陳章宇

（中交四航工程研究院有限公司，廣東廣州，510230）

引言

高樁碼頭適用于大水深碼頭，樁基可達泥面以下數十米深，對地質條件的適應能力較強。在地質良好的情況下，樁基入土十幾米即可得到承載要求。在地質軟弱的情況下，樁基可穿過表層的軟弱土層，直至砂土密實、堅硬的持力層。樁基礎對上部結構起到支撐作用，保證上部結構的穩(wěn)定性。樁基礎的重要性不言而喻，也是碼頭施工過程中最受關注的一部分[1]。樁基施工過程中，常常通過靜載試驗、高應變試驗等方法檢測樁基是否符合承載力要求。

1 工程概況

某在建散貨船泊位，碼頭岸線310.1 m，引橋長約880 m，碼頭、引橋擬采用樁基礎。引橋單跨長度16 m，橫向由兩根預制混凝土樁支撐，樁頂設有樁帽和橫梁，跨間設預應力空心板，橋面為150 mm 厚現澆混凝土。預制混凝土樁樁徑1 m，泥面標高約1.3 m，設計樁底標高-36.5 m，設計終錘貫入度 6～10 mm。#E58 號樁實際終錘樁底標高-36.6 m，沉樁錘擊數109 錘，實際終錘貫入度100 mm，施工樁錘錘型為D-128。設計單位出具的設計報告顯示，引橋結構樁頂設計軸向壓力為3 608 kN，單樁軸向抗壓極限承載力設計值為5 503 kN，滿足承載力要求。沉樁十三天之后，進行現場高應變法檢測，試驗結果顯示該樁單樁軸向抗壓承載力標準值為5 070 kN，除以1.55 的分項系數得承載力設計值為3 271 kN，小于設計要求。

本文討論的樁基見圖1 中#E58 號樁。同一橫梁底下另一側的樁基編號為#B58，其相鄰一跨與#B58號樁同側的樁基編號為#B57。

圖1 引橋局部立面圖

2 鉆孔資料與樁基設計要求

2.1 鉆孔資料

在勘探深度范圍內，場地土層自上而下分為8個主層，①、②、③為第四紀全新統(tǒng)（Q4），④、⑤、⑥為第四系下更新統(tǒng)湛江組（Q1z），⑦為上新統(tǒng)南康組上段（Nn2），⑧為新近系中新統(tǒng)南康組下段（Nn1）。

鉆孔顯示：

②淤泥質砂土（Q4）：標高1.3～-3.95 m，松散～稍密，飽和，夾生物碎屑，石英砂含量為主，淤泥含量約占20 %，級配較差，砂的分選性一般。標貫N=8～10 擊。

④粉質黏土（Q1z）：標高-3.95～-8.65 m，飽和，可塑～硬塑，刀切面較光滑，干強度一般，韌性中，無搖震反應，無光澤。標貫N=7～9 擊。

⑥粉細砂（Q1z）：標高-8.65～-24.85 m，松散～稍密，飽和，石英粉砂、細砂為主，粘性土顆粒次之，手搓砂感不明顯，可塑性低。標貫N=7～13 擊。

⑦粉細砂（Nn2）：標高-24.85～-31.65 m，灰綠、墨綠色，稍密～中密，飽和，石英粉砂、細砂為主，含少許粘性土顆粒，手搓有明顯砂感。標貫N=13～15 擊。

⑧泥巖（Nn1）：標高-31.65～-51.85 m，可塑～硬塑，飽和，以黏性土顆粒含量為主，半成巖結構次之，巖芯多呈長柱狀，風干后見巖性結構、裂隙較發(fā)育，干強度較高，刀切面光滑，原狀樣呈黏土狀。標貫N=18～26 擊，#E58 號樁底標高-36.6 m處標貫約為20 擊，#E57 號樁底標高-43.2 m 處標貫約為22 擊。

總體而言該處地質較為軟弱，鉆孔終孔高程-51.85 m，標貫仍小于30 擊，設計樁底標高-36.5 m處標貫僅為20 擊，泥巖層呈可塑-硬塑狀，巖體結構已基本破壞，性質類似于黏性土，該土層無法提供足夠的端阻力，樁基承載力主要由側摩阻力提供。上覆約23 m 厚的粉細砂層，密實度為松散到中密；泥面以下依次為淤泥質砂土與粉質黏土，其中淤泥質砂土松散，級配差，粉質黏土為可塑-硬塑狀，標貫均小于10 擊。泥面至部分粉細砂層鉆芯呈破碎狀，深層泥巖完整性差、巖體結構基本破壞，呈黏土狀，具有可塑性。

2.2 設計承載力計算

各土層單位面積承載力標準值如表1 所示。

表1 樁的極限端阻力qpk 及極限側阻力qsik

按《港口工程樁基規(guī)范》[2]，預制混凝土管樁軸向抗壓承載力設計值按下式計算：

式中：Qd為單樁軸向承載力設計值(kN)；γR為分項系數；U為樁身截面外周長(m)；qfi單樁第i層土的極限側摩阻力標準值(kPa)；li為樁身穿過第i 層土的長度(m)；η為承載力折減系數；q R為單樁極限端阻力標準值(kPa)；A為樁端外周面積(m2)。

引橋樁頂設計軸壓力為3 608 kN，根據表1 取值，基于-36.5 m 的設計樁底標高和6～10 mm 的設計終錘貫入度，計算得樁基單樁抗壓極限承載力設計值為5 503 kN。

3 高應變法檢測

3.1 高應變檢測結果

對四根預制混凝土樁進行了高應變法檢測，分別為#E58、#B58、#B57 和#E57，四根樁基的檢測信息如表2。

表2 高應變法檢測結果

限于篇幅，下文僅列出#E58 號樁實測速度和力曲線（見圖2）和樁側摩阻力和樁端阻力（見圖3）。從實測波形看出，#E58 號樁在樁端出現力曲線異相反射和速度曲線同相反射，表明該樁未能進入良好持力層，樁端土層較差。

圖2 實測速度和力曲線

圖3 樁側摩阻力和樁端阻力

由表2 可見，#E58、#B58、#B57 三根樁沉樁之后第5～7 天的承載力標準值分別為4 399 kN，4 236 kN 和4 198 kN，較為接近，其中#E58 號樁由于入土稍深結果稍大，此三個試驗均可反映鉆孔ZK2 的樁基承載力。#E58 沉樁之后第7 天的復打和第13 天的復打，承載力標準值分別為4399kN 和5 070 kN，說明此期間樁基承載力有所恢復。#B57號樁在沉樁26 天之后進行第二次復打，相比#E58號樁第13 天的復打結果其承載力又有相當的增加。#E57 號樁入土較其他樁深約7 m，承載力有明顯增加，其第5 天的復打結果顯示承載力標準值達到6 924 kN。

3.2 結果分析

為方便討論，下文均以承載力設計值進行對比，檢測結果標準值則除以分項系數1.55 得單樁抗壓承載力設計值。

引橋樁基承載力設計值要求達到3 608 kN，檢測結果顯示#E58 號樁單樁豎向抗壓承載力設計值為5 070/1.55=3 271 kN，小于要求承載力，相比設計單位提的承載力設計值5 503 kN 小41 %，偏差較大。而#B57 號樁承載力設計值為5 623/1.55=3 628 kN，勉強滿足要求承載力；#E57 號樁6 924/1.55=4 467 kN，滿足設計要求承載力。

4 樁基承載力分析

4.1 終錘貫入度

截取各樁沉樁記錄中貫入度小于200 mm 的數據進行對比（見圖4），可見各樁在沉樁至約-36 m標高（±0.5 m）時，貫入度均約為100 mm（±12 mm），除#E57 號樁外，各樁在此終錘；#E57 號樁樁長為49 m，較其他各樁長6 m，入土深度比其他各樁深約7 m，其終錘底標高為-43.2 m，終錘貫入度為13 mm。

圖4 各樁沉樁貫入度

#E58、#B58 和#B57 號樁實際終錘貫入度約為100 mm，該貫入度偏大，一般難以保證樁基有足夠的承載能力。按照《港口工程樁基規(guī)范》（下文簡稱樁基規(guī)范），設計樁端土層為硬塑狀黏性土或粉細砂時，應首先以高程控制，當樁端已打到設計高程而貫入度仍較大時，應繼續(xù)錘擊使其貫入度接近控制貫入度。初步可判斷，該四根樁雖已沉樁至設計底標高，但是終錘貫入度與設計要求有較大差距，這是設計單位提供的設計承載力大于高應變檢測結果的一個原因。

4.2 按地質土層樣本評估設計承載力計算參數

從鉆孔資料可知，持力層為泥巖，然而其狀態(tài)為可塑-硬塑，應已呈全風化狀態(tài)，不可視為巖，應當成黏性土看待。由勘察報告可知，該泥巖層塑性指數IP=27.7，液性指數IL=0.3，由樁基規(guī)范查表可知塑性指數大于17，液性指數0.3 的黏土土層深度30～35 m，打入樁單位面積極限樁端阻力標準值約為1 650 kPa，單位面積極限側摩阻力標準值（下文簡稱側摩阻）為70 kPa?？梢娫O計單位取值（見表1）3 500 kPa 和80 kPa 明顯偏大，屬于風化程度不高的泥巖承載力取值。

②淤泥質砂土，該層以砂為主，級配較差，密實度較低，在天然狀態(tài)下具有一定的強度，但一旦擾動，土體結構極易破壞。該層標貫僅為7～10 擊，按《巖土工程勘察規(guī)范》[5]，標準貫入錘擊數小于10 擊，可分類為松散砂土，樁基規(guī)范中僅給出稍密及以上細砂、粉砂的承載力標準值，筆者按稍小于稍密細砂、粉砂進行取值，考慮到淤泥含量、級配與高靈敏度，取土層深度2～4 m 處淤泥質砂土層側摩阻為15 kPa。

④粉質黏土，由勘察報告可知，該層塑性指數IP=11.3，液性指數IL=0.56，樁基規(guī)范粉質黏土液性指數在0.5～0.75，土層深度6～8 m 處粉質黏土側摩阻為40～47 kPa，取45 kpa。

⑥粉細砂，該粉細砂層標貫7～13 擊，為松散～稍密狀態(tài)，樁基規(guī)范中給出土層深度16～19 m 處稍密細砂、粉砂側摩阻為44～52 kPa，此處取側摩阻為32 kPa。

⑦粉細砂，該粉細砂層標貫13～15 擊，按《巖土工程勘察規(guī)范》可取為稍密狀態(tài)，按樁基規(guī)范取土層深度26～30 m 處粉細砂側摩阻為50 kPa。

對比表1，可知表1 承載力標準值取值偏大，這是設計單位提供的設計承載力大于高應變檢測結果的另一個原因。根據以上承載力參數，按樁基規(guī)范預制混凝土管樁軸向抗壓承載力設計值計算公式，取分項系數為1.55，樁底標高為第二次復打時的樁底標高-36.72 m，考慮到樁端泥巖軟弱，樁端難以形成密實的土塞，樁端承載力折減系數取0.30，得設計承載力為3 290 kN；而高應變檢測顯示#E58 號樁距離沉樁13 天時單樁豎向抗壓承載力設計值3 271 kN，二者均小于要求的承載力設計值3 608 kN。按同樣的參數計算入土較深的#E57 號樁，得設計承載力為4 210 kN，計算中其增加的承載力由泥巖層樁側摩阻力提供。

對于入土較深的#E57 號樁，雖其終錘貫入度仍小于設計終錘貫入度，也小于樁基規(guī)范中相應錘型的終錘貫入度，然而重新復核計算的設計承載力與高應變檢測結果均顯示其可滿足設計承載力要求，筆者認為設計單位應根據此樁適當調整引橋設計樁底標高，沉樁以高程控制，并以高應變檢測驗證承載力。原設計中的設計終錘貫入度要求可適當放寬。

4.3 超靜孔隙水壓力恢復對承載力的影響

由于樁基所處地質存在軟黏土層、黏土狀泥巖，沉樁的擾動將引起樁表面的粘土大范圍重塑，產生超靜孔隙水壓力，導致承載力下降。超靜孔隙水壓力的消散可能持續(xù)一二十天至數月[6]，此過程中黏土層排水重固結，承載力將有所提升。

由于#B57、#E57 號樁的沉樁，樁船已無法靠近#E58 號樁進行第三次高應變復打檢測；而#B57號樁僅進行了第5 天和第26 天的復打檢測?？紤]到二者分別在第5 天、第7 天時承載力接近，取#E58、#B57 兩根樁基共四次復打數據進行對比（見圖5）。

圖5 承載力恢復過程

由于樣本小，且為不同樁基的數據結合，無法進行定量分析，然而從多項式擬合曲線仍可看出，距離沉樁約兩周時，樁基承載力有相當程度的恢復，隨后承載力增長速率趨緩，約為三周時，承載力基本穩(wěn)定。若以#B57 號樁第26 天復打顯示的承載力來評估鉆孔ZK2 附近樁基的承載力，5 623/1.55=3 628 kN，勉強滿足設計要求。但從工程角度上來說，基礎的承載力應有充分的富余，以防計算、檢測及經驗上缺乏對未知因素的考慮或不可預見的偶然荷載的發(fā)生，一方面本工程地質極為軟弱，另一方面工程經驗上未曾有過通過如此長的恢復周期來考慮基礎承載力的先例，這樣的評估從某種程度上來說是極為激進的。對于打入樁，國標《港口工程樁基規(guī)范》中最大取安全系數為1.55，而對于國外標準，如歐標BS EN 1997，由高應變評估壓樁力的安全系數約為1.5*1.94/0.85≈2.47，其中1.5為壓樁力抗力分項系數，1.94 為相關系數，隨高應變檢測樁數增加而減少，最小取1.81。0.85 為試驗系數，取決于高應變中信號的處理方式，一般可取0.85?？梢?，國標的分項系數遠小于歐標規(guī)定。筆者并不認為應采用歐標方法進行校核，僅從分項系數上進行對比，說明1.55 的分項系數并非一個“安全”與“不安全”之間的絕對界限。

4.4 樁基承載力判斷與建議

通過分析地質鉆芯樣本重新計算樁基承載力、對比該鉆孔附近樁基的高應變結果可以做出以下判斷：#E58 號樁及相似終錘底標高的各樁，即使在孔隙水壓力完全消散之后，樁基所能發(fā)揮的承載力仍可能小于結構可能承受的極限荷載，如果不采取措施，引橋可能在使用期承受極限荷載，導致樁基下陷失效，進而橋面結構損壞甚至導致人員傷亡。建議設計單位應復核樁基設計承載力，根據沉樁記錄與檢測結果適當降低設計樁底標高，后續(xù)樁基應以重提的設計底標高控制為主，終錘貫入度建議在10～20 mm 之間，以高應變檢測作為承載力驗證方法，增加樁基檢測數量，高應變應以合適的復打天數為準，建議不應超過二周，以確保樁基可達到設計要求承載力。

5 結語

1）#E58 號樁及相似終錘底標高的各樁，樁底標高達設計要求，但終錘貫入度大于設計要求，導致樁周土無法充分發(fā)揮承載力；設計單位選取的極限側摩阻力標準值偏大，這兩個因素導致樁的實際承載力小于預想；

2）設計單位在進行樁基承載力設計時，應對土層情況、地質鉆孔樣本有基本了解，不可脫開地質實際狀況進行設計計算，尤其不可見到“巖”就認為該層可提供可觀的承載力。

3）沉樁過程中應密切關注終錘要求，不可籠統(tǒng)認為砂性土貫入度控制、黏性土標高控制。當終錘底標高達到設計樁底標高而貫入度仍未達標時，應及時聯系設計單位，由設計單位進行評估，并采取相應的后續(xù)措施，切勿擅自移船進行其他樁基的沉樁，以免破壞此樁基的可施工條件；

4）在地勘準確、設計合理的情況下，現場試驗依然是必不可少的。規(guī)范給出的承載力要求為多年來多地區(qū)情況總結給出的建議值，固然有較大的可靠性，然而樁土之間的相互作用關系是復雜的、每個實際工程的地質情況都有其特異性，沉樁過程可能對地質本身會產生不利影響，重塑土能否達到原狀土的強度，種種因素都可能使得計算得出的設計承載力與實際承載力有一定程度的偏差，這也是規(guī)范一再強調靜載試驗、高應變試驗的原因。