袁萬(wàn)成

（中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100010）

鋼管樁是鋼管樁碼頭結(jié)構(gòu)的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用在地質(zhì)條件較差的碼頭港口的基礎(chǔ)建設(shè)中，對(duì)鋼管樁碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性有著不可或缺的作用，因此鋼管樁的樁基試驗(yàn)是碼頭施工過(guò)程中尤為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。潘世集依據(jù)設(shè)計(jì)需求和地層特征，首次應(yīng)用了沖擊式鉆機(jī)、旋挖鉆機(jī)、干法施工等技術(shù)手段，成功地實(shí)現(xiàn)了海上鋼管嵌巖樁的施工。楊森焱通過(guò)對(duì)埋深較大的鋼圍堰施工工藝進(jìn)行對(duì)比，分析了鎖口鋼管樁圍堰施工的特點(diǎn)、圍堰設(shè)計(jì)原理、施工方法等。毛遠(yuǎn)偉等在大噸位高應(yīng)變?cè)嚇吨幸霕俄斞b置測(cè)力法新技術(shù)，研制小同尺寸的測(cè)力裝置，進(jìn)行整體錘現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。林國(guó)宏闡明樁基工程檢測(cè)從資料的收集到檢測(cè)的方法制定、多種檢測(cè)方法的搭配、相互驗(yàn)證及質(zhì)量管理的重要性。然而，以上研究均為結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況對(duì)試樁試驗(yàn)進(jìn)行深入探討，因此，本文結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)目前關(guān)于試樁試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

某LNG碼頭新建工程項(xiàng)目由LNG碼頭和NPT碼頭組成，其中LNG碼頭由1個(gè)工作平臺(tái)、3個(gè)靠船墩及6個(gè)系纜墩組成，均采用高樁墩式結(jié)構(gòu)。工作平臺(tái)頂高程8.26m，平面尺度為43.025m×42.68m，采用36根鋼管樁，其中包含12根斜樁，24根直樁。NPT碼頭：新客運(yùn)碼頭采用16根鋼管樁，引橋段包含12根鋼管樁，鋼管樁樁徑609mm；碼頭采用4根鋼管樁，樁徑914mm，上部結(jié)構(gòu)采用鋼桁架。碼頭的典型斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某LNG碼頭新建工程項(xiàng)目典型斷面結(jié)構(gòu)圖

1.2 地質(zhì)概況

本項(xiàng)目的施工現(xiàn)場(chǎng)地形開(kāi)闊，場(chǎng)地較為平整，低潮時(shí)，可以觀測(cè)到部分裸露的原泥面。根據(jù)現(xiàn)有的勘探資料，原泥面至-35m～-40m左右，為高塑性軟至堅(jiān)硬的粘土層，天然含水量60%～70%。土層中夾雜著砂層，層厚沿海向陸加厚。其中陸上部分+2～-15m左右均為中密至密實(shí)的砂或淤泥質(zhì)砂層。-40m以下為非常密實(shí)的中粗砂，SPT擊數(shù)從-40m的45擊加大至-50m的90擊。地質(zhì)情況詳見(jiàn)表1。

表1 地質(zhì)情況表

2 主要施工工藝及方法

本項(xiàng)目采用的錘擊法的施工方法，主要施工流程包括測(cè)量定位、吊樁、立樁、插樁、錘擊沉樁、停錘。（見(jiàn)圖2）

圖2 錘擊法的施工工藝流程

2.1 測(cè)量定位

按照業(yè)主提供的首級(jí)控制點(diǎn)已知點(diǎn)做附合導(dǎo)線，并采用全站儀加密控制點(diǎn)。陸域附近的樁定位采用RTK—GPS結(jié)合全站儀進(jìn)行平面和高程定位，并控制垂直度；較遠(yuǎn)的海域樁定位，采用打樁船上的GPS定位系統(tǒng)，通過(guò)錨機(jī)精確調(diào)整船位。

2.2 吊樁

待樁駁駐位后，打樁船松開(kāi)前進(jìn)纜的同時(shí)絞后錨和一側(cè)邊錨使打樁船以最快速度靠近樁駁，船頭轉(zhuǎn)到運(yùn)樁駁一側(cè)，進(jìn)行吊樁。在起吊、沉樁過(guò)程中在接觸面、點(diǎn)采取包裹柔性材料等措施，避免鋼索、護(hù)筒、籠口等部件相互碰撞、摩擦，從而破壞鋼管樁。

2.3 立樁

主吊鉤上升，副吊鉤下降，隨著下降程度，副吊鉤逐個(gè)解去，使管樁成豎直狀態(tài)，樁架后傾，使管樁與樁架滑道成平行狀態(tài)，抱樁器合攏抱樁并鎖定。替打沿樁架軌道滑移，套住樁頂。

2.4 插樁

本項(xiàng)目選定的試樁樁位均為直樁，需要控制其垂直度。施工人員通過(guò)觀察打樁船上的2臺(tái)測(cè)距儀和操縱室控制臺(tái)上的角度測(cè)量?jī)x調(diào)整樁架的前后傾斜度，以使樁身斜率符合設(shè)計(jì)要求。再根據(jù)預(yù)先輸入的單樁平面坐標(biāo)和扭角等參數(shù)，依據(jù)打樁船上的GPS定位系統(tǒng)，通過(guò)錨機(jī)精確調(diào)整船位。

2.5 錘擊樁

解除上吊點(diǎn)，樁錘沿樁架下滑，壓錘穩(wěn)樁，打開(kāi)離合器，啟動(dòng)起落架，錘擊沉樁。沉樁的開(kāi)始階段要穿過(guò)淤泥層，為防溜樁，先重錘輕打，待貫入度均勻正常后再加大能量至3～2檔。在沉樁過(guò)程中需要對(duì)沉樁進(jìn)行全過(guò)程實(shí)時(shí)觀測(cè)，如果出現(xiàn)樁身突然下降、貫入度異常、傾斜超標(biāo)、偏移等現(xiàn)象，立即停止沉樁并及時(shí)匯報(bào)，沉樁過(guò)程中施工員及測(cè)量員要認(rèn)真及時(shí)做好沉樁記錄。

2.6 停錘

對(duì)樁的自沉、壓錘、施打進(jìn)行全過(guò)程監(jiān)控，隨時(shí)測(cè)定樁尖高程、入土深度及樁頂高程，并測(cè)定最后10擊平均貫入度及樁尖最終高程。當(dāng)樁端達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，每擊貫入度小于3mm，最后10擊總貫入度小于3cm；當(dāng)沉樁貫入度已達(dá)到控制貫入度，而樁端未達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，應(yīng)繼續(xù)錘擊100mm或30～50擊，其平均貫入度不宜大于控制貫入度，且樁端距設(shè)計(jì)標(biāo)高不宜超過(guò)2～3m。

3 高應(yīng)變檢測(cè)試驗(yàn)

本項(xiàng)目進(jìn)行高應(yīng)變動(dòng)力試樁試驗(yàn)是采用重力錘沖擊樁頂?shù)脑囼?yàn)方式，利用鋼管樁與土層之間產(chǎn)生充分的相對(duì)位移，從而增加樁表面的阻力和樁底端的承載力，并在樁頂以下樁身兩側(cè)的力和加速度傳感器，用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樁周身的應(yīng)力變化，利用應(yīng)力波理論分析處理力和速度的變化曲線，由此判定樁的承載力和評(píng)價(jià)鋼管樁的穩(wěn)定性，從而確定樁的可行性。

試驗(yàn)將鋼管樁設(shè)定為線性彈性桿，試驗(yàn)樁的樁長(zhǎng)為L(zhǎng)，橫截面積為A，樁材彈性模量為E，密度為ρ，樁身內(nèi)應(yīng)力波傳播速度（俗稱彈性波速）為C（C2=E/ρ），廣義波阻抗或樁身截面力學(xué)阻抗為Z=AρC；其樁身應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可寫為：

假設(shè)土阻力是由靜阻力和動(dòng)阻力2部分組成：

由此可得樁的一維波動(dòng)方程：

記沖擊速度峰對(duì)應(yīng)時(shí)間為t1,t2= t1+2L/C為樁底反擊對(duì)應(yīng)時(shí)間，根據(jù)實(shí)測(cè)的力、速度曲線F（t）、V（t）推導(dǎo)可得Case法判定樁的承載力的計(jì)算公式為：

對(duì)于等載面樁，樁頂下第一個(gè)缺陷對(duì)應(yīng)的完整性系數(shù)由下式計(jì)算:

其中：Rx—缺陷點(diǎn)X以上的樁周土阻力。

缺陷位置可根據(jù)缺陷反射波的對(duì)應(yīng)時(shí)間tx由下式確定：

基于樁—土力學(xué)模型選擇合理的實(shí)測(cè)曲線擬合法，利用傳感器實(shí)測(cè)的力和速度作為邊界條件進(jìn)行擬合，擬合完成時(shí)確保計(jì)算曲線和實(shí)測(cè)曲線基本重合、樁側(cè)阻力與地質(zhì)資料基本相符，樁的貫入度的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本吻合，從而確保本工程設(shè)計(jì)的樁參數(shù)滿足項(xiàng)目要求。

4 靜載荷試驗(yàn)

4.1 豎向抗壓靜載試驗(yàn)

本工程中的試驗(yàn)樁需進(jìn)行豎向抗壓靜載試驗(yàn)，分別位于引橋段、墩臺(tái)處，其中引橋段為陸上靜載試驗(yàn)樁采用直徑1067mm的鋼管樁，墩臺(tái)處為海上靜載試驗(yàn)樁采用直徑1422mm的鋼管樁。

試驗(yàn)采用的錨樁法是利用被檢測(cè)樁周圍4根施打的鋼管樁作為錨樁并與試驗(yàn)大梁聯(lián)接組成反力支架。將試驗(yàn)加載所用的千斤頂放置于試驗(yàn)樁頂部，利用旁邊的2根獨(dú)立基樁作為基準(zhǔn)樁。觀測(cè)梁放置在基準(zhǔn)樁上，在觀測(cè)梁上安裝百分表測(cè)量試樁頂位移。試驗(yàn)過(guò)程中需要通過(guò)安裝在錨樁上的百分表測(cè)量錨樁上拔量。試驗(yàn)樁及對(duì)應(yīng)的錨樁和基準(zhǔn)樁的靜載試驗(yàn)平面布置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)樁平面圖

圖4 試驗(yàn)樁抗拔試驗(yàn)設(shè)備安裝立面圖

圖5 水平靜載試驗(yàn)布置圖

4.2 豎向抗拉靜載試驗(yàn)

抗拉試驗(yàn)與抗壓試驗(yàn)采用相同的反力架，同樣包括1根主梁、2根次梁、系梁、拉桿等。唯一的區(qū)別在于千斤頂將放在主梁頂部進(jìn)行加載、卸載。試驗(yàn)前，先在鋼管樁樁頂開(kāi)坡口用于安全固定次梁，將鋼管樁樁頂與次梁焊接固定。試驗(yàn)時(shí)，利用置于試驗(yàn)主梁上的3臺(tái)千斤頂進(jìn)行加載和卸載。試驗(yàn)樁抗拔試驗(yàn)立面圖見(jiàn)4。

4.3 水平靜載試驗(yàn)

水平靜載試驗(yàn)將在豎向抗壓抗拉靜載試驗(yàn)的平臺(tái)上進(jìn)行。在本試驗(yàn)中，將參與靜載抗壓、抗拔的2根錨樁通過(guò)次梁或雙拼工字鋼聯(lián)系起來(lái)成為一個(gè)整體，作為反力結(jié)構(gòu)，用以向試樁提供水平反力。利用靜載試驗(yàn)時(shí)的觀測(cè)梁作為水平試驗(yàn)的觀測(cè)梁，即在2根觀測(cè)樁上均利用抱箍構(gòu)成支撐，將足夠長(zhǎng)的56a工字鋼放置牛腿上，兩端通過(guò)焊接固定。試驗(yàn)樁和作為反力系統(tǒng)的錨樁均需制作觀測(cè)梁。利用4塊百分表，2塊正對(duì)千斤頂加載方向，對(duì)稱安裝，測(cè)量樁頂位移。同時(shí)在反力次梁后面安裝2塊百分表，觀測(cè)錨樁（反力樁）水平位移。水平靜載試驗(yàn)布置圖見(jiàn)5。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)靜載試樁和前幾根工程樁進(jìn)行高應(yīng)變測(cè)試可用于終錘標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證和優(yōu)化。根據(jù)試樁試驗(yàn)結(jié)果分析和試驗(yàn)報(bào)告可以確定樁的承載力，為樁基提供設(shè)計(jì)參數(shù)，驗(yàn)證打樁終錘準(zhǔn)則，驗(yàn)證樁施工工藝的可行性，為選擇樁頂設(shè)備和改進(jìn)樁頂技術(shù)提供依據(jù)。