密實含砂碎石和卵石地層鋼管樁沉樁試驗研究

趙劉群，婁學謙，胡興昊，吳 浩

(1.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；3.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海)，廣東 珠海519082)

鋼管樁是海洋工程最廣泛采用的樁型[1]。復雜地層條件下，開展鋼管樁沉樁施工研究是項目順利開展的關鍵，已有不少學者開展研究探索并取得了一定成果。蘇世定等[2]研究了珊瑚礁巖土地區打入式鋼管樁沉樁規律，馮光華等[3]研究了薄壁鋼管樁在強風化巖層中的穿透性能。密實含砂碎石或卵石地層中設計采用鋼管樁的項目較少，關于該種地層條件下鋼管樁沉樁施工的研究尚較少。

筆者以國外某工程為背景，在現場試驗得到原位土參數的基礎上，在國內開展打樁模型試驗，并基于GRLWEAP軟件進行了基樁可打性分析，在基本驗證可行性的基礎上進行現場足尺試驗，獲得了較多實用成果，可供相關工程參考。

1 概況

1.1 工程概況

秘魯某港口工程主要包括建設4個營運泊位和1個輔助艇泊位，1#和2#泊位為多用途泊位，長度分別為295和345 m；3#和4#泊位為專用集裝箱泊位，長860 m；滾裝運輸和工作船泊位長177 m。根據設計要求，先期在地層條件具有代表性的1#泊位開展施工驗證，1#泊位港池設計高程為-14.8 m，岸坡坡度4:1，沉樁施工在港池開挖前進行，樁型為鋼管樁，樁基設計參數見表1。

表1 1#泊位樁基設計參數

1.2 地質概況

根據項目巖土勘察報告，1#泊位參考鉆孔編號為M03～M07，孔口高程分別為-3.51、-4.50、-7.68、-6.31、-6.90 m，巖土以細砂、碎石和卵石、膠結砂為主。參考鉆孔巖土層物理力學性質見表2。

表2 參考鉆孔土層分布及物理力學性質指標

1.3 沉樁設備

根據現場情況，計劃采用吊打方案施工鋼管樁。初選插樁用的液壓振動錘型號為ICE1412D，最大頻率23 Hz，激振力2.5 MN，拔樁力2.0 MN，質量11.7 t，長度2.425 m、寬度1.070 m、高度4.940 m。沉樁至設計要求的深度或承載力則采用液壓沖擊錘，型號為YC40，最大打擊能量680 kN·m，最大行程時打擊頻率23次/min，錘質量40 t，最大下落高度1.70 m，工作壓力25 MPa，長度1.860 m、寬度1.674 m、高度8.495 m。

2 沉樁分析

2.1 模型試驗

為分析可比地層條件下采用液壓錘沉樁過程中樁側阻、端阻情況以及是否會造成樁端卷邊，在國內開展了模型試驗，主要步驟包括：1)使用震動錘將直徑2.0 m、長18.5 m的鋼護筒打入泥面以下約18.0 m；2)使用旋挖鉆機清除護筒內部泥土至護筒底高程；3)灌注混凝土，將護筒底部3.5 m段封閉，混凝土硬化后抽干護筒內的水；4)按每層厚度0.7～1.0 m分層回填級配碎石和卵石，直至地面高程，并使用震動錘分層夯擊，通過重型DPT(動力觸探試驗)檢測，結果見表3，回填碎石和卵石地層達到密實狀態；5)待模擬地質回填完成后，在鋼護筒內使用振動錘對同工程樁規格的模擬樁進行插樁施工，焊接輔助導向架；6)采用液壓錘進行模擬樁沉樁施工，驗證樁的可打性和打樁功效，證明了該地層中沖擊沉樁未發生卷邊，同時進行高應變全程動測。模擬地層DPT檢測結果見表3，部分模型試驗步驟見圖1。

表3 模擬地層DPT檢測結果

圖1 模型試驗步驟

在模型樁沉樁施工過程中，進行了高應變動測試驗，并進行部分初打或復打高應變動測，對樁入土1.7、7.4、9.5、12.7、14.5、15.6 m的高應變動測數據進行CAPWAP擬合分析，得出試打樁各次動測結果(表4)。

根據表4結果可知：1)動測承載力為2.6～9.6 MN，樁側土單位面積摩阻力為47.5～134.2 kPa，總體上樁入土深度越深樁的承載力越大，土層恢復不明顯。2)護筒內密實碎石體注水后沉樁更容易，承載力有所降低。3)基于模擬地質與項目現場條件基本相似的假定，計算土層恢復系數可取1.2左右，以評估最終承載力情況。4)采用液壓錘將直徑1 016 mm樁打入0～15.6 m的過程中，打樁應力處于合理范圍內。5)模擬地層雖達到密實狀(貫入10 cm的DPT擊數在11～92擊)，但仍無法達到與參考鉆孔同等密實的程度(貫入10 cm的DPT擊數均大于50，最大的超過300擊)，試驗得到的摩阻力結果按最高值并結合規范和經驗取值采用。

表4 試打樁資料及動測結果

2.2 可打性分析

根據表2所示的土層參數，并結合2.1節的模擬試驗結果和JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》[4]，取④1層單位樁側摩阻力和樁端阻力值分別為0.2、13.0 MPa。采用GRLWEAP的可打性分析功能對1#泊位鋼管樁的可打性進行分析，在④1層中的樁端閉塞系數取0.7。試驗階段設計文件沒有給出可打入性關鍵停錘貫入度、樁身應力、打入深度、錘擊數等的具體規定，僅提出盡量按表1設計樁底高程控制。鑒于設計未提供停錘貫入度標準，采用GRLWEAP分析時可參考國外相關規范和資料的規定進行控制。美國石油學會API標準[5]指出，如果沒有其他規定，打樁拒錘標準定義為連續1.5 m沉樁阻力超過248擊/(250 mm)。美國API標準[6]、美國國防部標準[7]、歐盟標準[8]等均指出鋼管樁沉樁時樁身允許應力可按樁身鋼材屈服強度的90%控制。分析結果見表5。

表5 基于GRLWEAP的打樁分析結果

由表5可以看出，鉆孔M04樁最為難打，無法沉樁至設計高程，距離樁底設計高程相差4 m以上。鉆孔M03、M05、M06、M07樁，通過調整錘的跳高，預估可將樁沉至設計高程，但錘擊數偏大，長時間大跳高錘擊對錘的損壞極大、效率低下、可行性不高。此外，分析樁可打入性時，該類地層條件的樁端閉塞系數尚難以準確預估，單位樁側摩阻力和樁端阻力值也存在取值誤差的可能，綜合來看，各泊位沉樁均存在不同程度困難，如錘擊跳高過大、錘擊數過高，對施工安全性和經濟性極為不利，拒錘風險極高。

為沉樁至設計樁底高程可采取的措施有：1)清除樁內土塞等輔助沉樁措施；2)增加樁的壁厚并采用更高能量的錘沉樁；3)在滿足承載力、最小入土深度的前提下，樁底設計高程上移；4)多種措施結合采用。

按原設計樁底高程，樁的初打承載力遠大于設計荷載，樁的入土深度可以優化的可能性較大，進一步以M03孔為例，按貫入度小于3 mm/擊控制停錘的分析結果見表6，樁的承載力仍可滿足設計要求。

表6 按貫入度小于3mm/擊控制停錘時GRLWEAP的打樁分析結果

3 現場試樁

3.1 沉樁

為進一步驗證上述分析結果，在1#泊位靠近M03的位置附近進行5根試沉樁，其中TP01為靜載試驗樁、AP01～AP04為TP01靜載試驗的錨樁，5根試沉樁規格與工程樁相同。

3.1.1振動錘插樁

TP01樁在樁底高程為-10.6 m處遇到硬質地層，振動錘在該層插樁出現劇烈反彈，振動8 min后無進尺，停止沉樁，此時鋼管樁入土深度符合穩樁條件，可以換沖擊錘沉樁。AP01～AP04樁分別在樁底高程為-10.2、-9.4、-10.5、-7.7 m處遇到硬質地層，停止插樁。

3.1.2沖擊錘沉樁

當振動錘插樁滿足穩樁要求或無法再振動下沉時，改用沖擊錘進行沉樁，沉樁過程中選用合適的沖程，確保鋼管樁平穩下沉，當沉樁至設計樁底高程即可收錘。試樁AP03最終停錘跳高1.0 m、貫入度3.0 mm、樁底高程-17.49 m。

3.2 高應變動測

試樁TP01、AP01～AP04均未達到表1所示的樁底設計高程，這與2.2節的分析結果性質具有一致性，即1#泊位沉樁困難。為驗證試樁承載力是否滿足要求，進行高應變動測承載力試驗，試驗結果見表7。

由表7可以看出，試樁的初打和復打承載力可滿足設計要求，并可根據CAPWAP擬合分析出④1層的單位樁側摩阻力約為225 kPa，按樁完全閉塞計算④1層的單位端阻力值不低于13 MPa。與表5、6所示GRLWEAP的打樁分析結果相比：1)在達到相似貫入度的情況下，如貫入度≤1.0 mm/擊或貫入度≤3.0 mm/擊，樁身應力、初打承載力接近；2)GRLWEAP的打樁分析結果樁端阻力較實測值偏小，主要原因包括：①試樁位置與鉆孔有一定的距離，地層有一定偏差，原泥面高程也不一致；②對④1層土中打入鋼管樁的樁端閉塞系數取值偏小，實際接近1；③試樁時，為便于施工，對場地進行了部分回填。

表7 現場試樁動測CAPWAP擬合分析結果

3.3 靜載試驗

為進一步驗證樁的承載力，在沉樁后第76 d進行了抗壓靜載試驗。試驗加卸載過程參照ASTM標準[9]執行，加載分為0～1.2 倍的設計荷載、0～1.5 倍的設計荷載2個循環，設計荷載為12 MN。第1循環的最大沉降和卸載至0后的殘余沉降分別為22.64、1.03 mm，第2循環的最大沉降和卸載至0后的殘余沉降分別為30.00、2.00 mm，Q-s曲線較為平緩，見圖2，樁的承載力不低于18 MN，滿足設計要求。

圖2 試樁不同荷載循環下的Q-s曲線

4 沉樁輔助措施

文獻[10]指出：在含有碎石和鵝卵石的顆粒土中施工時，大顆粒不能被射水噴走，但砂和較小的碎石會被沖出來，通過噴射和錘擊的結合，可以在有限的深度上實現貫入。可以采用氣舉法，如果減少的側摩阻力在可接受的范圍內，也可以使用膨潤土泥漿潤滑。氣舉反循環鉆機在顆粒土中鉆孔極為有效。唐研等[11]已經基于氣舉法在曹妃甸礦石碼頭大直徑超深鋼管樁清除樁心土中的應用積累了一定經驗，找出了適合曹妃甸海域地質條件的超深樁的吸泥工藝。

1#泊位因普遍存在④1碎石和卵石地層，造成沉樁困難，無法施工至設計樁底高程。但④1碎石和卵石地層卻能較早地造成樁端接近完全閉塞，為樁提供較高的樁端承載力。本項目工程沉樁發生困難時，如進一步增加樁的入土深度，建議采用氣舉反循環法進行樁內土塞清除工作。樁內土塞清除的深度，需保證錘擊沉樁至最終樁底高程時樁內土塞形成，或通過必要措施人工恢復土塞。

5 結論

1)本項目密實含砂碎石和卵石地層中鋼管樁沉樁困難，單靠振動和錘擊法沉樁無法沉樁至設計樁底高程，需清除樁內部分土塞后繼續沉樁。鑒于樁的抗壓承載力仍遠大于設計要求，樁的設計入土深度具備一定的設計優化空間。

2)進行可比地質的模型試驗輔助分析密實含砂碎石和卵石地層沉樁可行性時，應考慮模擬地質較難達到實際地質的密實程度，建議對獲取的沉樁工效進行適當折減，并對單位樁側摩阻力予以必要的提高。

3)采用GRLWEAP軟件進行基樁可打性分析，鋼管樁貫入密實含砂碎石和卵石地層中時，樁端閉塞系數可取0.7～1.0。

4)密實含砂碎石和卵石地層中鋼管樁單位側摩阻力約為225 kPa，單位端阻力值不低于13 MPa。