劉建衛(wèi)，胡興昊

（1.中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524009；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

波動方程可打性分析（以下簡稱可打性分析）是指在打入樁施工前，利用基于波動方程和Smith錘-樁-土動力模型的打樁分析軟件GRLWEAP，通過輸入土層參數(shù)、樁型、設(shè)備型號等參數(shù)，計算得到樁身應(yīng)力、有效能量、承載力隨入土深度變化等相關(guān)信息的過程。它有助于確定樁型、樁錘及沉樁標(biāo)準(zhǔn)，避免沉樁工藝和控制標(biāo)準(zhǔn)選擇不合理而出現(xiàn)沉樁困難或質(zhì)量事故。

目前針對可打性分析已有了較多的應(yīng)用研究[1-6]，但當(dāng)前的研究主要針對國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)體系下的項目，國外工程的案例卻鮮見報道，隨著海上絲綢之路的推進，我國基建企業(yè)在國外承建的碼頭打入樁工程越來越多，歐洲標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱歐標(biāo)）作為海外項目的主要參考規(guī)范，我國工程師不可避免會頻繁遇到。不同的規(guī)范體系有不同的要求，因此有必要對可打性分析在歐標(biāo)體系下的應(yīng)用展開研究。

本文先對歐標(biāo)中有關(guān)可打性分析的內(nèi)容進行解讀，了解歐標(biāo)中可打性分析的特點。隨后分別介紹在歐標(biāo)體系下開展鋼管樁和PHC樁可打性分析的工程案例，對不同類型打入樁工程的可打性分析流程和所發(fā)揮的作用進行分析。

1 歐標(biāo)相關(guān)要求

與中國標(biāo)準(zhǔn)將可打性分析由施工方負責(zé)[7]不同，在歐標(biāo)體系下可打性分析由設(shè)計單位負責(zé)開展，主要參考擠土樁執(zhí)行規(guī)范EN12699[8]中試打樁及樁身應(yīng)力控制的相關(guān)內(nèi)容。

關(guān)于試打樁，EN12699第7.1.4：如果在可打性方面沒有類似經(jīng)驗，則應(yīng)在主要工作開始前在選定地點進行一次或多次打樁試驗。在該條文下的注釋2中建議可在打樁前利用波動方程或類似方法進行可打性研究，有助于確定合適的打樁程序、打樁設(shè)備和打樁應(yīng)力。

在樁身應(yīng)力控制方面，EN12699第7.6.1.2規(guī)定：存在樁身過大應(yīng)力風(fēng)險時，宜提前進行波動方程分析，同時宜進行打樁過程中樁身應(yīng)力測試，以驗證預(yù)測的正確性。

在歐標(biāo)中可打性分析應(yīng)用廣泛，可用于確定打樁程序、打樁設(shè)備和打樁應(yīng)力。同時在打樁開始前進行可打性分析，對打樁工作進行預(yù)估，可避免試驗盲目開始。并且在打樁過程中進行動測試驗，對可打性預(yù)測進行驗證，可以提高可打性分析準(zhǔn)確度。

2 鋼管樁可打性分析工程案例

2.1 工程及地質(zhì)概況

尼日利亞某近海項目為海底輸油管道的登陸棧橋，采用高樁梁板形式，樁基采用直徑1 000 mm，壁厚16 mm的鋼管樁，不同鋼管樁設(shè)計承載力不同，但均要求以密實中粗砂為持力層，工程參考歐洲標(biāo)準(zhǔn)。

樁基位置典型土層分布如表1所示，可知在鋼管樁樁位淺層標(biāo)高0～-6 m附近存在較硬密實砂層，標(biāo)貫擊數(shù)較高，預(yù)估此范圍沉樁困難。

表1 地質(zhì)情況Table 1 Geological conditions

2.2 鋼管樁可打性分析

2.2.1 打樁設(shè)備選擇

因本工程風(fēng)浪大，且對打入樁定位精度要求較高，依歐標(biāo)計劃采用振動錘和沖擊錘相結(jié)合的方法沉樁。先采用振動錘進行定位打入，再換用沖擊錘繼續(xù)打樁至停錘控制標(biāo)準(zhǔn)，但對鋼管樁在振動錘作用下能否進入或穿透淺部硬砂層完成定位工作存在疑問，需在設(shè)備調(diào)運前由可打性分析初步確定。擬采用打樁設(shè)備參數(shù)如表2。

表2 打樁設(shè)備性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of piling equipment

2.2.2 可打性分析

為在打樁前判斷振動沉樁能否進入或穿透硬砂層，并預(yù)估沖擊打樁過程錘擊效率及最大打樁應(yīng)力，在預(yù)選樁錘后，采用打樁分析GRLWEAP軟件，對典型地質(zhì)處的鋼管樁進行了可打性分析，分析結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明：1）振動沉樁可穿透硬砂層，但速度較慢；2）沉樁時樁身最大拉、壓應(yīng)力均在安全范圍；因此可依計劃進行打入樁施工準(zhǔn)備工作。

表3 鋼管樁可打性分析結(jié)果Table 3 Drivability analysis results of steel pipe pile

2.2.3 初定停錘標(biāo)準(zhǔn)

為初步建立以密實中粗砂為持力層時鋼管樁極限承載力與貫入度的關(guān)系。采用打樁分析軟件GRLWEAP中的Bearing Graph功能，分析了液壓沖擊錘在不同的錘芯行程高度（0.8 m和1.5 m）下樁基不同的極限承載力（3 000 kN、4 000 kN、5 000 kN、6 000 kN）與貫入度（或錘擊數(shù)）之間的對應(yīng)關(guān)系，分析結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，當(dāng)沉樁至設(shè)計標(biāo)高時，不同貫入度所對應(yīng)的極限承載力不同，但都滿足設(shè)計承載力要求。由此將該計算貫入度暫定為停錘控制貫入度。

表4 在設(shè)計標(biāo)高時極限承載力-平均貫入度對應(yīng)關(guān)系匯總Table 4 Summary of corresponding relationship between ultimate bearing capacity and average penetration at design elevation

綜上，在打樁施工前初步提出停錘控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）鋼管樁樁尖達到設(shè)計標(biāo)高上30 cm內(nèi)；停錘調(diào)整錘芯行程為1.5 m或0.8 m，根據(jù)鋼管樁承載力設(shè)計極限值檢查最后三振貫入度是否滿足表4中對應(yīng)的貫入度要求。如滿足，結(jié)束施工；如不滿足，應(yīng)通知咨詢工程師確定；

2）如鋼管樁樁尖未達到設(shè)計標(biāo)高，但貫入度滿足要求時，可以停錘，但需進行高應(yīng)變檢測。

2.3 鋼管樁試打樁及動測驗證

為驗證以上分析結(jié)果，在大規(guī)模施工前期開展了2根鋼管樁的試打工作，同時進行了高應(yīng)變?nèi)虅訙y和至少7 d后的復(fù)打試驗，各試打樁施工及動測情況見表5。

表5 鋼管樁試打施工資料及動測結(jié)果Table 5 Testing pile construction data and dynamic test resultsof steel pipe pile

由表5可知，各試打樁在貫入度滿足停錘標(biāo)準(zhǔn)后，承載力均滿足設(shè)計要求。且振動下沉速度、錘擊效率、樁身最大應(yīng)力等均與可打性分析差距不大，證明了可打性分析結(jié)果的合理性。而后將可打性分析及試樁成果隨打入樁施工方案一同提交，得到了工程各方的一致認可。

3 PHC樁可打性分析工程案例

3.1 工程及地質(zhì)概況

坦桑尼亞某港口改擴建項目，樁基形式為B型PHC樁，樁徑分別為800 mm和1 000 mm，有直樁和斜樁兩種形式，工程參考歐洲標(biāo)準(zhǔn)。項目地質(zhì)情況如表6所示，可見各層土標(biāo)貫擊數(shù)均較高，預(yù)估可能會給PHC樁的沉樁施工帶來困難。

表6 地質(zhì)情況Table 6 Geological conditions

3.2 PHC樁可打性分析

3.2.1 樁錘及樁端形式確定

根據(jù)施工資源及現(xiàn)場要求，有2種沖擊錘可供選擇。依規(guī)范要求采用打樁分析軟件GRLWEAP對2種錘型進行了可打性分析，計算樁均為樁徑800 mm的直樁，但依據(jù)樁端有無鋼樁靴設(shè)置2種計算樁型，以考察本項目PHC樁是否需要設(shè)置鋼樁靴，入土深度為22 m。經(jīng)分析可知，在任一樁錘施工時，無樁靴PHC樁在入土3～5 m左右即出現(xiàn)拒錘，同時樁身應(yīng)力超過正常范圍，因此本項目PHC樁樁端應(yīng)設(shè)置成鋼樁靴形式。表7為不同樁錘條件下PHC直樁和鋼樁靴的組合形式樁的可打性結(jié)果。

表7 樁錘資料及可打性分析結(jié)果Table 7 Hammer data and drivability analysis results

由表中可知：1）兩樁錘均能將帶鋼樁靴的PHC樁打至計算標(biāo)高，且貫入度均在正常范圍內(nèi)，但樁身最大拉、壓應(yīng)力較大，需引起重視；2）錘重的減小對樁身拉壓應(yīng)力影響不大，但會減小貫入度，令總錘擊數(shù)明顯增加，將增加施工風(fēng)險。綜上建議選用YC30錘，采用重錘低擊方法沉樁，以避免樁身損壞。

3.2.2 可打性分析及樁身應(yīng)力

在選定樁錘后，為考察在低跳高時PHC樁，特別是斜樁的穿透能力以及樁身應(yīng)力情況，對不同樁徑直樁、斜樁進行了可打性分析。分析結(jié)果表明：1）斜樁可沉樁至設(shè)計標(biāo)高，但錘擊數(shù)較多；2）樁身拉應(yīng)力隨入土深度增加逐漸減小，壓應(yīng)力則逐漸增大，但打樁過程樁身拉壓應(yīng)力都在安全范圍；3）在沉樁初期，樁身拉應(yīng)力較大，應(yīng)予以關(guān)注，降低跳高；4）當(dāng)未到設(shè)計標(biāo)高，出現(xiàn)貫入度＜3 mm/擊時，承載力即能滿足設(shè)計要求。具體計算結(jié)果見表8。

表8 PHC樁可打性分析結(jié)果Table 8 Drivability analysisresultsof PHC

3.2.3 初定停錘標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)可打性分析結(jié)果，在施工前初步提出以下停錘控制方法：

1）在0.3 m跳高下，連續(xù)三振平均貫入度≤5 mm/擊，且達到設(shè)計高程，可以停錘；如貫入度＞5 mm/擊，應(yīng)繼續(xù)錘擊至貫入度≤5 mm/擊方可停錘；

2）未達到設(shè)計高程，0.3 m跳高連續(xù)三振平均貫入度≤5 mm/擊，且樁尖距設(shè)計高程≤1.0 m，可以停錘；

3）樁尖距設(shè)計高程≥1m，平均貫入度≤3 mm/擊，需進行高應(yīng)變檢測承載力滿足后可停錘。

3.3 PHC樁試打樁及動測驗證

為驗證以上分析結(jié)果，在施工前期開展了3根PHC樁的高應(yīng)變?nèi)虅訙y，在7 d后還進行了動測復(fù)打試驗，各PHC樁試打施工資料及動測結(jié)果見表9，對比可見本工程可打性分析結(jié)果具有一定的合理性，不僅有助于選擇樁錘及樁端形式，在選擇安全的沉樁方式和合理的沉樁標(biāo)準(zhǔn)等方面也能發(fā)揮重要作用。

表9 PHC樁試打施工資料及動測結(jié)果Table 9 Testing pile construction data and dynamic test results of PHC

4 結(jié)語

1）可打性分析在歐標(biāo)體系打入樁工程中應(yīng)用廣泛，可用于預(yù)估打樁過程，確定打樁程序、打樁設(shè)備和打樁應(yīng)力。

2）本文所介紹鋼管樁和PHC樁可打性分析的過程和成果，均得到國外咨詢公司及業(yè)主的認可，保證了打樁工作的順利實施。表明在歐標(biāo)體系的項目中，可打性分析具有幫助項目合理選擇打樁設(shè)備、樁端形式以及施工順序，初步確定停錘標(biāo)準(zhǔn)，控制打樁風(fēng)險等作用，是被規(guī)范及國外工程師接受的，可為工程順利進行提供幫助。