基于高應變檢測及水平靜載試驗的鋼管樁穩定性研究

羅飛躍（1.中電建安徽長九新材料股份有限公司，安徽 池州 247100；2.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

長九（神山）灰巖礦物流廊道工程位于安徽省池州市貴池區，主要承擔礦山至碼頭的礦石運輸任務，全長 12.98 km，其中，跨越馬料湖段全長 1 780.0 m，采用鋼管樁＋貝雷橋結構，膠帶機布置于貝雷橋面上。工程共 99 榀排架，跨度 18.0 m，排架結構的安全等級二級，排架結構的設計使用年限為 50 a。每榀排架由 2 根Φ800 mmδ16 mm 鋼管樁組成，鋼管樁之間采用Φ600 mmδ10 mm 鋼聯撐連接；管樁上部由樁冒 ＋ 工字鋼蓋梁＋貝雷梁組成。工程樁基分為嵌巖樁和摩擦樁，其中，M﹣1 ～ M 14、M 18 ～ M 29、M 45 ～ M 47、M 77 ～ M 80 排架（共 35 榀排架）樁基按嵌巖樁設計，要求樁基進入中風化石灰巖不小于 1.5 倍樁徑（1.2 m）；M 15 ～ M 17、M 30 ～ M 44、M 48 ～ M 76、M 81 ～M 98 排架（共 65 榀排架）樁基按摩擦樁設計。

工程樁基選用 80 T 履帶吊和 DZ 120 A 振動錘進行“釣魚法”沉樁施工。根據沉樁結果統計分析，原設計嵌巖樁實際施工樁長普遍小于設計樁長。根據樁尖標高值結合地勘鉆孔資料分析，嵌巖樁樁尖標高基本達到中風化巖面，未能按設計要求嵌巖；結合高應變檢測結果及樁基實際入巖情況分析，該類樁型判別為端承摩擦樁。原設計摩擦樁實際施工樁長大于設計樁長與小于設計樁長的比例約為 4∶6，樁長不符存在普遍性，結合樁基入巖深度及下臥層溶洞情況，對該類樁基分別判別為端承摩擦樁和摩擦樁。

1 樁基軸向承載力檢測及計算

1.1 工程樁檢測

在樁基施工過程中，對本工程 M 0-N 3、M 0-N 4 工程樁進行高應變和水平靜載試驗檢測。同時，對 M 92-N 187、M 92-N 188、M 93-N 189、M 93-N 190 進行高應變檢測。試驗檢測樁基參數如表 1 所示。工程樁高應變檢測基樁共 6 根，各測 1 次，所測各樁樁身完整，極限抗壓承載力、樁側平均摩阻力檢測結果表 2 所示。

表1 工程樁檢測樁基參數

表2 高應變測樁分析結果

由表 2 可知，M 0-N 3、M 0-N 4 樁基承載力由側摩阻力和端承阻力組成，符合端承摩擦樁的特點。M 92、M 93 號排架工程樁樁端承載力為 100.0 kN 左右，可忽略不計，樁基極限抗壓承載力主要由樁側摩阻力組成，符合原設計樁基為摩擦樁的設計。在計算樁基承載力時，可近似不考慮樁端承載力，樁基承載力由樁側摩阻力組成。

1.2 試驗樁檢測

為進一步驗證 M 0 ～ M 46 排架段樁基的承載能力，在M 0 排架附近廊道外側打入 6 根試驗樁，并對試驗樁進行高應變法和水平靜載荷試驗檢測。本次試驗樁樁基編號為 S 1-1、S 1-2、S 2-1、S 2-2、S 3-1、S 3-2。其中，S 1-1、S 1-2 號試驗樁樁長 9.6 m、9.5 m；S 2-1、S 2-2 號試驗樁樁長 8.6 m、8.5 m；S 3-1、S 3-2 號試驗樁樁長 10.8 m、10.8 m。試驗樁與 M 0 排架及廊道平面位置關系如圖 1 所示，試驗樁位置地質剖面圖如圖 2 所示，試驗樁樁基參數如表 3 所示。試驗樁樁基高應變檢測的激振力采用自由落錘，選取3.5 t 的重錘，落距為 1.0 m。試驗樁的極限抗壓承載力、樁側平均摩阻力、樁端地基應力檢測結果如表 4 所示。

圖1 試驗樁與 M 0 排架及廊道平面位置關系圖

圖2 地質剖面圖

表3 試驗樁樁基參數表

表4 試驗樁高應變檢測結果

1.3 單樁軸向承載力計算

根據試驗樁位置地質剖面圖可知，S 2 排架試驗樁樁端未進入中風化巖面，S 1-1、S 1-2、S 3-1、S 3-2、M 0-N 3、M 0-N 4 樁基樁端均進入中風化巖，樁基類型相同，均為端承摩擦樁。因此，合并 S 1-1、S 1-2、S 3-1、S 3-2、M 0-N 3、M 0-N 4 樁基的高應變試驗結果進行驗證計算。

根據 JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》，本次研究運用規范經驗參數法對試驗樁的單樁豎向極限承載力進行計算。計算時，運用高應變法樁端承載力試驗結果對經驗參數公式中的樁端土塞效應系數λp進行率定，最終得出 S 1、S 3、M 0 排架兩根樁的樁端土塞效應系數分別為 0.50、0.51、0.49。利用率定出的樁端土塞效應系數，采用規范經驗參數法計算樁側摩阻力、樁端承載力及單樁豎向極限承載力，并將計算結果與高應變法試驗結果進行比對，具體如表 5 所示。

表5 高應變法試驗結果與規范經驗參數法計算結果比對表

由表 5 可知，計算出的樁側摩阻力與樁長成正比。樁端承載力主要與樁端進入持力層深度有關，但與樁端進入持力層深度不成正比關系，主要由樁端土塞效應系數控制。按規范給出的經驗公式，樁端土塞效應系數主要與樁端進入持力層的相對深度有關，試驗樁中最大入巖深度為 1.3 m，采用規范給出的經驗公式，計算樁端土塞效應系數為 0.26。這與率定結果相差較大。經分析，當樁端進入中風化巖面后，因基巖抗壓強度較高，計算端阻力時，不能忽略管壁端部提供的端阻力，如仍按樁端進入持力層的相對深度考慮樁端土塞效應系數已不盡合理。對比樁端承載力試驗結果與計算結果，利用規范經驗參數法計算出的樁端承載力與試驗結果基本一致，可以判定本次研究率定的樁端土塞效應系數具有較高的可信度。

根據上述分析，單樁軸向承載力規范經驗參數法計算公式中的樁端土塞效應系數，可直接取率定最小值 0.49 代入計算。為偏安全計，本次研究計算工程區排架的單樁軸向承載力時，樁端土塞效應系數取 0.45。

2 水平力作用下樁基計算參數的確定

2.1 水平靜載試驗

對本工程 M 0-N 3、M 0-N 4 兩個工程樁及 6 根試驗樁進行水平靜載試驗檢測。試驗結果如表 6 所示。

表6 水平靜載試驗檢測結果表

2.2 水平位移計算

結合工程地質勘查資料及相關規范中各土層推薦m值，對各層土的m值進行試算，最終率定出的各層土m值，具體如表 7 所示。根據率定的m值對 8 根樁的水平位移進行計算，將計算結果和試驗結果進行比對，結果如表 8所示。

表7 樁基規范建議 m 值和率定 m 值 kN/m4

表8 水平靜載試驗結果與計算結果比對表

由表 7 可知，采用率定的m值計算得到的水平位移結果與試驗結果比較接近，且計算結果大部分較試驗結果大。考慮到率定的m值均低于或等于規范推薦的各類地基土m值的下限，由此可以認為本次研究率定的m值推廣到工程排架的水平位移計算中是可以保證安全的。

3 工程結構分析

3.1 排架力學模型

本次結構復核計算采用易工水運工程結構 CAD 集成軟件 V 2.0 對基樁承載力進行計算。同時，利用易工高樁框架模塊對物流廊道排架進行建模計算。

3.2 計算參數

（1）樁基計算參數。排架計算模型的主要參數如下所示。Φ800 mm 鋼管樁設計δ16 mm，本次計算時考慮預留腐蝕厚度 2 mm，按δ14 mm 計算，其 EI= 6.358×105 kN·m2。Φ600mm×10 mm 剛橫撐，EI= 1.693×105 kN·m2。雙拼 40 a 工字鋼蓋梁，EI= 2.18×105 kN·m2。

排架樁基計算采用前述樁基豎向承載力分析及水平位移分析成果，樁端土塞效應系數取 0.45。

（2）工程荷載。鋼管樁單位跨度（18 m）內的荷載包括鋼管樁、橫聯撐、工字鋼蓋梁、貝雷架、雨棚、膠帶機等自重恒載以及膠帶機運輸物料荷載、雪荷載、風荷載、不上人屋面活荷載和人群荷載等活荷載。根據計算，單位跨度（18 m）內荷載計算結果如表 9 所示。

表9 單位跨度內荷載計算結果表

3.3 樁基內力和位移計算

（1）計算內容。根據 M 0～M 97 排架樁基施工實際樁長，地質資料采用各樁基礎的工程地質，泥面高程按排架所處的實際高程，分別復核計算 M 0～M 97 排架樁基內力及樁基承載力標準值。對排架樁基施工實際樁長大于設計樁長3 m 及以上的 M 73、M 81～M 84、M 87～M 92 排架樁基按摩擦樁計算，不考慮樁端承載力；其他排架樁基按端承摩擦樁計算。根據 JGJ 94—2008 《建筑樁基技術規范》，單樁豎向承載力特征值Ra如式（1）所示。

式中：Quk—單樁豎向極限承載力標準值，kN；

K—安全系數，取K＝2。

（2）樁基承載力分析。各排架樁基最大樁力相同，端承摩擦樁類別的樁基承載能力特征值基本為 1 000.0 kN 左右，摩擦樁類別的樁基承載能力特征值隨著入土深度增加而增加，計算的樁基承載能力特征值最小值為 586.0 kN。經比較，物流廊道（馬料湖段）各排架樁基承載能力特征值均大于樁基最大樁力，滿足規范及使用要求。

（3）排架位移結果分析。根據規范，樁基入土深度 ＞4T時（本工程經計算，樁的相對剛度系數T=2.21 m，4T=8.84 m），樁基屬于彈性長樁，本次研究按樁基入土深度 9 m 進行區分。樁基入土深度 ＞ 9 m 的排架，計算最大水平位移在 M 94 排架之前為 14.73 mm，M 95 ～ M 97 排架由于樁頂高程增加，其計算最大水平位移為 23.27 mm。本次分析認為，該部分排架變位處于彈性變位階段，可以滿足使用要求。樁基入土深度 ≤ 9 m 的排架，計算最大水平位移多數 ＜10.00 mm，少數排架水平位移＞10.00 mm，且最大值為 10.41 mm。根據水平靜載荷試驗成果，在樁頂最大水平位移 10 mm 左右時，其卸載后的位移回彈率為85.3%～93.2%，處于彈性變位階段。因此評定該部分排架可以滿足使用要求。

4 工程評價

4.1 安全性評價

根據樁基的垂直承載能力和水平承載能力的計算分析結果，結合上部結構按照設計極限狀態和設計狀況（荷載效應），對本工程的樁基進行工程安全性評價。依據 JTJ 302—2006《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》中安全性分級標準，對物流廊道（馬料湖段）每榀排架樁基進行安全性評估，排架樁基安全性驗算結果均為r≥ 1.0。綜合評定長九（神山）灰巖礦物流廊道馬料湖段跨越工程樁基結構安全性等級為 A 級。

4.2 使用性評價

本工程使用性評價依據主要為樁基水平位移，參考水平靜載荷試驗結果，最大水平位移為 10.87 mm，為彈性變位，因此本次研究以水平位移 10.87 mm作為評估標準。根據使用性分級標準，對樁基入土深度 ≤ 9 m 的 M 0～M 30排架樁基進行使用性評估，物流廊道（馬料湖段）M 0～M 30 排架樁基使用性驗算結果均為r≥ 1.0；樁基入土深度 ＞9 m 的 M 31～M 97 排架屬于彈性長樁，排架的計算最大水平位移為 23.27 mm，滿足使用性要求。綜合評定長九（神山）灰巖礦物流廊道馬料湖段跨越工程樁基結構使用性等級為 A 級。

5 結 語

（1）長九（神山）灰巖礦物流廊道（馬料湖段）排架樁基承載能力特征值均大于樁基最大樁力，滿足規范及使用要求。

（2）根據計算分析，當樁基入土深度 ＞ 9 m（＞ 4T，T為樁的相對剛度系數）時，為彈性長樁，排架最大水平位移為 23.27 mm，排架為彈性排架，可以滿足使用要求；樁基入土深度 ≤ 9 m 的排架水平位移最大值為 10.41 mm，處于彈性變位階段，排架結構滿足使用要求。

（3）經綜合判定，長九（神山）灰巖礦物流廊道馬料湖段跨越工程樁基結構安全性等級為 A 級，使用性等級為 A 級。