淺談鋼管樁結構碼頭的試樁試驗技術

袁萬成

（中國港灣工程有限責任公司，北京 100010）

鋼管樁是鋼管樁碼頭結構的重要組成部分，被廣泛應用在地質條件較差的碼頭港口的基礎建設中，對鋼管樁碼頭結構的穩定性和耐久性有著不可或缺的作用，因此鋼管樁的樁基試驗是碼頭施工過程中尤為關鍵的環節。潘世集依據設計需求和地層特征，首次應用了沖擊式鉆機、旋挖鉆機、干法施工等技術手段，成功地實現了海上鋼管嵌巖樁的施工。楊森焱通過對埋深較大的鋼圍堰施工工藝進行對比，分析了鎖口鋼管樁圍堰施工的特點、圍堰設計原理、施工方法等。毛遠偉等在大噸位高應變試樁中引入樁頂裝置測力法新技術，研制小同尺寸的測力裝置，進行整體錘現場試驗。林國宏闡明樁基工程檢測從資料的收集到檢測的方法制定、多種檢測方法的搭配、相互驗證及質量管理的重要性。然而，以上研究均為結合項目實際情況對試樁試驗進行深入探討，因此，本文結合實際工程經驗對目前關于試樁試驗技術進行了研究。

1 項目概況

1.1 工程概況

某LNG碼頭新建工程項目由LNG碼頭和NPT碼頭組成，其中LNG碼頭由1個工作平臺、3個靠船墩及6個系纜墩組成，均采用高樁墩式結構。工作平臺頂高程8.26m，平面尺度為43.025m×42.68m，采用36根鋼管樁，其中包含12根斜樁，24根直樁。NPT碼頭：新客運碼頭采用16根鋼管樁，引橋段包含12根鋼管樁，鋼管樁樁徑609mm；碼頭采用4根鋼管樁，樁徑914mm，上部結構采用鋼桁架。碼頭的典型斷面結構如圖1所示。

圖1 某LNG碼頭新建工程項目典型斷面結構圖

1.2 地質概況

本項目的施工現場地形開闊，場地較為平整，低潮時，可以觀測到部分裸露的原泥面。根據現有的勘探資料，原泥面至-35m～-40m左右，為高塑性軟至堅硬的粘土層，天然含水量60%～70%。土層中夾雜著砂層，層厚沿海向陸加厚。其中陸上部分+2～-15m左右均為中密至密實的砂或淤泥質砂層。-40m以下為非常密實的中粗砂，SPT擊數從-40m的45擊加大至-50m的90擊。地質情況詳見表1。

表1 地質情況表

2 主要施工工藝及方法

本項目采用的錘擊法的施工方法，主要施工流程包括測量定位、吊樁、立樁、插樁、錘擊沉樁、停錘。（見圖2）

圖2 錘擊法的施工工藝流程

2.1 測量定位

按照業主提供的首級控制點已知點做附合導線，并采用全站儀加密控制點。陸域附近的樁定位采用RTK—GPS結合全站儀進行平面和高程定位，并控制垂直度；較遠的海域樁定位，采用打樁船上的GPS定位系統，通過錨機精確調整船位。

2.2 吊樁

待樁駁駐位后，打樁船松開前進纜的同時絞后錨和一側邊錨使打樁船以最快速度靠近樁駁，船頭轉到運樁駁一側，進行吊樁。在起吊、沉樁過程中在接觸面、點采取包裹柔性材料等措施，避免鋼索、護筒、籠口等部件相互碰撞、摩擦，從而破壞鋼管樁。

2.3 立樁

主吊鉤上升，副吊鉤下降，隨著下降程度，副吊鉤逐個解去，使管樁成豎直狀態，樁架后傾，使管樁與樁架滑道成平行狀態，抱樁器合攏抱樁并鎖定。替打沿樁架軌道滑移，套住樁頂。

2.4 插樁

本項目選定的試樁樁位均為直樁，需要控制其垂直度。施工人員通過觀察打樁船上的2臺測距儀和操縱室控制臺上的角度測量儀調整樁架的前后傾斜度，以使樁身斜率符合設計要求。再根據預先輸入的單樁平面坐標和扭角等參數，依據打樁船上的GPS定位系統，通過錨機精確調整船位。

2.5 錘擊樁

解除上吊點，樁錘沿樁架下滑，壓錘穩樁，打開離合器，啟動起落架，錘擊沉樁。沉樁的開始階段要穿過淤泥層，為防溜樁，先重錘輕打，待貫入度均勻正常后再加大能量至3～2檔。在沉樁過程中需要對沉樁進行全過程實時觀測，如果出現樁身突然下降、貫入度異常、傾斜超標、偏移等現象，立即停止沉樁并及時匯報，沉樁過程中施工員及測量員要認真及時做好沉樁記錄。

2.6 停錘

對樁的自沉、壓錘、施打進行全過程監控，隨時測定樁尖高程、入土深度及樁頂高程，并測定最后10擊平均貫入度及樁尖最終高程。當樁端達到設計標高時，每擊貫入度小于3mm，最后10擊總貫入度小于3cm；當沉樁貫入度已達到控制貫入度，而樁端未達設計標高時，應繼續錘擊100mm或30～50擊，其平均貫入度不宜大于控制貫入度，且樁端距設計標高不宜超過2～3m。

3 高應變檢測試驗

本項目進行高應變動力試樁試驗是采用重力錘沖擊樁頂的試驗方式，利用鋼管樁與土層之間產生充分的相對位移，從而增加樁表面的阻力和樁底端的承載力，并在樁頂以下樁身兩側的力和加速度傳感器，用來實時監測樁周身的應力變化，利用應力波理論分析處理力和速度的變化曲線，由此判定樁的承載力和評價鋼管樁的穩定性，從而確定樁的可行性。

試驗將鋼管樁設定為線性彈性桿，試驗樁的樁長為L，橫截面積為A，樁材彈性模量為E，密度為ρ，樁身內應力波傳播速度（俗稱彈性波速）為C（C2=E/ρ），廣義波阻抗或樁身截面力學阻抗為Z=AρC；其樁身應力應變關系可寫為：

假設土阻力是由靜阻力和動阻力2部分組成：

由此可得樁的一維波動方程：

記沖擊速度峰對應時間為t1,t2= t1+2L/C為樁底反擊對應時間，根據實測的力、速度曲線F（t）、V（t）推導可得Case法判定樁的承載力的計算公式為：

對于等載面樁，樁頂下第一個缺陷對應的完整性系數由下式計算:

其中：Rx—缺陷點X以上的樁周土阻力。

缺陷位置可根據缺陷反射波的對應時間tx由下式確定：

基于樁—土力學模型選擇合理的實測曲線擬合法，利用傳感器實測的力和速度作為邊界條件進行擬合，擬合完成時確保計算曲線和實測曲線基本重合、樁側阻力與地質資料基本相符，樁的貫入度的計算值與實測值基本吻合，從而確保本工程設計的樁參數滿足項目要求。

4 靜載荷試驗

4.1 豎向抗壓靜載試驗

本工程中的試驗樁需進行豎向抗壓靜載試驗，分別位于引橋段、墩臺處，其中引橋段為陸上靜載試驗樁采用直徑1067mm的鋼管樁，墩臺處為海上靜載試驗樁采用直徑1422mm的鋼管樁。

試驗采用的錨樁法是利用被檢測樁周圍4根施打的鋼管樁作為錨樁并與試驗大梁聯接組成反力支架。將試驗加載所用的千斤頂放置于試驗樁頂部，利用旁邊的2根獨立基樁作為基準樁。觀測梁放置在基準樁上，在觀測梁上安裝百分表測量試樁頂位移。試驗過程中需要通過安裝在錨樁上的百分表測量錨樁上拔量。試驗樁及對應的錨樁和基準樁的靜載試驗平面布置如圖3所示。

圖3 試驗樁平面圖

圖4 試驗樁抗拔試驗設備安裝立面圖

圖5 水平靜載試驗布置圖

4.2 豎向抗拉靜載試驗

抗拉試驗與抗壓試驗采用相同的反力架，同樣包括1根主梁、2根次梁、系梁、拉桿等。唯一的區別在于千斤頂將放在主梁頂部進行加載、卸載。試驗前，先在鋼管樁樁頂開坡口用于安全固定次梁，將鋼管樁樁頂與次梁焊接固定。試驗時，利用置于試驗主梁上的3臺千斤頂進行加載和卸載。試驗樁抗拔試驗立面圖見4。

4.3 水平靜載試驗

水平靜載試驗將在豎向抗壓抗拉靜載試驗的平臺上進行。在本試驗中，將參與靜載抗壓、抗拔的2根錨樁通過次梁或雙拼工字鋼聯系起來成為一個整體，作為反力結構，用以向試樁提供水平反力。利用靜載試驗時的觀測梁作為水平試驗的觀測梁，即在2根觀測樁上均利用抱箍構成支撐，將足夠長的56a工字鋼放置牛腿上，兩端通過焊接固定。試驗樁和作為反力系統的錨樁均需制作觀測梁。利用4塊百分表，2塊正對千斤頂加載方向，對稱安裝，測量樁頂位移。同時在反力次梁后面安裝2塊百分表，觀測錨樁（反力樁）水平位移。水平靜載試驗布置圖見5。

5 結語

綜上所述，通過靜載試樁和前幾根工程樁進行高應變測試可用于終錘標準驗證和優化。根據試樁試驗結果分析和試驗報告可以確定樁的承載力，為樁基提供設計參數，驗證打樁終錘準則，驗證樁施工工藝的可行性，為選擇樁頂設備和改進樁頂技術提供依據。