鋼管樁樁尖在碼頭工程中的應(yīng)用

黃湛勇

摘 要：樁基礎(chǔ)是一種傳統(tǒng)古老的基礎(chǔ)型式，但其在建筑施工過程中扮演的角色非常重要，是一種發(fā)展迅速，生命力很強(qiáng)的施工型式。文章結(jié)合實踐經(jīng)驗對鋼管樁樁尖在碼頭工程中的應(yīng)用情況進(jìn)行探討，從而提出解決工程問題的看法與建議，為碼頭工程采用鋼管樁樁尖施工的工作人員提供一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ) 鋼管樁 碼頭工程

近幾年，隨著我國貿(mào)易往來的增多，對港口碼頭的需求增大，鋼管樁得到廣泛應(yīng)用，其得天獨厚的優(yōu)勢為我國碼頭工程作出了重要貢獻(xiàn)。

1.鋼管樁設(shè)計要素

1.1樁承載力

施工前，了解樁承載力是基本要求，是樁基結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)，也是其最重要的參數(shù)。樁承載力不僅包括樁與地基相互作用的承載力，也包括樁身材料的承載力，進(jìn)行樁基工程施工時，必須了解樁基承載力才能正確設(shè)計樁結(jié)構(gòu)。碼頭實際施工中，根據(jù)公式確定樁基本承載力后，施工前首先進(jìn)行試樁，以此作為沉樁終錘標(biāo)準(zhǔn)，能保證工程質(zhì)量。樁承載力公式為：

1.2樁身結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋼管樁的樁身結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是其所能承受的彎壓組合，根據(jù)材料力學(xué)方法，驗算樁身材料力學(xué)。保證允許應(yīng)力法與其對應(yīng)，碼頭工程對鋼材強(qiáng)度的要求較高，按照港口工程規(guī)范，嚴(yán)格調(diào)整其強(qiáng)度設(shè)計值，使其滿足施工要求。

1.3材質(zhì)選擇

鋼管樁的鋼材一般選用Q235、16Mn、15MnV鋼，鋼管樁對承載力的要求較高，其一定要滿足港口碼頭高強(qiáng)度的運輸需求，因此其承載力必須大，錳鋼強(qiáng)度設(shè)計值與Q235相比，其強(qiáng)度設(shè)計值大，采用錳鋼較為經(jīng)濟(jì)；市場上出現(xiàn)的耐腐蝕的鋼材較為昂貴，就其經(jīng)濟(jì)性而言，采用防腐蝕性能普通的鋼種最合適。

1.4壓屈皺問題

使用過程中鋼管樁頂與上部結(jié)構(gòu)之間相互連接，發(fā)生屈皺現(xiàn)象的機(jī)率很小，最容易出現(xiàn)的是錘擊沉樁的時候。根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》要求，鋼管樁打入持力層過程中，如果沉樁遇到一定的困難，樁外徑與壁厚的比例控制在70以內(nèi)最宜。這是由我國碼頭工程實際調(diào)查和經(jīng)驗總結(jié)中得出，能有效地避免沉樁時帶來的屈皺問題。容易出現(xiàn)屈皺問題的還有一種狀態(tài)，即靜載試樁狀態(tài)。隨著碼頭的大量使用，對大直徑鋼管樁設(shè)計樁力要求很高，其極限承載力高達(dá)10000KN。做樁極限承載力試驗時，要加載到樁破壞狀態(tài)前或出現(xiàn)不適于承載變形的狀態(tài)，其加荷量大于檢驗性試驗，由此看來，靜載試樁階段，樁基受到的軸向荷載最大。試樁時候，試驗樁樁頂水平?jīng)]有足夠的約束力，容易出現(xiàn)壓屈現(xiàn)象。因此，采取一定的輔助設(shè)施，將試驗樁側(cè)向位移限制在一定范圍內(nèi)，提高其抗屈皺能力。

1.5樁頂錨固措施

最難分析的是樁頂錨固受力，絞接結(jié)構(gòu)構(gòu)造極其復(fù)雜，樁頂容易出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，施工難度大，因此，固結(jié)設(shè)計使用較為廣泛。樁頂與上部結(jié)構(gòu)的固結(jié)采用的鋼管樁嵌入上部結(jié)構(gòu)及鋼筋伸入上部結(jié)構(gòu)等方式，根據(jù)樁頂承受的彎矩、剪應(yīng)力，驗算其承載力。

1.6防腐蝕設(shè)計

加強(qiáng)鋼管樁抗腐蝕性，使用最多的方法是預(yù)留腐蝕裕量厚度、防腐涂層和水下陰極保護(hù)等，通過判斷各個區(qū)域的抗腐蝕能力，采用適當(dāng)?shù)姆栏胧┻M(jìn)行防腐工作。增加預(yù)留腐蝕厚度是其中最為簡便的方法，由于碼頭工程樁基結(jié)構(gòu)承載要求高，需要較厚的壁厚，一般投入使用的時間較長，采用此種方法鋼管樁壁厚增加，厚板供應(yīng)困難，其耗鋼量大，因此不滿足經(jīng)濟(jì)要求，采用多種防腐措施，能起到減少腐蝕鋼材厚度的情況發(fā)生。對于水下腐蝕區(qū)域，由于常年受水侵蝕，其對抗腐蝕的要求更好，因此一般采用陰極保護(hù)或涂層與陰極保護(hù)聯(lián)合的方式，增加其抗腐蝕性。

2.鋼管樁常見樁尖類型

隨著港口碼頭的大量使用，碼頭的前沿水深及裝卸設(shè)備荷載要求也越來越大，其荷載必須滿足要求，才能保證運輸?shù)捻樌M(jìn)行。碼頭前方承臺的大直徑管樁取代傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土樁，其必須具備穿透力強(qiáng)、耐錘擊性強(qiáng)等要求。布置鋼管樁基基礎(chǔ)時，基樁的樁長及樁徑必須合理選擇，發(fā)揮其最大樁力。鋼管樁樁尖的閉塞效應(yīng)使得其容易受天氣、地質(zhì)條件及沉樁能力影響，使得其設(shè)計不易把握，容易因為鋼樁過長，投資資金增加，或者鋼樁過短，承載力太小等情況影響。國內(nèi)外關(guān)于大直徑鋼管樁使用不同樁尖之后引起閉塞效應(yīng)的相關(guān)研究不多，通過靜載試樁分析其閉塞效應(yīng)的研究更少。隨著鋼管樁應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，地質(zhì)條件更加復(fù)雜，難以預(yù)計。實驗證明，采用半封閉樁尖的沉樁實施起來較為困難，軟硬交錯的土層中，開口型樁尖的弊端是，打樁過程稍不注意，容易穿過透硬層。常使用的樁尖類型如圖1所示：

3.實際案例試樁結(jié)果分析

本研究結(jié)合某市某碼頭工程，其鋼管樁基礎(chǔ)碼頭增多，碼頭地質(zhì)結(jié)構(gòu)最早首層為淺層砂層，其次為粘土及粉質(zhì)粘土，最后一層為深層砂層，目前地質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)展成粘土夾砂或粉質(zhì)粘土夾砂，直至最后發(fā)展成更深的砂層。

對其港北港池集裝箱碼頭5#-7#泊位直徑的1.2m鋼管樁進(jìn)行靜載試樁試驗，將樁尖型式優(yōu)化設(shè)計之后，對鋼管樁采用不用型式的樁尖進(jìn)行穿透力試驗，研究入土深度不同，鋼管樁的承載能力及半封閉樁尖的閉塞情況，為此總結(jié)出最合適的樁尖型式，滿足施工要求，為鋼管樁樁尖的廣泛使用提供重要依據(jù)。

開口樁尖類型的鋼管樁，其樁身長、錘擊數(shù)高、施工工期長；十字型半封閉樁尖其閉塞效應(yīng)差別大，有些錘擊數(shù)低、承載力要求不滿意施工要求。根據(jù)本碼頭實際情況，結(jié)合當(dāng)前最常使用的樁尖結(jié)構(gòu)型式，采用新型六瓣型樁尖和管型開口樁尖，通過一系列靜載試驗后得知，其閉塞效應(yīng)得以提高，打樁難度并沒有增加，在其安全性得到一定保障的前提下，縮短工期，提高工作效率。本次采用的樁尖型式如圖2所示：endprint

本次新型樁尖靜載試驗中，S-1采用的管型開口樁尖直徑為1.2m，樁底高-42.0m，錘擊數(shù)為1910擊，通過靜載試驗得知單樁極限承載力為19268kN，樁側(cè)阻力為11922.63kN，樁端阻力為7344.32kN，通過計算得知，樁端為閉塞狀態(tài)。S-2采用的開口樁尖直徑為1.2m，樁底高-57.0m，錘擊數(shù)為3049擊，通過靜載試驗得知單樁極限承載力為18554kN，樁側(cè)阻力為17472.5kN，樁端阻力為1081.54kN，其閉塞系數(shù)通過計算約為15%。S-1試樁不考慮增加樁尖材料用量，其總錘擊減少1136擊，單樁承載力得以提高，提高20%。從經(jīng)濟(jì)效益角度分析，取得的成果較為顯著。

靜荷載試驗中，六瓣型樁尖的直徑為1.0m，錨樁樁底高程為-47.0m，錘擊數(shù)為1270擊，單樁極限承載力為12876kN，其錘擊能量小，摩阻力大，錘擊次數(shù)及承載力都偏小。

綜合上述可知，地質(zhì)條件一致的情況下，直徑1.2m的管型開口樁尖效果良好，適宜本碼頭使用。經(jīng)過樁基承載力試驗，滿足設(shè)計要求，將其優(yōu)化之后，鋼材用量減少2380t，節(jié)省投資金額705萬元，不僅提高工程經(jīng)濟(jì)效益，更為新型樁尖的推廣起到一定的借鑒作用。

4.結(jié)束語

隨著港口運輸?shù)陌l(fā)展，鋼管樁樁尖以其優(yōu)勢在碼頭工程中發(fā)揮的作用越來越大。筆者對鋼管樁設(shè)計要素加以分析，包括樁承載力、樁身結(jié)構(gòu)設(shè)計、材質(zhì)選擇、壓屈皺問題、樁頂錨固措施及防腐蝕設(shè)計等。總結(jié)鋼管樁樁尖常見類型，結(jié)合實際案例，通過某市某碼頭工程中采用的新型六瓣型樁尖和管型開口樁尖兩種樁尖，對其進(jìn)行承載能力分析之后，得知管型開口樁尖更適合本碼頭采用，為節(jié)省打樁時間，保證工程如期完成提供了重要的參考價值。

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