趙劉群，婁學謙，胡興昊，吳 浩

(1.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海)，廣東 珠海519082)

鋼管樁是海洋工程最廣泛采用的樁型[1]。復(fù)雜地層條件下，開展鋼管樁沉樁施工研究是項目順利開展的關(guān)鍵，已有不少學者開展研究探索并取得了一定成果。蘇世定等[2]研究了珊瑚礁巖土地區(qū)打入式鋼管樁沉樁規(guī)律，馮光華等[3]研究了薄壁鋼管樁在強風化巖層中的穿透性能。密實含砂碎石或卵石地層中設(shè)計采用鋼管樁的項目較少，關(guān)于該種地層條件下鋼管樁沉樁施工的研究尚較少。

筆者以國外某工程為背景，在現(xiàn)場試驗得到原位土參數(shù)的基礎(chǔ)上，在國內(nèi)開展打樁模型試驗，并基于GRLWEAP軟件進行了基樁可打性分析，在基本驗證可行性的基礎(chǔ)上進行現(xiàn)場足尺試驗，獲得了較多實用成果，可供相關(guān)工程參考。

1 概況

1.1 工程概況

秘魯某港口工程主要包括建設(shè)4個營運泊位和1個輔助艇泊位，1#和2#泊位為多用途泊位，長度分別為295和345 m；3#和4#泊位為專用集裝箱泊位，長860 m；滾裝運輸和工作船泊位長177 m。根據(jù)設(shè)計要求，先期在地層條件具有代表性的1#泊位開展施工驗證，1#泊位港池設(shè)計高程為-14.8 m，岸坡坡度4:1，沉樁施工在港池開挖前進行，樁型為鋼管樁，樁基設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 1#泊位樁基設(shè)計參數(shù)

1.2 地質(zhì)概況

根據(jù)項目巖土勘察報告，1#泊位參考鉆孔編號為M03～M07，孔口高程分別為-3.51、-4.50、-7.68、-6.31、-6.90 m，巖土以細砂、碎石和卵石、膠結(jié)砂為主。參考鉆孔巖土層物理力學性質(zhì)見表2。

表2 參考鉆孔土層分布及物理力學性質(zhì)指標

1.3 沉樁設(shè)備

根據(jù)現(xiàn)場情況，計劃采用吊打方案施工鋼管樁。初選插樁用的液壓振動錘型號為ICE1412D，最大頻率23 Hz，激振力2.5 MN，拔樁力2.0 MN，質(zhì)量11.7 t，長度2.425 m、寬度1.070 m、高度4.940 m。沉樁至設(shè)計要求的深度或承載力則采用液壓沖擊錘，型號為YC40，最大打擊能量680 kN·m，最大行程時打擊頻率23次/min，錘質(zhì)量40 t，最大下落高度1.70 m，工作壓力25 MPa，長度1.860 m、寬度1.674 m、高度8.495 m。

2 沉樁分析

2.1 模型試驗

為分析可比地層條件下采用液壓錘沉樁過程中樁側(cè)阻、端阻情況以及是否會造成樁端卷邊，在國內(nèi)開展了模型試驗，主要步驟包括：1)使用震動錘將直徑2.0 m、長18.5 m的鋼護筒打入泥面以下約18.0 m；2)使用旋挖鉆機清除護筒內(nèi)部泥土至護筒底高程；3)灌注混凝土，將護筒底部3.5 m段封閉，混凝土硬化后抽干護筒內(nèi)的水；4)按每層厚度0.7～1.0 m分層回填級配碎石和卵石，直至地面高程，并使用震動錘分層夯擊，通過重型DPT(動力觸探試驗)檢測，結(jié)果見表3，回填碎石和卵石地層達到密實狀態(tài)；5)待模擬地質(zhì)回填完成后，在鋼護筒內(nèi)使用振動錘對同工程樁規(guī)格的模擬樁進行插樁施工，焊接輔助導向架；6)采用液壓錘進行模擬樁沉樁施工，驗證樁的可打性和打樁功效，證明了該地層中沖擊沉樁未發(fā)生卷邊，同時進行高應(yīng)變?nèi)虅訙y。模擬地層DPT檢測結(jié)果見表3，部分模型試驗步驟見圖1。

表3 模擬地層DPT檢測結(jié)果

圖1 模型試驗步驟

在模型樁沉樁施工過程中，進行了高應(yīng)變動測試驗，并進行部分初打或復(fù)打高應(yīng)變動測，對樁入土1.7、7.4、9.5、12.7、14.5、15.6 m的高應(yīng)變動測數(shù)據(jù)進行CAPWAP擬合分析，得出試打樁各次動測結(jié)果(表4)。

根據(jù)表4結(jié)果可知：1)動測承載力為2.6～9.6 MN，樁側(cè)土單位面積摩阻力為47.5～134.2 kPa，總體上樁入土深度越深樁的承載力越大，土層恢復(fù)不明顯。2)護筒內(nèi)密實碎石體注水后沉樁更容易，承載力有所降低。3)基于模擬地質(zhì)與項目現(xiàn)場條件基本相似的假定，計算土層恢復(fù)系數(shù)可取1.2左右，以評估最終承載力情況。4)采用液壓錘將直徑1 016 mm樁打入0～15.6 m的過程中，打樁應(yīng)力處于合理范圍內(nèi)。5)模擬地層雖達到密實狀(貫入10 cm的DPT擊數(shù)在11～92擊)，但仍無法達到與參考鉆孔同等密實的程度(貫入10 cm的DPT擊數(shù)均大于50，最大的超過300擊)，試驗得到的摩阻力結(jié)果按最高值并結(jié)合規(guī)范和經(jīng)驗取值采用。

表4 試打樁資料及動測結(jié)果

2.2 可打性分析

根據(jù)表2所示的土層參數(shù)，并結(jié)合2.1節(jié)的模擬試驗結(jié)果和JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[4]，取④1層單位樁側(cè)摩阻力和樁端阻力值分別為0.2、13.0 MPa。采用GRLWEAP的可打性分析功能對1#泊位鋼管樁的可打性進行分析，在④1層中的樁端閉塞系數(shù)取0.7。試驗階段設(shè)計文件沒有給出可打入性關(guān)鍵停錘貫入度、樁身應(yīng)力、打入深度、錘擊數(shù)等的具體規(guī)定，僅提出盡量按表1設(shè)計樁底高程控制。鑒于設(shè)計未提供停錘貫入度標準，采用GRLWEAP分析時可參考國外相關(guān)規(guī)范和資料的規(guī)定進行控制。美國石油學會API標準[5]指出，如果沒有其他規(guī)定，打樁拒錘標準定義為連續(xù)1.5 m沉樁阻力超過248擊/(250 mm)。美國API標準[6]、美國國防部標準[7]、歐盟標準[8]等均指出鋼管樁沉樁時樁身允許應(yīng)力可按樁身鋼材屈服強度的90%控制。分析結(jié)果見表5。

表5 基于GRLWEAP的打樁分析結(jié)果

由表5可以看出，鉆孔M04樁最為難打，無法沉樁至設(shè)計高程，距離樁底設(shè)計高程相差4 m以上。鉆孔M03、M05、M06、M07樁，通過調(diào)整錘的跳高，預(yù)估可將樁沉至設(shè)計高程，但錘擊數(shù)偏大，長時間大跳高錘擊對錘的損壞極大、效率低下、可行性不高。此外，分析樁可打入性時，該類地層條件的樁端閉塞系數(shù)尚難以準確預(yù)估，單位樁側(cè)摩阻力和樁端阻力值也存在取值誤差的可能，綜合來看，各泊位沉樁均存在不同程度困難，如錘擊跳高過大、錘擊數(shù)過高，對施工安全性和經(jīng)濟性極為不利，拒錘風險極高。

為沉樁至設(shè)計樁底高程可采取的措施有：1)清除樁內(nèi)土塞等輔助沉樁措施；2)增加樁的壁厚并采用更高能量的錘沉樁；3)在滿足承載力、最小入土深度的前提下，樁底設(shè)計高程上移；4)多種措施結(jié)合采用。

按原設(shè)計樁底高程，樁的初打承載力遠大于設(shè)計荷載，樁的入土深度可以優(yōu)化的可能性較大，進一步以M03孔為例，按貫入度小于3 mm/擊控制停錘的分析結(jié)果見表6，樁的承載力仍可滿足設(shè)計要求。

表6 按貫入度小于3mm/擊控制停錘時GRLWEAP的打樁分析結(jié)果

3 現(xiàn)場試樁

3.1 沉樁

為進一步驗證上述分析結(jié)果，在1#泊位靠近M03的位置附近進行5根試沉樁，其中TP01為靜載試驗樁、AP01～AP04為TP01靜載試驗的錨樁，5根試沉樁規(guī)格與工程樁相同。

3.1.1振動錘插樁

TP01樁在樁底高程為-10.6 m處遇到硬質(zhì)地層，振動錘在該層插樁出現(xiàn)劇烈反彈，振動8 min后無進尺，停止沉樁，此時鋼管樁入土深度符合穩(wěn)樁條件，可以換沖擊錘沉樁。AP01～AP04樁分別在樁底高程為-10.2、-9.4、-10.5、-7.7 m處遇到硬質(zhì)地層，停止插樁。

3.1.2沖擊錘沉樁

當振動錘插樁滿足穩(wěn)樁要求或無法再振動下沉時，改用沖擊錘進行沉樁，沉樁過程中選用合適的沖程，確保鋼管樁平穩(wěn)下沉，當沉樁至設(shè)計樁底高程即可收錘。試樁AP03最終停錘跳高1.0 m、貫入度3.0 mm、樁底高程-17.49 m。

3.2 高應(yīng)變動測

試樁TP01、AP01～AP04均未達到表1所示的樁底設(shè)計高程，這與2.2節(jié)的分析結(jié)果性質(zhì)具有一致性，即1#泊位沉樁困難。為驗證試樁承載力是否滿足要求，進行高應(yīng)變動測承載力試驗，試驗結(jié)果見表7。

由表7可以看出，試樁的初打和復(fù)打承載力可滿足設(shè)計要求，并可根據(jù)CAPWAP擬合分析出④1層的單位樁側(cè)摩阻力約為225 kPa，按樁完全閉塞計算④1層的單位端阻力值不低于13 MPa。與表5、6所示GRLWEAP的打樁分析結(jié)果相比：1)在達到相似貫入度的情況下，如貫入度≤1.0 mm/擊或貫入度≤3.0 mm/擊，樁身應(yīng)力、初打承載力接近；2)GRLWEAP的打樁分析結(jié)果樁端阻力較實測值偏小，主要原因包括：①試樁位置與鉆孔有一定的距離，地層有一定偏差，原泥面高程也不一致；②對④1層土中打入鋼管樁的樁端閉塞系數(shù)取值偏小，實際接近1；③試樁時，為便于施工，對場地進行了部分回填。

表7 現(xiàn)場試樁動測CAPWAP擬合分析結(jié)果

3.3 靜載試驗

為進一步驗證樁的承載力，在沉樁后第76 d進行了抗壓靜載試驗。試驗加卸載過程參照ASTM標準[9]執(zhí)行，加載分為0～1.2 倍的設(shè)計荷載、0～1.5 倍的設(shè)計荷載2個循環(huán)，設(shè)計荷載為12 MN。第1循環(huán)的最大沉降和卸載至0后的殘余沉降分別為22.64、1.03 mm，第2循環(huán)的最大沉降和卸載至0后的殘余沉降分別為30.00、2.00 mm，Q-s曲線較為平緩，見圖2，樁的承載力不低于18 MN，滿足設(shè)計要求。

圖2 試樁不同荷載循環(huán)下的Q-s曲線

4 沉樁輔助措施

文獻[10]指出：在含有碎石和鵝卵石的顆粒土中施工時，大顆粒不能被射水噴走，但砂和較小的碎石會被沖出來，通過噴射和錘擊的結(jié)合，可以在有限的深度上實現(xiàn)貫入。可以采用氣舉法，如果減少的側(cè)摩阻力在可接受的范圍內(nèi)，也可以使用膨潤土泥漿潤滑。氣舉反循環(huán)鉆機在顆粒土中鉆孔極為有效。唐研等[11]已經(jīng)基于氣舉法在曹妃甸礦石碼頭大直徑超深鋼管樁清除樁心土中的應(yīng)用積累了一定經(jīng)驗，找出了適合曹妃甸海域地質(zhì)條件的超深樁的吸泥工藝。

1#泊位因普遍存在④1碎石和卵石地層，造成沉樁困難，無法施工至設(shè)計樁底高程。但④1碎石和卵石地層卻能較早地造成樁端接近完全閉塞，為樁提供較高的樁端承載力。本項目工程沉樁發(fā)生困難時，如進一步增加樁的入土深度，建議采用氣舉反循環(huán)法進行樁內(nèi)土塞清除工作。樁內(nèi)土塞清除的深度，需保證錘擊沉樁至最終樁底高程時樁內(nèi)土塞形成，或通過必要措施人工恢復(fù)土塞。

5 結(jié)論

1)本項目密實含砂碎石和卵石地層中鋼管樁沉樁困難，單靠振動和錘擊法沉樁無法沉樁至設(shè)計樁底高程，需清除樁內(nèi)部分土塞后繼續(xù)沉樁。鑒于樁的抗壓承載力仍遠大于設(shè)計要求，樁的設(shè)計入土深度具備一定的設(shè)計優(yōu)化空間。

2)進行可比地質(zhì)的模型試驗輔助分析密實含砂碎石和卵石地層沉樁可行性時，應(yīng)考慮模擬地質(zhì)較難達到實際地質(zhì)的密實程度，建議對獲取的沉樁工效進行適當折減，并對單位樁側(cè)摩阻力予以必要的提高。

3)采用GRLWEAP軟件進行基樁可打性分析，鋼管樁貫入密實含砂碎石和卵石地層中時，樁端閉塞系數(shù)可取0.7～1.0。

4)密實含砂碎石和卵石地層中鋼管樁單位側(cè)摩阻力約為225 kPa，單位端阻力值不低于13 MPa。