H型長鋼樁尖在密實土層中的應用

孟曉寧，于云山

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣州510230）

H型長鋼樁尖在密實土層中的應用

孟曉寧，于云山

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣州510230）

在鋼筋混凝土樁基施工時，如果遇到工程區(qū)域地質(zhì)持力層較密實且埋藏較淺或者持力層上面有較密實的覆蓋層的情況，往往會造成沉樁困難、樁的入土深度不能滿足使用要求等問題。結(jié)合具體工程的實踐經(jīng)驗對此類工程問題進行分析，提出鋼筋混凝土樁組合H型長鋼樁尖的解決方案，并與普通鋼筋混凝土樁基方案進行對比、通過計算及試樁試驗對方案進行驗證、對方案優(yōu)點及適用性進行總結(jié)。

H型；鋼樁尖；密實土

在鋼筋混凝土樁的設計與施工中，為了減小施工的難度，滿足樁基的入土深度，通常要在樁端設置鋼樁尖。目前常用的樁尖有圓錐型樁尖和H型鋼樁尖，鋼筋混凝土管樁也經(jīng)常采用鋼管樁尖。常規(guī)的樁尖長度都較小，只是作為對混凝土樁尖的一種加強措施，并不能增加樁基的承載能力。在某些特定的地質(zhì)條件下，這種樁尖對增加樁的入土深度、提高樁基承載力尤其是樁的抗拔能力，作用有限。

如果能對常規(guī)的鋼筋混凝土樁的樁尖進行優(yōu)化，使其不但能增加樁基的入土深度，還能參與結(jié)構(gòu)的受力，將能有效地提高樁基承載能力。本文將結(jié)合具體工程實例，對這一設想展開論述。

1 工程實例

天津地區(qū)某5萬t級石化碼頭工程方案采用順岸連片式布置，碼頭總長300 m，寬為25 m，頂高程為6.0 m，新建引橋長20 m。碼頭采用高樁梁板式結(jié)構(gòu)，樁基采用65 cm×65 cm預應力鋼筋混凝土方樁。本工程碼頭港池需要開挖至-13.4 m。

1.1地質(zhì)土層情況

本工程區(qū)域地質(zhì)泥面高程為-1.75～-3.90 m，土層從上到下依次為①1淤泥、①2淤泥質(zhì)粘土、②1粉質(zhì)粘土混碎貝殼、②2粉質(zhì)粘土、③1粉質(zhì)粘土、③2粉土、④粉砂、⑤粉砂。

根據(jù)勘察資料分析:第④層粉砂，其層頂標高-19.9～-24.76 m；第⑤層粉砂，其層頂標高-27.05～-31.93 m。第④層粉砂和第⑤層粉砂均分布連續(xù)，層厚相對穩(wěn)定，標貫擊數(shù)高（約為50～100擊），砂層密實均可作為樁端持力層。

1.2難點分析

在本碼頭工程區(qū)域，存在密實的砂層，可以作為樁端持力層，但是且埋藏較淺（該層頂標高為-19.9～-31.93 m），并且由于港池按照5萬t級船舶開挖至-13.4 m，因此持力層上覆蓋層厚度較?。ㄓ绕涫呛?cè)的部分樁基）。而普通混凝土預制樁打入密實的砂層的深度有限，使得樁入土深度不能滿足彈性長樁條件，且單樁的抗拔承載能力很小。而在類似地質(zhì)條件的大型碼頭也可以采用鋼管樁。但是鋼管樁比較昂貴，且鋼管樁的維護要求較高，大量使用鋼管樁會使工程造價大幅上升。

因此，如何在此類工程地質(zhì)條件下使用混凝土預制樁，將是本工程需要解決的問題。

1.3樁基方案

本工程基礎采用65cm×65cm預應力混凝土方樁。初步設計方案見圖1。

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖（采用普通預應力鋼筋混凝土方樁）Fig.1Sectional drawing of wharf structure(common squared prestressed reinforced concrete pile)

（1）彈性長樁條件判斷［1］。

根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》（JTS167-4-2012），當采用m法計算水平力或力矩作用下的單樁承載力時，樁的入土深度應不小于相對剛度系數(shù)的4倍，即Lt≥4T。

式中：m為地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，kN/m4，10 000；Ep為樁材料彈性模量，kN/m2，3.90×107；d為樁寬，m，0.65；b0為樁的換算寬度，m，1.30；T為樁的相對剛度系數(shù)，m。

經(jīng)計算，T=2.2 m。

在距離碼頭前沿線較近的樁覆蓋層較薄，樁的入土深度較淺，Lt≈7.1 m＜4T，不滿足彈性長樁條件。

（2）樁基方案優(yōu)化。

為了解決樁基不滿足彈性長樁條件及樁基抗拔承載力不足這兩個問題，設計對樁基進行了優(yōu)化，并通過試沉樁試驗對普通65 cm×65 cm預應力鋼筋混凝土方樁和65 cm×65 cm預應力鋼筋混凝土方樁組合H型長鋼樁尖兩種方案進行對比。調(diào)整后的方案見圖2，H型長鋼樁尖結(jié)構(gòu)見圖3。

圖2 碼頭結(jié)構(gòu)斷面圖（采用預應力鋼筋混凝土方樁組合H型長鋼樁尖）Fig.2Sectional drawing of wharf structure(squared prestressed reinforced concrete pile with long H?type steel pile tip)

圖3 樁尖結(jié)構(gòu)圖Fig.3Structural drawing of pile tip

調(diào)整后，壓樁力設計值Q=2 786 kN，拉樁力設計值T=-990 kN；根據(jù)《港口工程樁基規(guī)范》（JTS167-4-2012）計算，側(cè)摩阻力值為1 005 kN，持力層端阻力值為3 200 kN，樁基抗壓承載力Qd=2 950 kN，抗拔承載力Td=-1 056 kN。

（3）試沉樁［2］。

在兩座引橋根部各選2根上述樁型進行試沉樁及高應變試驗。試驗根據(jù)《港口工程樁基動力檢測規(guī)程》（JTJ249-2001）進行，采用CASE法和CAPWAP法進行試驗。試驗樁采用D100柴油錘打入，高應變完成試樁初打4根，復打4根。試樁結(jié)果見表1。

試樁結(jié)果表明：如果采用普通混凝土樁，在沉樁過程中由于樁對密實砂層的擠土效應，樁尖無法打入持力層，單樁承載能力很小；而采用H型長鋼樁尖，混凝土部分和普通樁可沉到的標高基本一致，H型長鋼樁尖可以打入密實砂層，加了樁基入土深度，組合樁滿足彈性長樁條件，同時，提高了樁基側(cè)摩阻力，對增大單樁抗拔承載能力效果顯著［3］。

表1 碼頭試驗樁工程高應變試驗結(jié)果表Tab.1Results of high strain dynamic test of test piles

2 鋼筋混凝土樁組合H型長樁尖的結(jié)構(gòu)分析

本工程實例采用了鋼筋混凝土樁+H型長樁尖的組合樁和普通的鋼筋混凝土樁進行對比，通過試樁結(jié)果及計算分析可以看出，組合樁綜合了H型鋼樁和鋼筋混凝土樁的優(yōu)點，綜合分析，其在結(jié)構(gòu)上具有以下優(yōu)點:

（1）穿透密實土層的能力強［4］。

因組合樁下段的H型鋼樁尖的斷面積比鋼筋混凝土樁斷面積小很多，故在同樣的錘擊荷載作用下，H型鋼樁尖有很強的穿透密實土層的能力，本項目實例的打樁試驗表明，使用H型長鋼樁尖的混凝土樁較一般鋼筋混凝土樁穿透硬層能力大大提高，因此對一般鋼筋混凝土樁基結(jié)構(gòu)，若需穿透密實土層、增加樁的入土深度，采用組合樁結(jié)構(gòu)是適宜的。

（2）抗腐蝕性能好。

鋼筋混凝土樁可以通過增加混凝土保護層厚度、提高混凝土標號、密實度，降低水灰比等措施增強樁身的抗腐蝕能力，與鋼管樁相比有較強的防腐蝕性能。組合樁暴露在空氣和海水中的部分為鋼筋混凝土段，而樁身下段的H型鋼已處在泥面下一定深度的土中，土中的環(huán)境對鋼材的腐蝕較輕微，因此，組合樁仍具有鋼筋混凝土樁抗腐蝕的優(yōu)點［5］。

（3）抗壓和抗拔承載力高。

當H型鋼樁樁尖進入持力層時，樁側(cè)極限摩阻力可按H型鋼樁尖外圍表面積乘以該處地基的單位面積樁側(cè)極限摩阻力，鋼筋混凝土樁部分的樁側(cè)摩阻力按常規(guī)計算［6］。

組合樁不但保留了鋼筋混凝土樁承載力高的特點，而且由于H型鋼樁尖穿入較硬的土層，并且鋼樁尖自身有一定的長度，能充分發(fā)揮硬土層樁側(cè)摩阻力的作用，有效提高樁基的承載能力，所以組合樁的抗壓和抗拔承載力較一般的鋼筋混凝土樁更高。

3 結(jié)語

目前，本工程沉樁已經(jīng)全部完成，實際沉樁結(jié)果完全滿足設計要求，本設計樁基方案達到預期效果。通過本工程實踐證明，對于持力層為密實的土層且埋藏較淺的工程地質(zhì)，使用預應力鋼筋混凝土方樁組合H型長鋼樁尖的樁基方案，能充分發(fā)揮H型長鋼樁尖段的作用，可以顯著減小樁身對密實砂層的擠土效應，減小樁基施工難度，增加樁的入土深度，增大單樁承載能力，特別是抗拔承載能力顯著提高，從而避免使用造價較高的鋼管樁，節(jié)省工程費用［7］。

本文工程實例是采用預應力混凝土方樁組合H型長鋼樁尖，希望這一方法可以在同類項目中得到推廣，也可以推廣至鋼筋混凝土管樁使用［8］，從而可以減少鋼筋混凝土樁的施工難度。

［1］JTS167-4-2012，港口工程樁基規(guī)范［S］.

［2］JTJ249-2001，港口工程樁基動力檢測規(guī)程［S］.

［3］曹燕，謝衛(wèi)平，鐘建龍.淺談預制方樁樁尖設計［J］.廣東土木與建筑，2000（4）：15-16. CAO Y，XIE W P，ZHONG J L.Discussion of the design of prefabricated quadrate piles′pile tip［J］.Guangdong Architecture Civil Engineering，2000（4）：15-16.

［4］張志明.H型鋼樁的應用及其承載力的確定［J］.水運工程，1994（11）：43-49. ZHANG Z M.The application and limit bearing capacity of H?beam pile［J］.Port&Waterway Engineering，1994（11）：43-49.

［5］林瑞肇，李勇謙.H型鋼與鋼筋混凝土組合樁的設計與施工［J］.水運工程，1997（7）：8-11. LIN R Z，LI Y Q.The design and construction of the composite pile combined with h?section steel and reinforced concrete［J］.Port&Waterway Engineering，1997（7）：8-11.

［6］林拾慶.H型組合樁在湄洲島3000噸級對臺客運碼頭結(jié)構(gòu)上的應用［J］.港口科技動態(tài)，1995（9）：16-18. LIN S Q.The application of H?type composite pile in wharf structure of Meizhou island 3000?tons passenger terminal to Taiwan［J］. Ports s science&technology trends，1995（9）：16-18.

［7］黃煥清，許傳新.H型鋼與鋼筋混凝土組合樁在風化巖地基中的應用［J］.水運工程，1995（7）：37-39. HUANG H Q，XU C X.The application of the composite pile combined with H?section steel and reinforced concrete in weathered rock foundation［J］.Port&Waterway Engineering，1995（7）：37-39.

［8］談維漢，李法堯.管樁鋼樁尖的正確選用［J］.混凝土與水泥制品，2002（1）：25-26. TAN W H，LI F R.Proper usage of pipe?pile steel tip［J］.CHINA concrete and cement products，2002（1）：25-26.

Application of long H?type steel pile tip in compact soil layer

MENG Xiao?ning,YU Yun?shan
（CCCC-FHDI Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 510230,China）

During the reinforced concrete pile foundation construction process,when the bearing stratum of engineering region is more compact and shallow buried or be covered by dense layer,the problems are tend to hap?pen,such as pile?sinking difficultly or embedded depth of pile cannot meet operating requirement.Combined with specific engineering practice experience and the analysis of such problems,the solution of reinforced concrete pile with long H?type steel pile tip was mentioned in this paper.The advantage and applicability of this solution was summarized by contrast with common reinforced concrete pile foundation,and it was verified by calculation and test piles.

H?section;steel pile tip;compacted soil

TU 473

A

1005-8443（2016）02-0177-04

2015-06-09；

2015-07-12

孟曉寧(1983-)，男，江蘇省徐州市人，工程師，主要從事港口工程設計和項目管理工作。

Biography：MENG Xiao?ning（1983-），male，engineer.