天津港大沽口港區(qū)東部區(qū)域兩種樁型承載力對比分析

蔡軍，樊士廣，劉釗，朱德華

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

2014年，國務(wù)院正式批準(zhǔn)天津口岸新一輪擴(kuò)大對外開放計劃，批準(zhǔn)天津港新增對外開放水域1 120 km2，新增碼頭岸線69.1 km，新建對外開放碼頭泊位71個，這一計劃為天津港的新一輪發(fā)展建設(shè)帶來了機(jī)遇，天津港大沽口港區(qū)是此次新增對外開放的重要區(qū)域。大沽口港區(qū)在建工程已經(jīng)很多，但離東部區(qū)域較遠(yuǎn)，對于東部區(qū)域工程可借鑒度低。另外，700 mm×700 mm預(yù)應(yīng)力混凝土方樁在天津港的應(yīng)用剛剛起步，試樁資料還是空白。有鑒于此，在東部區(qū)域擬建的某碼頭工程先期進(jìn)行了試樁，獲取了豐富的試樁資料，為樁基的優(yōu)化設(shè)計及業(yè)主決策提供了重要參考資料。

1 試樁工程

1.1 地質(zhì)條件

以距試樁區(qū)域中心最近的鉆孔為例，各土層參數(shù)如表1。

1.2 樁型選擇、錘型選擇及停錘標(biāo)準(zhǔn)

本工程區(qū)域試驗基樁共4根，分為2組，第1組為2根700mm×700 mm預(yù)應(yīng)力混凝土方樁，編號為SF1、SF2；第2組為2根φ1 200mm鋼管樁，編號為SG1、SG2。同時還設(shè)置了8根錨樁（編號為M1～M8）和 3根基準(zhǔn)樁（編號為J1～J3）。

試樁平面布置見圖1。

設(shè)計要求采用D125錘，施打預(yù)應(yīng)力混凝土方樁時開二檔，施打鋼管樁時開三檔。停錘標(biāo)準(zhǔn)：1）樁尖達(dá)到設(shè)計標(biāo)高；2） 鋼管樁終錘貫入度不大于3mm，預(yù)應(yīng)力混凝土方樁終錘貫入度不大于7 mm；3）停錘以樁尖達(dá)到設(shè)計標(biāo)高為主。實際各樁型沉樁統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表1 試樁區(qū)土層分布和樁基設(shè)計參數(shù)Table 1 Parametersof soildistribution and pile foundation design in pile trial testarea

圖1 試樁平面布置圖Fig.1 Layoutof pile trial test

表2 各樁型沉樁統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Pile-sinking resultsof each type pile

2 主要試驗成果

本次試樁得到了一系列試驗成果，在此主要介紹兩種樁型的單樁軸向抗壓極限承載力、單樁在各土層的樁側(cè)摩阻力和樁端阻力、土體恢復(fù)系數(shù)、鋼管樁（開口）樁端承載力折減系數(shù)成果，結(jié)合各樁型所處土層位置及實測樁身應(yīng)力，分析兩種樁型的極限承載力組成及與規(guī)范推薦值的差異。

靜載荷試驗按JTJ 255—2002《港口工程基樁靜載荷試驗規(guī)程》[1]執(zhí)行，采用錨樁反力梁法對試驗樁分級加載，測試每級荷載作用下樁頂?shù)某两盗亢蜆渡淼膽?yīng)變值，根據(jù)測試結(jié)果經(jīng)計算、分析

？確定單樁軸向抗壓極限承載力、單樁在各土層的樁側(cè)摩阻力和樁端阻力、鋼管樁的樁端承載力折減系數(shù)。結(jié)果匯總見表3。

表3 試驗結(jié)果匯總表Table 3 Summary of test results

4根試驗樁在不同加載級下的沉降量如圖2所示。

圖2 試驗樁荷載-沉降曲線Fig.2 Curveof trailpile loading-settlement

3 極限承載力分析

3.1 預(yù)應(yīng)力混凝土方樁的單樁極限承載力

預(yù)應(yīng)力混凝土方樁的荷載-沉降曲線沒有出現(xiàn)可以直接判定極限承載力的特征，但兩根樁的最大加載值已經(jīng)非常接近其極限承載力，原因有：

1） 兩根樁分別加載至11 000 kN和11 050 kN時，其樁頂沉降量分別為39.83 mm和34.22 mm（見圖2），按照圖2所示曲線趨勢，SF2加載至下一級（11 700 kN）時的樁頂總沉降量也接近40 mm，即使再加下一級荷載時，曲線還未出現(xiàn)明顯的向下彎曲，根據(jù)JTJ 255—2002《港口工程基樁靜載荷試驗規(guī)程》[1]規(guī)定，取沉降量為40 mm時所對應(yīng)的荷載值為近似極限承載力。

2）從鋼管樁的動、靜力試驗結(jié)果對比看，兩種方法檢測的極限承載力試驗結(jié)果非常吻合。而預(yù)應(yīng)力混凝土方樁動力檢測方法的極限承載力分別為10 939 kN和11 213 kN。

根據(jù)以上兩點，認(rèn)為靜載荷試驗給出SF1和SF2的近似極限承載力分別為11 000 kN和11 700 kN比較合理。

3.2 動力載荷試驗初復(fù)打承載力對比

4根試驗樁初復(fù)打試驗結(jié)果見表4。結(jié)果顯示沉樁后經(jīng)過15～17 d的土體恢復(fù)，貫入度顯著降低，承載力明顯提高。土體恢復(fù)系數(shù)平均為1.88，相對較高。

表4 初復(fù)打結(jié)果對比Table 4 Resultscontrastof driving and redriving

3.3 兩種樁型的承載力對比

根據(jù)JTS 167-4—2012《港口工程樁基規(guī)范》[2]，對兩種樁型的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值取值如下：

靜力載荷試驗結(jié)果：預(yù)應(yīng)力混凝土方樁為11 350 kN；鋼管樁為11 400 kN。

動力載荷試驗結(jié)果：預(yù)應(yīng)力混凝土方樁為11 076 kN；鋼管樁為11 683 kN。

兩種試驗方法得出的極限承載力結(jié)果基本一致，即該區(qū)域兩種樁型的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值相差無幾，鋼管樁略高于預(yù)應(yīng)力混凝土方樁（見表5）。

表5 2種樁型承載力結(jié)果對比Table5 Resultscontrastof the bearing capacitatesof two type piles

從鋼管樁樁端阻力（表3）所占比例看，動力載荷試驗結(jié)果（平均占18.4%）較靜力載荷試驗結(jié)果（平均占13.2%）高出較多，這是因為動測分析時將開口鋼管樁下部的內(nèi)側(cè)摩阻力轉(zhuǎn)化為端阻力考慮，靜載試驗的摩阻力為內(nèi)壁摩阻力與管外摩阻力之和[3]，無法區(qū)分內(nèi)外側(cè)摩阻力，因此動測端阻力高于靜載端阻力。

3.4 兩種樁型承載機(jī)理分析

試驗前依據(jù)規(guī)范[4]在兩種樁中分別埋設(shè)了應(yīng)變傳感器，靜載荷試驗過程中對各傳感器的應(yīng)變值進(jìn)行了測試，得出各級荷載作用下不同土層的側(cè)摩阻力和樁端阻力，現(xiàn)以SG1加載至10 800 kN、SF1加載至11 000 kN時的樁側(cè)、樁端阻力為例（見表6）對樁土作用的分布進(jìn)行分析。

表6 SG1和SF1試樁的樁側(cè)極限摩阻力測試結(jié)果Table 6 Test resultsof the pile skin lim it friction of SG1 pile and SF1 pile

樁基的承載力由樁周土提供的側(cè)摩阻力和樁端土提供的端阻力構(gòu)成。表3靜力載荷試驗數(shù)據(jù)顯示鋼管樁的極限承載力由87%的樁側(cè)摩阻力和13%的端阻力組成，預(yù)應(yīng)力混凝土方樁的極限承載力由60%的樁側(cè)摩阻力和40%的端阻力組成，兩種樁型的側(cè)摩阻力和端阻力的比例有較大差別。從表1和表2的數(shù)據(jù)看出，預(yù)應(yīng)力混凝土方樁的樁端處于粉砂層（約4 m厚）的頂部，而鋼管樁樁端穿越了該層，處于黏土層。表6的數(shù)據(jù)顯示樁在進(jìn)入標(biāo)高至-32 m以下后單位面積的側(cè)摩阻力發(fā)揮很充分，較規(guī)范的設(shè)計參數(shù)有較大提高。從整體看，預(yù)應(yīng)力混凝土方樁的單位面積側(cè)摩阻力較鋼管樁略大，而且樁尖所處土層的端阻力發(fā)揮程度較規(guī)范的設(shè)計參考值有大幅度提高。

4 樁型的選擇

經(jīng)過試樁試驗，兩種樁型的極限承載力都超過了預(yù)估的極限承載力，達(dá)到了試驗?zāi)康?。地質(zhì)勘查報告顯示，該區(qū)域土層在-40～-44 m范圍有一粉砂層，厚度在1～7 m，標(biāo)貫擊數(shù)可達(dá)55～60擊，土質(zhì)較好，強(qiáng)度較高，可作為樁端持力層。但該粉砂持力層頂面起伏較大，厚度變化也較大。鑒于該土層特點，如果選擇預(yù)應(yīng)力混凝土方樁作為工程基樁，必須使樁端正確落于該持力層上，如果選擇鋼管樁，可以穿透該土層，但工程成本會增大。

5 結(jié)語

本次試樁結(jié)果表明：

1）在合理、準(zhǔn)確選擇樁端持力層，充分發(fā)揮樁端土持力作用時，700 mm×700 mm預(yù)應(yīng)力混凝土方樁可以應(yīng)用于該區(qū)域，且可打性好；

2）動、靜載荷測試結(jié)果比較吻合，說明經(jīng)過15 d的土體恢復(fù)期后進(jìn)行靜載荷試驗是合理的；

3）實測的樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值、樁端土阻力標(biāo)準(zhǔn)值較規(guī)范的設(shè)計參數(shù)有較大提高，說明了在缺少試樁資料地區(qū)進(jìn)行試樁試驗是必要的；

4）樁型的選擇需要根據(jù)投資成本、區(qū)域土層特點、施工控制水平等因素綜合確定。

[1]JTJ255—2002，港口工程基樁靜載荷試驗規(guī)程[S].JTJ255—2002,Specification for testingofpileunder static load in harborengineering[S].

[2]JTS167-4—2012，港口工程樁基規(guī)范[S].JTS 167-4—2012,Code for pile foundation of harbor engineering[S].

[3] 董淑海.大直徑水下鋼管樁豎向承載力的現(xiàn)場試驗分析 [J].土木工程學(xué)報，2007，40（S）：228-231.DONGShu-hai.Field testof the vertical ultimate bearing capacity ofunderwater large-diameter steel pipe piles[J].China Civil Engineering Journal,2007,40(S)：228-231.

[4]JGJ106—2003，建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范[S].JGJ 106—2003，Technical code for testing of building foundation piles[S].