shù)取值做一些修改，為了得到合理的安全系數(shù)，繪制了各組試驗(yàn)的安全系數(shù)變化規(guī)律，如圖5所示。

從圖5可知，高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果的安全系數(shù)在8～10.5之間，將各組次安全系數(shù)取平均值為8.8，故建議將ENR公式中的安全系數(shù)修改為8.8。另外，由于該修改后的 ENR公式只在該項(xiàng)目有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到驗(yàn)證，故其僅供類(lèi)似項(xiàng)目沉樁施工參考，最終的停錘標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)通過(guò)試打樁和試驗(yàn)驗(yàn)證確定。

圖5 高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)試驗(yàn)安全系數(shù)

6 結(jié) 語(yǔ)

1）本項(xiàng)目設(shè)計(jì)樁端土層為強(qiáng)分化片麻巖，通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，采用D128柴油錘，單次打擊能量采用3擋，確定了以貫入度控制的停錘標(biāo)準(zhǔn)為：最后連續(xù)兩個(gè)30擊貫入度均小于50 mm，而后再打50擊終錘。根據(jù)已沉86根樁情況，總錘擊數(shù)基本在900～1 300擊，沉樁效率較好，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)較為合理。

2）當(dāng)設(shè)計(jì)樁端土層為強(qiáng)風(fēng)化片麻巖時(shí)，采用ENR公式計(jì)算結(jié)果偏于危險(xiǎn)，建議將公式中的安全系數(shù)修正為8.8，修正后的ENR公式與試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，可供類(lèi)似項(xiàng)目沉樁施工參考使用。