張召彬 張開偉，2 趙海超 劉慶宇 周仕皓

（1.河北雙誠建筑工程檢測有限公司，河北石家莊 050031；2.中冀建勘集團有限公司，河北石家莊 050031）

0 引言

試驗樁測試是為工程樁設(shè)計計算提供必要的設(shè)計依據(jù)參數(shù)和后期工程樁驗收提供科學(xué)依據(jù)[1?3]。目前，樁基檢測領(lǐng)域研究人員在鋼管樁的成樁機理、動力打樁公式分析、試打樁分析（樁身土體恢復(fù)特征、樁端閉塞效應(yīng)等時效性）、樁身內(nèi)力測試等方面取得了重要研究成果。劉長健通過對鋼管樁荷載傳遞機理研究總結(jié)出了極限承載特性的經(jīng)驗公式[4]；周厚林分析了樁端蔽塞效應(yīng)和截面尺寸效應(yīng)對大直徑鋼管樁的承載特性的影響[5]；胡興昊等通過研究不同休止期鋼管樁承載力恢復(fù)過程，得到土體恢復(fù)系數(shù)不斷提高，恢復(fù)到一定程度趨于平穩(wěn)的結(jié)論[6]；賈慶德等研究了進入風化巖的開口鋼管樁，沉樁過程中對樁周土體和樁端土體的強度破壞較小，土體強度恢復(fù)較快[7]；王君輝等基于樁周土與鋼管樁樁端閉塞效應(yīng)關(guān)系，對鋼管樁樁端承載力計算方法提出了新思路[8]；周立運等通過動力與靜力試驗分析了鋼管樁的承載特性[9]。

當前鋼管樁研究和試驗中存在的不足之處包括：（1）大直徑開口鋼管樁樁端閉塞效應(yīng)分析沒有統(tǒng)一的方法[4?5]；（2）對于海上鋼管樁滿足休止期后進行靜載試驗和高應(yīng)變復(fù)打測試，工程造價高，操作困難[5]；（3）海上鋼管樁時效性研究應(yīng)用于實際工程中不多。

本研究依托孟加拉某電廠碼頭鋼管樁試樁項目，利用鋼管樁的高應(yīng)變動力測試方法和樁身內(nèi)力測試方法，分析鋼管樁的承載性狀、樁端閉塞效應(yīng)和預(yù)測樁的承載力。對2根大直徑開口鋼管樁進行初打監(jiān)測，結(jié)合7 d、14 d和28 d等不同休止期的高應(yīng)變復(fù)打測試，分析大直徑開口鋼管樁打入完成后樁身受力狀況的恢復(fù)情況，并在工程中提出了以高應(yīng)變動力復(fù)打檢測、初打監(jiān)測結(jié)果之比作為樁體受力恢復(fù)系數(shù)，以高應(yīng)變監(jiān)測承載力乘以樁身土體恢復(fù)系數(shù)和終錘貫入度、每米錘擊數(shù)來預(yù)測工程樁28 d樁身承載力的技術(shù)方法。利用抗壓靜載檢測技術(shù)驗證該方法的精準性，同時進行鋼管樁樁身內(nèi)力測試，分析端阻與摩阻發(fā)揮情況，分析樁的變形特性。結(jié)合高應(yīng)變動力分析和樁身內(nèi)力分析結(jié)論，研究沿海區(qū)域鋼管樁的承載特性，以及利用內(nèi)力測試得到的端阻和樁端位移分析樁端閉塞效應(yīng)，為正式的工程樁提供有效的設(shè)計思路與參考依據(jù)。

1 工程與試驗概述

1.1 工程概況

孟加拉某電廠碼頭采用樁基礎(chǔ)，樁基設(shè)計擬采用樁徑為1000 mm的大直徑開口鋼管樁，共布置工程樁224根，試驗樁2根。試樁目的：（1）獲取在該試驗場地條件下，鋼管樁的單樁豎向抗壓承載力容許值，測定鋼管樁樁周土在極限狀態(tài)下的實際發(fā)揮側(cè)阻力和端阻力；（2）評價樁的荷載-變形特征；比對初打測試，復(fù)打測試的鋼管樁承載力，分析該試驗區(qū)域?qū)?yīng)樁的土體恢復(fù)情況；（3）分析樁端閉塞效應(yīng)；（4）為工程樁的錘擊系統(tǒng)選擇、打樁技術(shù)和終錘條件的確定提供有效的參考資料。

1.2 地勘分析

擬建項目場地表層為吹砂回填土層。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)鉆探、原位測試及室內(nèi)試驗結(jié)果，在開口鋼管樁樁長范圍內(nèi)，原狀地層由上而下主要是①粉質(zhì)黏土、①1砂、①2粉質(zhì)黏土、②粉質(zhì)黏土、③粉質(zhì)黏土及粉土、③1砂、③2砂、③3砂、④粉質(zhì)黏土、⑤黏土、⑤1粉質(zhì)黏土、⑤2粉土、⑤3致密砂層。地層力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地層力學(xué)參數(shù)

結(jié)合巖土力學(xué)參數(shù)特征分析，樁身摩阻隨深度的增加不斷增大，主要持力層在第⑤層以下，樁端可位于⑤3層。

1.3 試驗簡述

本次試樁，在7#、10#鉆孔附近，以相同的成樁工藝，共施工完成了2根試驗樁和8根錨樁，樁端進入致密砂層中，設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 鋼管樁設(shè)計參數(shù)

高應(yīng)變動力測試信號采集設(shè)備采用武漢巖海工程技術(shù)有限公司RS-1616K(S)打樁分析儀，對試樁進行初打和復(fù)打，檢測試驗獲得鋼管樁承載性狀、土體恢復(fù)系數(shù)和樁端閉塞效應(yīng)等參數(shù)。利用鋼管樁樁身內(nèi)力測試技術(shù)，在單樁豎向抗壓靜載試驗逐級加載過程中監(jiān)測并聯(lián)焊接在樁身振弦式傳感器（鋼筋計），觀測傳感器的頻率變化，計算樁身軸力、摩阻與端阻等，進而分析大直徑開口鋼管樁的承載性狀和分析樁端閉塞效應(yīng)狀況[3,10?11]。

2 鋼管樁高應(yīng)變動力測試分析

2.1 高應(yīng)變動力測試技術(shù)

高應(yīng)變動力測試技術(shù)，是通過自由錘擊給予樁頂一豎向的錘擊力，使樁身發(fā)生向下2～6 mm的移動，并在距樁身頂部不少于1.5D的地方，樁體兩側(cè)軸線上固定四個傳感器，觀測樁身加速度和應(yīng)變變化，分析樁體完好情況和樁周土的受力分布特征的動力測試方法[2,12?14]。

（1）跟樁監(jiān)測

自打樁的最后3 m起，每1 m進行高應(yīng)變跟蹤監(jiān)測，并通過凱斯法（Case法）計算，實時監(jiān)測分析打樁過程中的承載力變化情況[11]。

（2）復(fù)打測試

高應(yīng)變復(fù)打試驗，是在初打試驗結(jié)束后休止期7 d、14 d和28 d時進行復(fù)打測試，試驗結(jié)束后，利用CAPWAPC法，以一條實測曲線為基礎(chǔ)，對樁身各段地層參數(shù)進行設(shè)定，多次循環(huán)迭代，得到樁土各項參數(shù)[2,14]。

2.2 土體恢復(fù)系數(shù)

鋼管樁在錘擊沉樁過程中，樁端與樁側(cè)對樁周土的的沖切與排土作用打破了土體的內(nèi)力平衡，使土體內(nèi)部破壞失穩(wěn)。沉樁結(jié)束后，在諸多外界動力作用下，隨著休止期增長，樁側(cè)土體受力重新恢復(fù)到相互平衡，進一步提高樁身受力[4?6]。

樁身土體恢復(fù)系數(shù)定義為，樁周土體恢復(fù)平衡后的樁身極限承載力與沉樁完成后的樁身極限承載力的比值。

2.3 樁端閉塞效應(yīng)

大直徑開口鋼管樁在沉樁過程中，下端土層由于工程地質(zhì)條件不同，一是被樁身壓向外側(cè)，二是進入樁內(nèi)形成土拱，受到鋼管樁管壁內(nèi)側(cè)動摩阻力的影響，進行土體壓縮，使樁端不斷閉合，改變樁的受力狀況，因此判定鋼管樁是否產(chǎn)生樁身閉塞狀況，是分析鋼管樁承載特性重要的因素[4?6]。

3 鋼管樁樁身內(nèi)力測試技術(shù)

樁身內(nèi)力測試技術(shù)是在試驗樁樁身安裝可以用于測試樁身形變特性的傳感器，通過樁身變形反映樁身內(nèi)力變化特征，從而理想化地差分計算樁身摩阻及樁身變形的方法[3?5]。

3.1 傳感器的選擇與安裝

本次鋼管樁內(nèi)力測試采用振弦式傳感器（鋼筋計），考慮到地層變化較為復(fù)雜，振弦式傳感器（鋼筋計）的布置按照地層分層布置，每個地層對稱安裝振弦式傳感器（鋼筋計）2支。振弦式傳感器（鋼筋計）的焊接采用特殊并聯(lián)連接形式（兩端與鋼管樁焊接），焊接時采用濕布冷卻處理，防止拉桿與鋼管樁樁壁焊接時溫度過高，損壞傳感器元件[2]。

本次抗壓靜載荷試驗最大加載量為7660 kN，鋼管樁的彈性模量為2.06×108kPa，計算樁頂最大應(yīng)變?yōu)?05 με，故可選振弦式傳感器（鋼筋計）的變化范圍±1000 με；測量精度≤1 με，滿足試驗所需要的條件。傳感器的布置方式可以分析每層土的側(cè)摩阻力以及樁端阻力，傳感器精度可以滿足測試需要的量程與分辨率，故采用振弦式傳感器（鋼筋計）測試分析大直徑鋼管樁的承載性狀是可行的。

3.2 內(nèi)力測試計算

（1）傳感器受力換算

式中：vi為振弦式傳感器受力后的讀數(shù)，Hz；v0為振弦式傳感器受力前的讀數(shù)，Hz；k為振弦式傳感器標定系數(shù)，kN/Hz2；q為振弦式傳感器實測力，kN。

（2）樁身應(yīng)變計算

式中：ε為應(yīng)變值； As為 傳感器標稱截面積，m2；Es為 傳感器標稱彈性模量，kPa。

（3）樁身軸力計算

式中：Ti,z(j)為 距離樁頂 z(j)深 度時，第i級荷載作用下樁的軸力，kN；εi,z(j)為 第i 級 荷載作用下，深度為 z(j)的應(yīng)變；Ecs為鋼管樁彈性模量（2.06×108kPa）。

（4）摩阻計算

式中： fi,z(j)為第i 級 荷載作用下，樁身第 j段側(cè)摩阻，kPa； z(j)、 z(j?1)為 自樁頂起算第j、 j?1測試截面的深度，m；Ti,z(j)、Ti,z(j?1)為 距離樁頂 z(j)、 z(j?1)深度時第i級荷載作用下樁的軸力，kN；d為樁直徑，m。

4 實際案例分析

4.1 荷載-沉降曲線特征分析

休止期28 d后，參照孟加拉標準（BNBC?2015），對2根鋼管樁試驗樁，通過美標單樁豎向抗壓靜載試驗方法[15]測定大直徑開口鋼管樁的豎向抗壓極限承載力，試驗成果曲線見圖1。

圖1 Q-s關(guān)系曲線

荷載-沉降曲線形態(tài)變化平緩，樁身頂部最大位移14.14 mm，未超過150 mm（15%D），試驗樁沒有達到破壞，S1與S2曲線形態(tài)基本接近，說明兩根試驗樁樁身受力狀況相近。

按孟加拉標準(BNBC?2015)，容許承載力取值方法：①取樁身頂部總向下位移為12 mm時對應(yīng)載荷的2/3；②對于樁身均勻取位移等于0.1D(D為樁身直徑)時相應(yīng)1/2倍的載荷，對于擴底樁取位移等于0.075D（D為擴底部分直徑）時相應(yīng)1/2倍的載荷[16]，判定承載力（見表3）。

表3 承載力成果

4.2 樁周總阻力分析

28 d高應(yīng)變動力測試CAPWAPC法計算所得樁周總阻力和樁身內(nèi)力測試計算所得總阻力見圖2。

圖2 側(cè)阻力、端阻力占比（阻力/占比）

結(jié)合大直徑開口鋼管樁的樁身內(nèi)力法測試與CAPWAPC法擬合結(jié)果，當鋼管樁豎向受力達到該狀況下的極限狀態(tài)時，統(tǒng)計得到鋼管樁的樁側(cè)阻力和樁端阻力占極限載荷的百分比，統(tǒng)計得出樁端樁端阻力占比范圍為4.1%～4.7%，據(jù)此判斷該組試驗樁的樁身承載類型為摩擦樁。同時兩種方法得到的側(cè)摩阻力與端阻力的測試結(jié)果基本一致，說明基樁高應(yīng)變動力檢測技術(shù)可以用于分析工程樁的受力狀況。

4.3 樁身承載力恢復(fù)過程分析

分別對2根試驗樁完成初打測試，7 d、14 d、28 d的復(fù)打測試，得到樁身土體的恢復(fù)情況（見表4）。

表4 樁周土體恢復(fù)情況統(tǒng)計

隨著時間推進，土體恢復(fù)系數(shù)與休止期存在如下關(guān)系式：

式中：K為土體恢復(fù)系數(shù)；d為休止期，d。

結(jié)果表明從初打測試到休止期結(jié)束，隨時間推進，土體逐漸恢復(fù)到平衡狀態(tài)，恢復(fù)過程中，恢復(fù)速率逐漸降低，但是承載力逐漸提高（見圖3）。

圖3 休止期-土體恢復(fù)系數(shù)擬合曲線

4.4 初打承載力與每米錘擊數(shù)的關(guān)系分析

綜合2根試驗樁高應(yīng)變動力測試結(jié)果和靜載測試結(jié)果來看，該區(qū)域的鋼管樁受力特征基本接近，據(jù)此統(tǒng)計分析出2根樁進入持力層最后3 m的每米錘擊數(shù)與初打承載力的相關(guān)關(guān)系（見圖4）。

圖4 每米錘擊數(shù)-承載力擬合曲線

將初打極限承載力和每米錘擊數(shù)的擬合結(jié)果乘以土體恢復(fù)系數(shù)即得出鋼管樁極限承載力預(yù)測值，相關(guān)關(guān)系見式（6）：

式中：Q為極限承載力；n為每米錘擊數(shù)；K為土體恢復(fù)系數(shù)。

4.5 樁端閉塞效應(yīng)分析

通過對大量鋼管樁樁身內(nèi)力測試與高應(yīng)變動力測試資料統(tǒng)計分析，得出樁端閉塞效應(yīng)判定規(guī)律（見表5）。

表5 鋼管樁閉塞效應(yīng)判定

由于地基土的恢復(fù)效應(yīng)與土的物理力學(xué)性質(zhì)及地質(zhì)條件相關(guān)，因此本方法需要綜合考慮工程地質(zhì)條件、工程試驗成果參數(shù)和打樁參數(shù)等因素分析樁端閉塞效應(yīng)。

本次試樁工程中，樁端面積As為0.785 m2，樁壁面積Asg為0.0615 m2，樁的極限端阻力標準值qpk為2500 kPa。利用內(nèi)力測試法和CAPWAPC法分別可以計算獲取端阻力Qp，并計算判定樁端閉塞情況（見表6）。

表6 S1、S2閉塞效應(yīng)判定結(jié)果

根據(jù)兩種方法得到的結(jié)果，結(jié)合荷載-沉降曲線變化平緩特征，可判定該區(qū)域鋼管樁樁端閉塞。

試打樁過程中樁身內(nèi)外側(cè)泥面高程產(chǎn)生了差異性變化，統(tǒng)計見表7。

表7 泥面差統(tǒng)計結(jié)果

樁壁內(nèi)外兩側(cè)產(chǎn)生了泥面差，表明樁內(nèi)土柱受到排擠，產(chǎn)生了壓縮，并在樁端形成土塞。

綜上所述，經(jīng)泥面差觀測和端阻分析，可以綜合判定大直徑開口鋼管樁存在樁端閉塞效應(yīng)現(xiàn)象。

4.6 樁身承載特性分析

利用大直徑開口鋼管樁的樁身內(nèi)力測試，可以得到樁身側(cè)摩阻和端阻隨荷載增大的發(fā)揮情況，見圖5?圖7。

由圖5分析可得，隨著荷載的增大，端阻增大比例不斷提高，端阻發(fā)揮程度提高。

圖5 端阻-荷載關(guān)系曲線

由圖6和圖7的摩阻分布曲線圖可以看出，10～12 m以上摩阻曲線交叉重疊，隨著樁身應(yīng)力的不斷增大，摩阻力呈現(xiàn)“小?大?小”變化趨勢，上部土體呈現(xiàn)軟化狀態(tài)；10～12 m以下地層在整個荷載增大過程中多表現(xiàn)為摩阻的增強現(xiàn)象；30 m以下的最大摩阻線與橫軸的積分面積遠大于30 m以上的最大摩阻線與橫軸的積分面積，表明30 m以下地層為試樁的主要持力層。

圖6 S1摩阻分布

圖7 S2摩阻分布

5 結(jié)論

綜上所述，通過試樁測試得出該區(qū)大直徑開口鋼管樁的各項樁土試驗參數(shù)，為后期工程樁的設(shè)計與施工提供了有效的、精確的參考依據(jù)，并得出如下結(jié)論：

（1）基于孟加拉標準（BNBC?2015）分析荷載-沉降曲線，判定該組試驗樁的單樁豎向抗壓極限承載力為7660 kN。

（2）鋼管樁的承載特性呈現(xiàn)為：隨著荷載的不斷增大，端阻發(fā)揮程度逐級快速增大，摩阻在0~12 m段出現(xiàn)軟弱化區(qū)域，其余段整個加載過程表現(xiàn)為增強狀態(tài)，且樁身端阻力占比在4.1%～4.7%，可判定該區(qū)域樁基承載類型為摩擦樁。

（3）通過齡期-樁周土體恢復(fù)系數(shù)分析，表明隨著時間推進，恢復(fù)速率逐漸降低，承載力逐漸增強。結(jié)合每米錘擊數(shù)-承載力、齡期-樁周土體恢復(fù)系數(shù)，可以對鋼管樁的最終承載力進行預(yù)測判定，為后期工程樁的施工具有指導(dǎo)作用。

（4）提出通過觀測樁管內(nèi)外泥面差結(jié)合端阻力-變形曲線特征來綜合判定大直徑鋼管樁樁端閉塞效應(yīng)的方法。