大直徑鋼管樁承載力時間效應現場試驗研究

鐘世心，胡興昊，桑登峰，王　湛*

（1.中交四航局第二工程有限公司，廣東廣州510300；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東廣州510230）

大直徑鋼管樁承載力時間效應現場試驗研究

鐘世心1，胡興昊2，桑登峰2，王湛2*

（1.中交四航局第二工程有限公司，廣東廣州510300；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東廣州510230）

依據深圳鹽田港西作業區集裝箱碼頭、珠海高欄港集裝箱碼頭、福建羅源灣貨運碼頭等工程中大量鋼管樁的施工實踐，結合現場相關資料，通過高應變動測試樁和靜載試樁資料的統計、對比分析，對鋼管樁承載力隨時間變化的規律進行研究。通過對3個項目現場試驗結果分析，大直徑鋼管樁的承載力恢復系數的取值范圍大致為1.2～1.4之間。鋼管樁承載力恢復系數與擠土效應明顯的PHC樁相似，擠土效應并非是決定鋼管樁承載力時效性的關鍵因素。持力層地質越好，沉樁時對樁端和樁側土的強度影響較小，樁的承載力恢復系數越小。

鋼管樁；承載力；時間效應；高應變動測；恢復系數

0　引言

預制樁被打入土后，隨著時間增長，其承載力將不斷增加，最后達到一個極限值，這種現象被稱為打入樁承載力的時效性問題[1-3]。時效性問題一直是樁基工程研究中的重點與難點，姚笑青[4]、王偉[5]、郭進軍[6]等提出的打入樁承載力隨時間的增長，主要是由于孔隙水應力消散引起土體再固結，導致樁側土有效應力增加所產生，并分別通過理論計算與試驗，研究了樁間土中超孔隙水壓力的分布及消散規律，從而預估樁承載力的增長規律，具有代表性。據此理論，高子坤[7]，曹權[8]等利用圓孔擴張及固結理論，對單樁從沉樁到使用全過程進行了理論研究，得到其數學表達。而張明義[9]則提出土體的觸變恢復性質是造成承載力隨時間變化的重要因素。

但迄今為止，業界對打入樁承載力時效性的研究，大多都集中在混凝土方樁或PHC管樁等直觀為橫截面積大、擠土效應明顯的樁型，而對大直徑鋼管樁這類管壁較薄、擠土較小樁型的研究卻較少。目前，鋼管樁在大型深水港碼頭、跨海大橋中的應用已越來越廣泛。因而，對大直徑鋼管樁承載力時效性的研究，將有助于對鋼管樁承載力發揮性狀的了解，對幫助工程各方確定樁基最終承載力以及指導施工，具有重要意義。

筆者結合在不同項目工程中獲得的相關鋼管樁現場沉樁資料，以及對在同一根樁上進行高應變初打、復打試樁和靜載試驗數據進行統計、分析，對鋼管樁承載力時效性問題進行了較為深入的研究，期待通過以上研究，有助于相關工程設計人員對大直徑鋼管樁承載力時效性問題的深入理解，也便于施工檢測技術人員對同類工程中的相似問題進行經驗判斷。

1　工程實例介紹

1.1鹽田港集裝箱碼頭工程

深圳鹽田港西作業區集裝箱碼頭工程位于深圳市鹽田區，由4個10萬噸級泊位組成，其結構為高樁梁板式。樁基采用鋼管樁結構，整個工程共沉樁1 830根。根據施工階段地質勘測報告，該工程區域主要的巖土地質層有：上部覆蓋層為第四系海相沉積層（Q4m）①1淤泥；中部為海陸交互相（陸相為主，夾雜海相）沉積層（Q3m+c）②1黏土，②2粉質黏土和②3粗礫砂；③殘積土（Qel）；下部為侏羅系（J3）風化巖。

該工程鋼管樁采用1.0m和1.2m兩種規格的樁徑，樁基入土深度大多數在10～20 m之間，樁尖均打入風化巖層，當樁基貫入度滿足停錘要求時，進行高應變動測，以校核樁的承載力是否到達設計標準，否則，繼續錘擊至單樁的承載力達標。該工程中共有377根樁在初打動測結束后，進行復打動測。為研究休止時間對承載力影響，初打與復打的時間間隔最少為1 d（24 h），最多達109 d。由此，可以根據初、復打時間間隔天數，對復打、初打得到的單樁極限承載力的比值K（即極限承載力恢復系數）進行列表統計，結果如表1所示。

同時鹽田西作業區碼頭工程還進行了10根樁的靜載試驗，G11為嵌巖樁，極限承載力大于14 400 kN，滿足設計要求，9根工程樁上進行的靜載試驗都達到了設計要求。9根樁的動、靜平均恢復系數大于1.02。考慮到靜載試驗的9根樁尚未達到極限值，因此，可以判斷，采用361根樁的平均恢復系數1.09是可信的。

表1　鹽田港集裝箱碼頭工程樁基承載力恢復系數Table 1 Recovery coefficient for bearing capacity of steelpipe piles for Yantian Container Term inal

1.2珠海高欄港國際集裝箱碼頭二期工程

珠海高欄港國際集裝箱碼頭位于珠海金灣區，二期工程由2個5萬噸級泊位組成。根據地質鉆探資料揭示，該區域的上履土層為第四系全新統至晚更新統淤泥類土或黏性土，下履土層為燕山期細粒花崗巖風化殘積層，全風化花崗巖、強風化巖。

該工程樁基采用1.0m和1.1m兩種規格的鋼管樁，樁的入土深度多數在20～30 m之間，樁尖均打入風化巖中。使用高應變動測方法初打樁63根，復打樁76根，其中，在同一根樁上進行動測初打和復打的共有15根（其中有3根樁復打入土深度超過0.5m以上，復打值視作初打值）。動測初打極限承載力有30%的樁達到設計要求。高欄港集裝箱碼頭二期工程樁的初、復打極限承載力恢復系數見表2。

表2　高欄港集裝箱碼頭工程樁基承載力恢復系數Table2 Recovery coefficient for bearing capacity of steelpipe piles for Gaolan Container Term inal

碼頭工程進行了2根樁的靜載試驗，驗證其承載力。1.0 m鋼管樁極限承載力≥9 200 kN，1.1 m鋼管樁極限承載力為9 167 kN。2根樁的動、靜平均恢復系數為1.20，與動測初、復打的平均恢復系數1.19很接近。可認定采用動測初、復打平均恢復系數1.19是可信的。

1.3福建羅源灣貨運碼頭

羅源灣貨運碼頭位于福建省羅源縣。根據勘察報告顯示，該工程碼頭區域的地質情況由上至下依次為①淤泥，②中砂，③1淤泥質土，③2粉質黏土，④1粗砂，④2碎礫石混黏性土，⑤全風化花崗巖，⑥強風化花崗巖，⑦中風化花崗巖，⑧全風化輝綠巖。

該工程均采用樁徑為1.5 m的鋼管樁，樁長在72～92 m之間，入土深度在48～63 m之間。各樁樁尖分布在黏土層、風化巖中。該工程樁基高應變動測21根，每組試樁先錘擊至要求的貫入度，再安裝力和加速度傳感器進行高應變動測，部分樁基隔一定時間再進行復打高應變動測。本試驗承載力恢復系數與時間、土層的關系如表3。結果表明，鋼管樁樁尖所在位置（巖層或黏土層）會對樁基承載力的恢復速度及效果產生影響。

表3　羅源灣碼頭樁基承載力恢復系數Table3 Recovery coefficient for bearing capacity of steelpipe piles for LuoyuanwanW harf

2　承載力時效性分析

2.1通過高應變初、復打測試所得鋼管樁承載力恢復系數的合理性

深圳鹽田港西作業區集裝箱碼頭工程與珠海高欄港國際集裝箱碼頭工程，均在進行大量高應變測試的基礎上，又分別在高應變試樁上進行了10根、2根靜載抗壓試驗。試驗結果表明：各樁動測、靜載恢復系數與動測初打、復打恢復系數十分接近。

通過鹽田港、高欄港等工程的靜載抗壓試驗驗證可知：通過部分樁高應變初、復打動測對比試驗，獲得恢復系數的方法是可行的，得到的承載力恢復系數是合理的。由此可知，在其他類似工程中建議盡量以高應變動測為主，減少昂貴繁雜的靜載試驗，如此既能達到目的，又經濟合理。

2.2鋼管樁單樁恢復系數的可推廣性

通過對3個工程中各樁初、復打動測試驗的恢復系數的對比分析，可證明：同一工程中，在地質條件及施工條件都相似的情況下，各鋼管樁承載力恢復系數差距不大。但不同工程中的承載力恢復系數相差卻很大。

鋼管樁單樁恢復系數的確定，在實際工程中意義重大。在沉樁施工的過程中，會受到水上施工特點和施工工期的限制。除前排樁之外，其他排架的沉樁次序，受到打樁船位置的影響限制，高應變動測試樁不可能都滿足復打與復打樁間隔時間的要求。所以絕大多數的高應變動測試樁，測出的都是初打樁時的單樁極限承載力。

因此，可在施工前期，通過同一根樁上高應變初、復打對比試驗，給出相應地質條件下的單樁承載力恢復系數，為同類地質及施工條件下，由初打承載力推算單樁極限承載力提供依據。

2.3鋼管樁樁尖所在位置（黏土層或巖層）對承載力時效性的影響

從上述實例鋼管樁承載力與時間關系表中可看出，打入風化巖（主要是強風化巖）的鋼管樁，土體強度恢復很快。有的在數小時，甚至數十分種內就基本恢復。同時，間隔時間在1 d或1～3 d進行復打高應變檢測，單樁承載力幾乎沒有變化；間隔時間4 d以上，樁基承載力就會趨于穩定。

而樁尖在黏土層中的鋼管樁（表3中E40，E38），則表現出休止時間越長，承載力恢復系數越大的現象。原因在于樁基承載力的增長，是由于樁周土有效應力增加、超孔隙水壓力的消散所引起。當樁尖停留在黏土層時，與樁體相互作用的黏土層越厚，其排水路徑較長，排水就較慢；當樁尖停留在巖層時，由于排水邊界條件改變，超孔隙水壓力消散更快，抗剪強度提高所需時間更短，導致其單樁承載力增長速度相對較快。

另外，通過將羅源灣碼頭工程中E40，E38號樁與G38、H37、D38號樁資料進行對比分析，可看出，打入風化巖的鋼管樁，其端阻及側阻的恢復系數，都較以黏土層為持力層的樁小；這也表明了持力層的改變，不單會影響樁端阻力的恢復，還將對側摩阻力的恢復系數產生影響。

2.4鋼管樁恢復系數取值的探討

文獻[10]、[11]中給出了打入PHC樁承載力恢復系數的取值范圍大致為1.2～1.4之間。不難看出，PHC管樁的承載力恢復系數與深圳鹽田及珠海高欄港碼頭工程以及羅源灣碼頭工程中鋼管樁的取值范圍相差不大。鋼管樁管壁較薄，擠土能力相對較弱，但承載力、恢復能力卻并不比PHC這類擠土效應明顯的樁型差。可見擠土效應并非是決定鋼管樁承載力時效性的關鍵因素。適用于PHC樁承載力時效性的圓孔擴張理論并不一定適用于鋼管樁，同時，還應考慮沉樁時的振動效應。對其機理的解釋還有待于進一步試驗和研究。

3　結語

本文以深圳鹽田集裝箱碼頭、珠海高欄港集裝箱碼頭，福建羅源灣碼頭3個相關工程實例，從實踐的角度研究了鋼管樁承載力時效性的問題。本文所介紹工程實例，均是地區乃至國家的重點項目，其設計施工要求嚴格，數據真實可靠，其規律及結論具有一定的代表性和權威性。

1）大直徑鋼管樁的承載力恢復系數的取值范圍大致為1.2～1.4之間。通過靜載試驗，驗證本研究提出高應變初、復打動測試驗所得鋼管樁承載力恢復系數的可靠性。且在同一工程中的同一地質條件及施工條件下，由單樁初復打試驗所測得的恢復系數具有可推廣性。

2）打入風化巖層的開口鋼管樁，沉樁時對樁端和樁側土的強度影響較小，土的強度恢復較快。樁尖在黏土層中的鋼管樁，承載力恢復的速度較在巖層中的要慢得多，承載力的恢復程度比樁端在巖層中的要大。

3）鋼管樁承載力恢復系數與擠土效應明顯的PHC樁相似，擠土效應不是決定鋼管樁承載力時效性的關鍵因素。鋼管樁承載力時間效應與振動作用所產生超孔隙水壓力有密切的關系。

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Field test and study of time effect on ultimate bearing capacity of large diam eter steel pipe pile

ZHONGShi-xin1,HUXing-hao2,SANGDeng-feng2,WANGZhan2*
（1.Second Engineering Company of CCCCFourHarbor EngineeringCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510300,China; 2.CCCCFour Harbor Engineering Institute Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510230,China）

Based on a great deal of practice in construction with steel pipe piles in Shenzhen Yantian third phase container term inal project,Zhuhai Gaolan container term inal project,and Fujian Luoyuan Bay freight term inal project.The rules of development of the ultimate bearing capacity of steel pipe piles over time were studied with field data and the statistics and contrast analysis of the results of high strain dynam ic tests and static compression load tests.With an analysis of the field test results of the three projects,the recovery coefficient for the bearing capacity of large diameter steel pipe piles is between 1.2 and 1.4,which is similar to that of PHC pileswith significantpushing effect.But the effectof pushing against soil isnot the key factor deciding the time dependenceof the bearing capacity of steel pipe piles.The better the bearing strata are,the smaller the influence of pile driving upon the strength of pile tips and soils around a pile is,and the smaller the recovery coefficient of the bearing capacity ofa pilewill be.

steel pipe pile;bearing capacity;time effect;high strain dynamic test;recovery coefficient

U655.544

A

2095-7874（2016）06-0044-04

10.7640/zggw js201606011

2015-12-15

鐘世心（1966—），男，浙江杭州市人，工程師，主要從事樁基工程、水運工程的項目管理和研究工作。

王湛，E-mail：290713193@qq.com