海洋淺水地質鋼管樁錘擊沉樁要素控制

1 引言

樁基礎是海洋淺水環境（水深≤60 m）中各種工程結構常用的一種基礎形式。 相比于混凝土樁基自重大、制作周期長、抗彎性能差、沉樁難度大等缺陷，鋼管樁具有剛度大、彈性好、抗傾覆性能強、施工便捷等優勢，廣泛應用于海上風電、橋梁碼頭等工程領域[1-2]。 目前，海洋淺水環境的鋼管樁基礎通常采用錘擊沉樁，然而，鋼管樁沉樁質量受海洋環境的影響十分明顯。 一方面，準確探測海洋環境具有諸多不確定性，使錘擊沉樁過程始終伴隨著一定程度上難以控制的意外因素； 另一方面， 海洋環境本身難以預測的固有屬性進一步加劇了實際沉樁質量大幅度偏離預定質量標準的風險。 因此，掌握海洋環境對鋼管樁沉樁質量控制起著重要的保障作用。

與陸地環境相比，海洋環境鋼管樁沉樁質量主要受水深、海底地質、海床地形及風浪流等一系列因素影響。 在近岸淺水環境中，海底地質對鋼管樁沉樁質量的影響尤為突出。 海底地質通常可分為以砂土、風化巖為代表的硬土及以黏土、淤泥為代表的軟土。 砂土呈單粒結構，土粒間聯結微弱，具有壓縮性低、抗剪強度高、無塑性等特點[3-4]；黏土含砂粒少，與水混合后有黏性和可塑性，具有流變性高、觸變敏感、抗剪強度低等特點[5]。 在錘擊沉樁過程中，鋼管樁周邊土體易發生液化現象及擠土效應[6-7]，導致土體產生較大的超靜孔隙水壓力和擠壓應力。 超靜孔隙水壓力的增大，使土粒間承擔、傳遞的壓力減小，降低了土體抵抗剪切變形的能力；擠壓應力的增加，擴大了土體橫向有效應力并減小了孔隙率，使土體強度有所提高。 與砂土層相比，黏土層黏聚力大，液化程度低，但黏土層本身強度低且結構易被破壞，在荷載作用下，承載力進一步降低減小。因此， 鋼管樁進行錘擊沉樁的質量控制側重點受海底地質的影響。

分析在海洋淺水環境中鋼管樁錘擊沉樁的過程， 歸納出影響鋼管樁沉樁質量的主要因素， 總結出不同海底地質條件下提高鋼管樁沉樁質量的關鍵要素， 對于加強海洋淺水環境中各種工程結構的穩定安全起著促進作用，同時，有效控制鋼管樁錘擊沉樁質量，對于降低施工風險，提高施工效率，節約施工成本有著明顯的指導意義， 并可為以后同類工程設計與施工提供實踐參考。

2 砂土地質沉樁要素

2.1 不同錘擊能量下砂土層的響應

1）在砂土層中進行錘擊沉樁，錘擊能量隨著鋼管樁入土深度的增加而增加，即打樁阻力與入土深度呈正相關。 當采用較大錘擊能量進行沉樁時， 鋼管樁對周圍土體產生擾動和破壞作用，土體中孔隙水壓力逐漸增大，土粒所承受的有效應力逐漸減小。 有效應力降為零時，超靜孔隙水壓力最大，此時土體抗剪強度喪失，沉樁貫入度驟增且難以控制。

2）采用大能量連續錘擊沉樁，土體強度下降迅速，因砂土滲透性較強，超靜孔隙水壓力可在較短時間內消散，土體強度恢復較快。 當采用小能量進行錘擊沉樁時，土體阻力過大，鋼管樁貫入度小，能量轉化成鋼管樁動能的效率較低，部分能量反彈至錘體，易造成打樁錘損傷。 長時間采用小能量進行錘擊沉樁，使沉樁后期阻力過大，且影響施工效率。

3）沉樁過程中，土體阻力與土層性質及入土深度密切相關，為確保錘擊能量的選擇合理有效，需結合地質資料進行分析。 砂土屬于摩擦樁應用的有利地質條件， 土體阻力普遍較大。 當砂土層密實度、標準貫入度較大時，可采用較大的錘擊能量，并根據下一層土體的性質提前進行調整。

4）地質資料對實際所在位置土層的描述并不完全真實，僅根據地質資料難以對錘擊能量進行精確控制。 實際錘擊沉樁施工過程中，應結合鋼管樁的貫入度進行相應調整，確保沉樁過程中鋼管樁貫入度維持在一個較為穩定的數值， 使鋼管樁貫入度不發生大的波動。

2.2 溜樁與砂土層性質變化的關系

1）在鋼管樁沉樁施工過程中，溜樁現象較為常見，常見情況有兩種。 第一種情況為錘擊沉樁前或剛開始錘擊時發生的溜樁，土體未受較大的擾動，砂土層強度下降較小，提供的阻力與靜摩擦阻力相差無幾。 溜樁產生主要可能原因是土體存在硬土層，鋼管樁自沉深度不足，當鋼管樁穿過硬土層后，土體阻力驟然下降， 此時發生溜樁對于初始沉樁質量的控制造成了極大的風險。

2）第二種情況為錘擊沉樁過程中發生的溜樁，主要產生原因是錘擊沉樁能量過大， 土體發生液化現象， 抗剪強度喪失，鋼管樁在土體中所受阻力小于樁錘的總重量。 溜樁情況發生突然，產生的瞬時沖擊力可能對打樁錘、船舶及其他各種工程結構造成損傷。

3）為降低溜樁風險，確保沉樁過程可控，應先數值模擬錘擊沉樁過程，并根據數值模擬結果確定錘型，針對可能存在溜樁的土層進行分析，提前采取預防措施。 實際沉樁過程中，初始采用點動錘擊的方式，避免對鋼管樁造成沖擊；在樁尖到達溜樁時，提前降低錘擊能量及錘擊速率。

4）若發生溜樁，溜樁結束后，靜置觀察一段時間，同時檢查各個沉樁設備是否出現損傷。 鋼管樁穩定后，再次進行錘擊沉樁，并采用小能量進行錘擊，鋼管樁貫入度較小且變化不明顯時，逐漸增加錘擊能量。

2.3 砂土層沉樁質量控制

1）海洋淺水環境中部分工程結構對樁基的樁身垂直度及樁頂標高有著較高的要求， 且鋼管樁錘擊沉樁以樁頂標高作為停錘的控制標準。 砂土層壓縮性低，沉樁過程中，鋼管樁所受水平阻力大，鋼管樁垂直度調整困難，且隨著鋼管樁入土深度的增大，垂直度調整難度加劇。

2）鋼管樁在砂土層所承受的側摩阻力及樁端阻力較大，需采用較大的錘擊能量進行沉樁，當臨近設計標高時，易出現鋼管樁貫入度過大難以控制的情況， 樁頂標高超出設計所要求的范圍。

3）對于樁身垂直度，應加強初始沉樁階段的控制，降低后續樁身垂直度調整的難度；實際錘擊沉樁過程中，可采取邊沉樁邊測量的方式，確保鋼管樁垂直度在控制范圍之內；若鋼管樁垂直度發生傾斜，停止沉樁，根據樁身傾斜方向立即對鋼管樁施加頂推力以調整樁身垂直度。

4）樁頂標高的控制主要在沉樁最后階段。 沉樁前，可根據沉樁設備的標高及樁身刻度線推算沉樁至設計標高時樁身刻度線的位置；當樁頂標高距實際標高1~2 m 時，使用全站儀全程觀測，實時顯示樁頂標高，并適當降低錘擊能量；若樁頂標高與設計標高相差較小，可采用點動錘擊的方式，以確保沉樁質量在可控范圍之內。

5）在砂土層進行沉樁施工，沉樁阻力大，應一次連續錘擊至設計標高，避免土體強度恢復發生拒錘現象。

3 黏土地質沉樁要素

3.1 不同錘擊能量下黏土層的響應

1）在黏土層中進行錘擊沉樁，隨著鋼管樁入土深度的增加，可能出現錘擊能量反而減小的情況。 黏土在顆粒組成、力學性質及孔隙水運動規律等方面與砂土存在較大的差異，在荷載作用下， 土體中超孔隙水壓力的增長和消散速度相對緩慢。 若采用較大能量進行錘擊沉樁，黏土結構被破壞，強度損失大。

2）黏土具有較強的結構性，使土體的強度顯著增強，但結構易受擾動，即使采用小能量錘擊，土體結構破壞所損失的強度仍較大。

3）在黏土層中沉樁，地質資料對錘擊沉樁能量控制的參考作用較小。 實際沉樁過程中應盡可能采用較小的能量進行錘擊，以減小對土體結構的破壞，當貫入度偏小時，錘擊能量應緩慢進行增加，避免土體強度損失較大，鋼管樁貫入度長時間處于一個偏大的情況。

3.2 溜樁與黏土層性質變化的關系

1）鋼管樁整個沉樁過程都會對黏土造成擾動，破壞土體原有的結構。 鋼管樁自沉完成后發生的溜樁，可能為土體存在硬土層及結構強度下降共同作用的結果。

2）錘擊沉樁過程中發生溜樁，一方面因土體發生液化現象，抗剪強度下降，另一方面土體結構被破壞，土體強度下降。 擾動后的黏土強度損失較大，且土體液化恢復緩慢，土體強度需要較長時間恢復， 以滿足各種工程結構對承載力的要求。

3）通過數值模擬沉樁過程，以便于錘擊能量及錘擊速率的控制，實際沉樁過程中，應保持鋼管樁貫入度在一個偏小值的范圍；若發生溜樁，不僅需對各設備進行檢查，還應靜置一段時間，且套錘過程中緩慢壓載，避免發生二次溜樁。

3.3 黏土層沉樁質量控制

1）在黏土層進行沉樁，若鋼管樁樁身發生傾斜，對鋼管樁垂直度進行調整時，鋼管樁垂直度回彈明顯。 為確保沉樁質量符合設計要求，過程中應加強觀測，且在鋼管樁垂直度調整過程中，持續施加頂推力。

2）樁頂標高的控制主要在于沉樁最后階段的實時觀測及錘擊能量的調整， 合理有效地控制鋼管樁貫入度是確保沉樁質量的關鍵。

3）黏土層結構性強，結構被破壞后強度損失大，沉樁施工過程中可短暫中止錘擊，避免鋼管樁貫入度過大，發生樁頂標高及樁身垂直度難以控制的情況。

4 淺水地質船舶定位要素

船舶安全與波浪關系密切，在不同波浪作用下，船舶姿態呈現不同變化[8-9]。 在海洋淺水環境中，為確保順利錘擊沉樁，保持船舶拋錨狀態的穩定是施工過程中的關鍵， 而船舶定位錨泊能力受地質影響較大。

1）表征波浪的主要特征值有波向、波高、周期及波長等，其對船舶的影響體現在多個方面。 船舶橫向受浪時，船身橫搖明顯，若橫搖周期與波浪周期接近，橫搖幅度加劇，易造成船舶傾覆。 船舶頂浪時，因船舶縱向穩性較大，受波浪作用所產生的縱搖擺幅小于橫搖， 若船長小于波長， 船舶尾部振動強烈，易造成船舶尾軸斷裂；船長接近波浪波長，船舶可能承受多個波峰作用，發生中拱現象，使船體發生變形。

2）為減小波浪對船舶的影響，船舶應結合波浪情況進行拋錨進位，同時根據不同的地質選擇合適的拋錨方式，以確保船舶的穩定安全。 在砂土地質中進行拋錨，因地質較硬，落錨貫入深度小，影響錨的抓地力，當涌浪較大時，易發生船舶走錨的情況。 對于砂土地質， 在落錨過程中選擇合適的松錨速度，盡可能增加船錨觸底動能，同時調整好船錨觸底傾角，減小船錨貫入海床時的阻力，以增加船錨貫入土體的深度；適當增加船舶拋錨的長度，以增加船錨抓地力，使船舶能在較大涌浪下維持穩定。

3）黏土地質抗剪強度低，船錨在土體中貫入深度大，土體可以為船錨提供較大抓力，在船舶拋錨過程中，選擇合適正確的拋錨方法，可以有效保障船舶的穩定安全。

5 結論

為確保海洋淺水環境中鋼管樁錘擊沉樁質量， 主要從溜樁的預防、錘擊能量、樁身垂直度及樁頂標高4 個要素進行控制，具體如下。

1）沉樁前，應先針對錘擊沉樁過程進行數值模擬，根據數值模擬結果確定錘型以及樁底在不同土層中的錘擊能量。 為降低溜樁風險，可根據實際貫入度調整錘擊能量。

2）根據土層性質及實際沉樁貫入度情況，有效控制錘擊能量，降低沉樁施工風險。

3）加強初始沉樁階段樁身垂直度的控制；增加垂直度觀測頻率，鋼管樁傾斜后立即進行調整，以確保樁身垂直度在控制范圍之內。

4）樁頂標高作為錘擊沉樁的停錘控制標準，應加強監控。在沉樁最后階段，通過全站儀對樁頂標高進行實時觀測；樁頂標高臨近設計標高時，降低錘擊能量，必要時點動錘擊。

5）砂土層沉樁，在沉樁過程中應一次連續錘擊至設計標高，避免土體強度恢復發生拒錘現象；黏土層沉樁，在沉樁過程中可短暫中止錘擊，避免貫入度過大，導致樁身垂直度及樁頂標高難以控制。