朱 田

(上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

1 研究背景

水利工程建設(shè)的窗口期受潮位、汛期等因素影響一般較短，在工程建設(shè)中的相關(guān)檢測(cè)需采用無(wú)損、快捷的技術(shù)方法以滿足水利工程實(shí)時(shí)性的要求[1]。對(duì)水上工程，基樁的質(zhì)量保證尤為重要。近年來(lái)鋼管樁在水上工程中運(yùn)用較多，高應(yīng)變法已成為最適用于鋼管樁打樁檢測(cè)的無(wú)損手段。高應(yīng)變法又分為CASE法和CAPWAP法，測(cè)試時(shí)要求給基樁施加較大瞬時(shí)沖擊使其產(chǎn)生一定貫入量，利用對(duì)稱安裝于樁頂?shù)募铀儆?jì)和應(yīng)變傳感器測(cè)試沖擊波作用下的速度和應(yīng)力，通過(guò)軟件分析得到單樁軸向抗壓承載力和完整性指數(shù)，也可用于監(jiān)測(cè)打入樁沉樁時(shí)的樁身應(yīng)力和錘擊能量[2-6]。

對(duì)于缺少工程經(jīng)驗(yàn)的地區(qū)，高應(yīng)變法檢測(cè)成果可以為選擇樁型、打樁設(shè)備、沉樁標(biāo)高、停錘標(biāo)準(zhǔn)等提供依據(jù)[7-9]，在水利與橋梁基樁中也常用于承載力驗(yàn)收檢測(cè)[10-11]。在鋼管樁的高應(yīng)變測(cè)試中，初打、復(fù)打承載力是重點(diǎn)關(guān)注的參數(shù)，休止期、土層性質(zhì)直接影響承載力恢復(fù)情況，胡興昊等依托西非某海工工程研究發(fā)現(xiàn)承載力恢復(fù)系數(shù)為1.3且復(fù)打時(shí)間可取為1～3天[12]；戴東鷹研究了連云港某海域風(fēng)電大直徑鋼管樁的初打、復(fù)打成果，發(fā)現(xiàn)單樁承載力時(shí)效期明顯且與樁端持力層土性相關(guān)，軟黏土中的恢復(fù)系數(shù)可達(dá)2.9，經(jīng)過(guò)14d休止后承載力仍會(huì)有較大增長(zhǎng)[13]；于海鵬等結(jié)合杭州灣海域某風(fēng)電項(xiàng)目鋼管樁高應(yīng)變測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)承載力恢復(fù)系數(shù)在1.31～1.40之間，并結(jié)合靜載試驗(yàn)提出深厚淤泥層屬不利土層對(duì)承載力貢獻(xiàn)較小[14]；張召彬等依托孟加拉某電廠鋼管樁測(cè)試項(xiàng)目分析了不同齡期承載力的恢復(fù)情況，提出該工程下恢復(fù)系數(shù)與休止期的關(guān)系，可用于最終承載力預(yù)測(cè)[15]。

浙江某海域碼頭工程采用截面有突變的鋼管樁，受潮位與打樁設(shè)備限制，高應(yīng)變測(cè)試無(wú)法在設(shè)計(jì)樁端標(biāo)高處進(jìn)行。本文分析了測(cè)試標(biāo)高處承載力、樁身完整性，并結(jié)合地勘與靜載相關(guān)數(shù)據(jù)分析了土體恢復(fù)情況，采用CAPWAP法計(jì)算出樁端土層的摩阻力對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)高處承載力進(jìn)行了推算，為該海域及類似條件的水上測(cè)試提供了參考。

2 高應(yīng)變法基本理論

2.1 CASE法基本理論

樁視為一維均質(zhì)連續(xù)的彈性體，不考慮樁身缺陷影響，應(yīng)變與質(zhì)點(diǎn)速度之間滿足變形協(xié)調(diào)方程；假定土的動(dòng)阻力全部集中于樁尖，且與樁尖速度和廣義波阻抗成正比；假定土的靜力模型為理想剛塑性體，一旦擾動(dòng)發(fā)生阻力即達(dá)到極限值，顯然這只能在樁間土超過(guò)一定的變形時(shí)才適用?；谝陨霞俣ǎ詰?yīng)力、應(yīng)變、位移、速度等為未知量可得由協(xié)調(diào)方程、本構(gòu)方程、動(dòng)力學(xué)方程構(gòu)成的CASE法方程組，通過(guò)行波理論求解可得單樁承載力RSP計(jì)算公式，計(jì)算示意圖如圖1所示[2-3]。

圖1 單樁承載力與完整性計(jì)算示意圖

RSP=0.5(1-Jc)[F(t1)+Z·v(t1)]+0.5(1+Jc)[F(t2)-Z·v(t2)]

(1)

式中，RSP—CASE法確定的單樁極限承載力，kN；Jc—CASE法阻尼系數(shù)；t1、t2—速度波樁頂入射峰和樁端反射峰對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，ms；F(t1)、F(t2)—t1、t2時(shí)刻測(cè)點(diǎn)處實(shí)測(cè)的錘擊力，kN；v(t1)、v(t2)—t1、t2時(shí)刻測(cè)點(diǎn)處實(shí)測(cè)的速度，m/s；Z—樁身截面力學(xué)阻抗，(kN·s)/m；Z=ρ·C·A；ρ—樁身密度，kg/m3；c—樁身波速，m/s；A—樁身截面積，m2。

實(shí)際測(cè)試中還應(yīng)根據(jù)不同的曲線特征進(jìn)行相應(yīng)修正。當(dāng)土阻力滯后于t2時(shí)刻明顯發(fā)揮，可將t1延時(shí)得到RMX(最大土阻力法計(jì)算的承載力)；當(dāng)土阻力先于t2時(shí)刻發(fā)揮并產(chǎn)生樁中上部強(qiáng)烈反彈時(shí)，可計(jì)入卸載回彈的土阻力得到RSU(負(fù)阻力補(bǔ)償法承載力值)；對(duì)于以端阻力為主不考慮樁側(cè)摩阻力的樁，可不考慮Jc得到RAU(自動(dòng)計(jì)算法得出的承載力)；還有適當(dāng)考慮樁側(cè)阻力的RA2，該值也不考慮Jc值[4-6]。

等截面樁且缺陷深度x以上部位的土阻力Rx未出現(xiàn)卸載回彈時(shí)，樁身完整性系數(shù)β應(yīng)按下式確定，計(jì)算示意圖如圖1所示[3-5]。

(2)

式中，tx—缺陷反射峰對(duì)應(yīng)的時(shí)刻，ms；F(tx)—tx時(shí)刻測(cè)點(diǎn)處實(shí)測(cè)的錘擊力，kN；v(tx)—tx時(shí)刻測(cè)點(diǎn)處實(shí)測(cè)的速度，m/s；x—樁身缺陷至傳感器安裝點(diǎn)的距離，m；Rx—缺陷以上部位土阻力估計(jì)值，kN，等于缺陷反射起始點(diǎn)的錘擊力減去速度與樁身截面力學(xué)阻抗的乘積；β—樁身完整性系數(shù)，其值等于缺陷處樁身截面阻抗與缺陷以上樁身截面阻抗的比值；β=1.0時(shí)，為完整樁(Ⅰ類)；0.8≤β<1.0時(shí)，為基本完整樁(Ⅱ類)；0.6≤β<0.8時(shí)，為明顯缺陷樁(Ⅲ類)；β<0.6時(shí)，為嚴(yán)重缺陷樁或斷樁(Ⅳ類)。

高應(yīng)變測(cè)試中一般情況可得較為明顯的樁端反射信號(hào)，實(shí)測(cè)波速可根據(jù)速度波第一峰上升沿的起點(diǎn)到樁底反射峰上升沿的起點(diǎn)之間的時(shí)差與已知樁長(zhǎng)值確定，或者根據(jù)實(shí)測(cè)信號(hào)下行波上升沿的起點(diǎn)和上行波下降沿的起點(diǎn)之間的時(shí)差與已知樁長(zhǎng)確定，對(duì)鋼管樁可直接設(shè)定為5120m/s[4-6]。

2.2 CAPWAP法基本理論

CAPWAP法是將樁體等分為一系列1～2m左右的單元，以計(jì)算的樁頂變量(如樁頂力、上行波、樁頂速度)和實(shí)測(cè)變量之間的“最佳契合可能”而得到承載力RU。樁單元模型取為一維桿模型，單元按等時(shí)性劃分。樁側(cè)土單元取為理想彈塑性模型，當(dāng)土位移小于最大彈性位移，應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系；當(dāng)土位移大于最大彈性位移，土進(jìn)入塑形狀態(tài)，應(yīng)變?cè)龃蟮珣?yīng)力不變。同時(shí)還考慮樁身阻尼、裂隙、土塞等影響因素。若計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差過(guò)大或樁土參數(shù)超出了巖土工程合理范圍，可改變擬合參數(shù)重新計(jì)算。合理的擬合分析結(jié)果還應(yīng)滿足各單元所選取的土的最大彈性位移不得超過(guò)相應(yīng)樁單元的最大計(jì)算位移值，土阻力響應(yīng)段的計(jì)算曲線與實(shí)測(cè)曲線應(yīng)吻合，其他區(qū)段應(yīng)基本吻合，貫入度的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相接近[2-6]。

3 樁基概況及場(chǎng)地環(huán)境

浙江某海域碼頭基礎(chǔ)采用直徑1.5m、長(zhǎng)度86m的鋼管樁，材質(zhì)Q335B，樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高+3.5m。樁身為變截面型式，樁頂以下50m范圍內(nèi)壁厚22mm，50m以下至樁端壁厚18mm。樁端敞口，未加隔板。設(shè)計(jì)要求采用D-220錘二檔錘擊沉樁，停錘以標(biāo)高控制為主，單擊貫入度控制為輔，建議終錘貫入度不超過(guò)4mm。按設(shè)計(jì)要求本次高應(yīng)變動(dòng)測(cè)初打抽檢6根，復(fù)打抽檢2根。根據(jù)本工程地質(zhì)勘察報(bào)告，檢測(cè)部位的土層分布及地勘報(bào)告中推薦物理力學(xué)指標(biāo)見表1，基樁抽檢情況見表2。

表1 場(chǎng)地土層情況表

表2 基樁抽檢情況表

4 單樁軸向抗壓承載力

碼頭工程鋼管樁的軸向抗壓承載力設(shè)計(jì)值Qd可根據(jù)下式計(jì)算[16]：

(3)

式中，rR—單樁軸向承載力抗力分項(xiàng)系數(shù)，打入樁取1.45～1.55；U—樁身截面外周長(zhǎng)，m；qfi—樁側(cè)第i層土摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；li—樁身穿過(guò)第i層土的長(zhǎng)度，m；η—樁端承載力折減系數(shù)，根據(jù)樁徑、入土深度和持力層特性綜合分析；qR—樁端土端阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；A—樁端外周面積，m2。

根據(jù)本工程地質(zhì)情況，η按規(guī)范建議的取值范圍為0.2～0.35，因鋼管樁入土深度大(不小于30D，D為樁外徑)但進(jìn)入持力層深度小(不大于5D)，從安全角度考慮取η為0.2。依據(jù)抽檢樁位對(duì)應(yīng)的地質(zhì)鉆孔，按上式計(jì)算受檢樁的軸向抗壓承載力極限值為不大于11000kN，低于設(shè)計(jì)方要求的單樁軸向抗壓極限承載力14000kN。后向設(shè)計(jì)方求證，設(shè)計(jì)方并未采用地質(zhì)勘察報(bào)告中推薦的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值和端阻力標(biāo)準(zhǔn)值。在首次碼頭建設(shè)中，業(yè)主方委托某第三方檢測(cè)單位進(jìn)行了單樁靜載荷試驗(yàn)，并測(cè)試了該場(chǎng)地的樁側(cè)摩阻力和端阻力，具體檢測(cè)成果見表3。

表3 碼頭試樁靜載荷試驗(yàn)檢測(cè)成果表

由表3可見，⑦1層、①層的實(shí)測(cè)樁側(cè)摩阻力與地勘報(bào)告中的推薦值相近，其他土層的實(shí)測(cè)樁側(cè)摩阻力均高于地勘報(bào)告中的推薦值。④2層及⑦3a層缺失，該兩層在單樁承載力的計(jì)算復(fù)核中選用地勘報(bào)告的推薦值；由表2可見⑦2層與⑦3層土性非常接近，可按⑦2層實(shí)測(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值選用；在樁端阻力的計(jì)算復(fù)核時(shí)，對(duì)于試樁按地質(zhì)勘察報(bào)告計(jì)算的端阻力范圍為989.1～1730.9kN(持力層為⑦2層，η取值0.2～0.35)，與實(shí)測(cè)值差距較大，可見按地質(zhì)勘察報(bào)告計(jì)算的理論端阻力在該工程下并不適用。本工程持力層為⑦3a層、⑦3層，土性理論上優(yōu)于⑦2層，直接取實(shí)測(cè)樁端阻力進(jìn)行軸向承載力復(fù)核。按上述取值方法計(jì)算受檢樁的軸向抗壓極限承載力不低于17000kN，從理論角度分析復(fù)核計(jì)算得到的單樁軸向抗壓極限承載力是偏低的。復(fù)核計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 受檢樁的軸向抗壓承載力復(fù)核計(jì)算表

5 測(cè)試分析

5.1 測(cè)試存在的問(wèn)題

本工程打樁施工期在1—2月，該時(shí)段場(chǎng)地所在海域潮位較高，最高潮位時(shí)甚至?xí)绊懯┕?，高?yīng)變測(cè)試要求樁有足夠的出露高度，否則會(huì)影響傳感器的拆卸及測(cè)試效果。打樁施工期間當(dāng)樁端達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，水面以上樁頂?shù)某雎陡叨仍?～3m左右，打樁船可以安裝測(cè)試傳感器工作平臺(tái)距水面的高度約4m?？紤]鋼管樁測(cè)試時(shí)樁頂附近的應(yīng)力較大，為保證測(cè)試效果傳感器安裝于樁頂下3m處。由于潮位與沉樁設(shè)備的制約，初打、復(fù)打均測(cè)試無(wú)法在樁端在進(jìn)入樁底設(shè)計(jì)標(biāo)高的深度附近進(jìn)行，初打、復(fù)打測(cè)試時(shí)樁端與設(shè)計(jì)標(biāo)高位置相差4m。根據(jù)表1—2，初打、復(fù)打測(cè)試時(shí)樁端均位于⑦2層。

5.2 CASE法與CAPWAP法的初打?qū)Ρ确治?/h3>

受檢的6根樁在初打測(cè)試時(shí)的入土情況見表5。各樁測(cè)試曲線質(zhì)量較好，形態(tài)基本一致。當(dāng)采用CASE法進(jìn)行承載力計(jì)算時(shí)，受檢樁應(yīng)材質(zhì)均勻、截面相等或基本相等。本工程鋼管樁材質(zhì)均勻但截面存在變化，從樁頂至樁頂下50m范圍內(nèi)有效截面面積占截面總面積的5.8%；從樁頂下50m至樁端范圍內(nèi)有效截面面積占截面總面積的4.7%?？梢姳诤竦淖兓瘜?duì)截面面積的影響不大，但是直接采用CASE法計(jì)算初打單樁承載力可能會(huì)存在較大誤差。采用CAPWAP法進(jìn)行分析計(jì)算，并在建模時(shí)考慮樁身截面變化，6根初打樁由CAPWAP法計(jì)算的初打承載力與CASE法計(jì)算的各項(xiàng)承載力對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果見表6，如圖2—7所示。

表5 基樁初打情況表

表6 初打承載力計(jì)算表(與JC值無(wú)關(guān))

圖2 樁Q1-a承載力與Jc關(guān)系曲線

圖3 樁Q1-b承載力與Jc關(guān)系曲線

圖4 樁Q1-c承載力與Jc關(guān)系曲線

圖5 樁H1-a承載力與Jc關(guān)系曲線

圖6 樁H1-b承載力與Jc關(guān)系曲線

圖7 樁H1-c承載力與Jc關(guān)系曲線

由表6及圖2—7分析可見：

(1)RAU、RA2均與RU相差較大，本工程鋼管樁屬于端承摩擦樁，側(cè)阻力在承載力中貢獻(xiàn)較大，RAU、RA2均適用于端承型樁，采用RAU、RA2計(jì)算初打承載力偏保守；

(2)RSP、RMX、RSU的大小均與Jc值密切相關(guān)，在Jc值相同時(shí)，三者在整體上表現(xiàn)出的大小關(guān)系為RSP

(3)令RSP等于RU時(shí)，有4根樁Jc值介于0.3～0.4之間，另外兩根樁Jc值分別介于0.2～0.3、0.4～0.5之間；令RMX等于RU時(shí)，有1根樁Jc值介于0.2～0.3之間、2根樁Jc值介于0.4～0.5之間、2根樁Jc值介于0.5～0.6、1根樁Jc值介于0.6～0.7；令RSU等于RU時(shí)，有4根樁Jc值介于0.3～0.4之間，另外兩根樁Jc值分別介于0.2～0.3、0.4～0.5之間?？梢娛褂肦MX時(shí)Jc變化較大，本工程該值不適用，RSP與RSU的Jc值則較為穩(wěn)定，而RSU略高于RSP，可選擇RSP用于計(jì)算初打承載力。根據(jù)RSP計(jì)算公式可以反算出RSP等于RU的Jc值，經(jīng)計(jì)算可取為0.33，計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 RSP等于RU時(shí)的Jc值計(jì)算表

5.3 單樁承載力分析

根據(jù)施工進(jìn)度，安排第11天進(jìn)行復(fù)打測(cè)試。對(duì)復(fù)打數(shù)據(jù)采用CAPWAP法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，將樁體計(jì)算單元長(zhǎng)度設(shè)定為1m，結(jié)合樁側(cè)土層分布，可以得出各土層初打、復(fù)打的樁側(cè)摩阻力。初打、復(fù)打時(shí)被測(cè)樁距設(shè)計(jì)樁端標(biāo)高仍有4m。考慮⑦3a層較薄，屬夾層，而⑦3層土性與⑦2層相近，余下部分樁側(cè)阻力可近似采用⑦2層由CAPWAP法計(jì)算得到的樁側(cè)摩阻力值進(jìn)行推算。最終達(dá)到沉樁設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)的初打承載力推算值在6245.3～6711.1kN之間，復(fù)打承載力推算值大于14000kN，滿足設(shè)計(jì)要求，承載力計(jì)算詳見表8(括號(hào)內(nèi)為復(fù)打值)。

表8 承載力推算值計(jì)算表

5.4 土體恢復(fù)分析

鋼管樁在打入過(guò)程中，會(huì)對(duì)樁周土體產(chǎn)生沖切破壞，使得初打樁承載力明顯偏低。隨著休止期增加，土體擾動(dòng)逐步恢復(fù)，承載力也隨之提高。將樁周土恢復(fù)后單樁極限承載力與初打單樁極限承載力之比定義為土體恢復(fù)系數(shù)[15]。通過(guò)對(duì)初、復(fù)打的擬合分析可以得到被測(cè)樁特定齡期的土體恢復(fù)系數(shù)約為2.2，計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 土體恢復(fù)系數(shù)計(jì)算表

通過(guò)CAPWAP法計(jì)算還可以得到被測(cè)兩根樁初打、復(fù)打(11d齡期)時(shí)樁側(cè)各層土的平均摩阻力值，如圖8所示?？梢姀?fù)打時(shí)的樁側(cè)平均摩阻力值較初打時(shí)均有明顯提高，①層土平均提高約9.6倍，②層土平均提高約3.5倍，③、④層土平均提高約1.5倍，⑦層土平均提高約2倍；復(fù)打各土層的樁側(cè)摩阻力與地勘推薦值仍有一定差距，②2層、③層、④2層、⑦2層偏高，其余偏低；復(fù)打各土層的樁側(cè)摩阻力(④層土除外)及樁端阻力均低于靜載推薦值，其中③層土摩阻力偏差最大。

圖8 初打、復(fù)打時(shí)的樁側(cè)摩阻力

碼頭打入式基樁的極限抗壓承載力檢測(cè)，土體恢復(fù)期對(duì)于砂性土不應(yīng)少于3d，黏性土不應(yīng)少于14d，淤泥或淤泥質(zhì)土中的摩擦樁不應(yīng)少于25d[4]。本工程鋼管樁屬于摩擦型樁且樁側(cè)淤泥質(zhì)土較厚，通過(guò)復(fù)打數(shù)據(jù)和靜載結(jié)果對(duì)比分析可見11d的恢復(fù)期顯然較短，樁側(cè)土阻力和樁端阻力仍有較大提高空間。

5.5 樁身完整性分析

在初打?qū)崪y(cè)速度曲線上，測(cè)點(diǎn)下47m左右明顯可見與入射波同向的速度反射，該處為樁身截面發(fā)生變化的位置，但是在復(fù)打?qū)崪y(cè)速度曲線上，截面變化位置已不明顯。根據(jù)樁身完整性系數(shù)的定義，被測(cè)樁的理論β值為0.82，初打曲線的計(jì)算β值均小于0.6，已屬明顯缺陷樁；復(fù)打曲線的計(jì)算β值與理論β值較為接近，見表10，(表中括號(hào)內(nèi)為復(fù)打值)，可見復(fù)打曲線的計(jì)算β值更適宜體現(xiàn)鋼管樁的完整性。

表10 樁身完整性判定表

初打時(shí)樁側(cè)阻力較低，速度曲線振蕩明顯，波形中高頻部分使得計(jì)算β值與理論β值出現(xiàn)較大偏差，該情況在復(fù)打測(cè)試則明顯好轉(zhuǎn)?？梢妰H根據(jù)β值對(duì)樁身完整性類別進(jìn)行劃分并不合適，還應(yīng)結(jié)合其他打樁指標(biāo)綜合分析判定。表10列出了6根初打樁、2根復(fù)打樁的最大打擊力(FMX)、最大錘擊能量(EMX)和貫入度，各指標(biāo)均無(wú)異常，可判定各樁樁身完整性為Ⅰ類。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)本工程鋼管樁為樁身截面有突變的摩擦型樁，應(yīng)用CASE法分析時(shí)取Jc值為0.33的RSP可以較為準(zhǔn)確、快速地反映初打測(cè)試的單樁承載力。

(2)采用CAPWAP法計(jì)算出樁側(cè)各土層的平均摩阻力和端阻力，根據(jù)余下入土樁長(zhǎng)可推算出單樁最終承載力能夠滿足設(shè)計(jì)要求；土體恢復(fù)分析表明11d恢復(fù)期較短，后期承載力仍會(huì)有較大提高。

(3)受土阻力和高頻振蕩的影響，初打測(cè)試的完整性指數(shù)存在明顯偏差，復(fù)打值較為可靠，樁身完整性判定還應(yīng)結(jié)合多個(gè)打樁指標(biāo)綜合分析。

(4)未能在樁端設(shè)計(jì)標(biāo)高處測(cè)試，未能測(cè)試出土體完全恢復(fù)的齡期，單樁承載力推算值偏于保守，但可用于反饋鋼管樁承載情況并指導(dǎo)施工。