大直徑鋼管樁承載力時間效應(yīng)現(xiàn)場試驗研究

鐘世心，胡興昊，桑登峰，王　湛*

（1.中交四航局第二工程有限公司，廣東廣州510300；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東廣州510230）

大直徑鋼管樁承載力時間效應(yīng)現(xiàn)場試驗研究

鐘世心1，胡興昊2，桑登峰2，王湛2*

（1.中交四航局第二工程有限公司，廣東廣州510300；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東廣州510230）

依據(jù)深圳鹽田港西作業(yè)區(qū)集裝箱碼頭、珠海高欄港集裝箱碼頭、福建羅源灣貨運碼頭等工程中大量鋼管樁的施工實踐，結(jié)合現(xiàn)場相關(guān)資料，通過高應(yīng)變動測試樁和靜載試樁資料的統(tǒng)計、對比分析，對鋼管樁承載力隨時間變化的規(guī)律進(jìn)行研究。通過對3個項目現(xiàn)場試驗結(jié)果分析，大直徑鋼管樁的承載力恢復(fù)系數(shù)的取值范圍大致為1.2～1.4之間。鋼管樁承載力恢復(fù)系數(shù)與擠土效應(yīng)明顯的PHC樁相似，擠土效應(yīng)并非是決定鋼管樁承載力時效性的關(guān)鍵因素。持力層地質(zhì)越好，沉樁時對樁端和樁側(cè)土的強度影響較小，樁的承載力恢復(fù)系數(shù)越小。

鋼管樁；承載力；時間效應(yīng)；高應(yīng)變動測；恢復(fù)系數(shù)

0　引言

預(yù)制樁被打入土后，隨著時間增長，其承載力將不斷增加，最后達(dá)到一個極限值，這種現(xiàn)象被稱為打入樁承載力的時效性問題[1-3]。時效性問題一直是樁基工程研究中的重點與難點，姚笑青[4]、王偉[5]、郭進(jìn)軍[6]等提出的打入樁承載力隨時間的增長，主要是由于孔隙水應(yīng)力消散引起土體再固結(jié)，導(dǎo)致樁側(cè)土有效應(yīng)力增加所產(chǎn)生，并分別通過理論計算與試驗，研究了樁間土中超孔隙水壓力的分布及消散規(guī)律，從而預(yù)估樁承載力的增長規(guī)律，具有代表性。據(jù)此理論，高子坤[7]，曹權(quán)[8]等利用圓孔擴(kuò)張及固結(jié)理論，對單樁從沉樁到使用全過程進(jìn)行了理論研究，得到其數(shù)學(xué)表達(dá)。而張明義[9]則提出土體的觸變恢復(fù)性質(zhì)是造成承載力隨時間變化的重要因素。

但迄今為止，業(yè)界對打入樁承載力時效性的研究，大多都集中在混凝土方樁或PHC管樁等直觀為橫截面積大、擠土效應(yīng)明顯的樁型，而對大直徑鋼管樁這類管壁較薄、擠土較小樁型的研究卻較少。目前，鋼管樁在大型深水港碼頭、跨海大橋中的應(yīng)用已越來越廣泛。因而，對大直徑鋼管樁承載力時效性的研究，將有助于對鋼管樁承載力發(fā)揮性狀的了解，對幫助工程各方確定樁基最終承載力以及指導(dǎo)施工，具有重要意義。

筆者結(jié)合在不同項目工程中獲得的相關(guān)鋼管樁現(xiàn)場沉樁資料，以及對在同一根樁上進(jìn)行高應(yīng)變初打、復(fù)打試樁和靜載試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、分析，對鋼管樁承載力時效性問題進(jìn)行了較為深入的研究，期待通過以上研究，有助于相關(guān)工程設(shè)計人員對大直徑鋼管樁承載力時效性問題的深入理解，也便于施工檢測技術(shù)人員對同類工程中的相似問題進(jìn)行經(jīng)驗判斷。

1　工程實例介紹

1.1鹽田港集裝箱碼頭工程

深圳鹽田港西作業(yè)區(qū)集裝箱碼頭工程位于深圳市鹽田區(qū)，由4個10萬噸級泊位組成，其結(jié)構(gòu)為高樁梁板式。樁基采用鋼管樁結(jié)構(gòu)，整個工程共沉樁1 830根。根據(jù)施工階段地質(zhì)勘測報告，該工程區(qū)域主要的巖土地質(zhì)層有：上部覆蓋層為第四系海相沉積層（Q4m）①1淤泥；中部為海陸交互相（陸相為主，夾雜海相）沉積層（Q3m+c）②1黏土，②2粉質(zhì)黏土和②3粗礫砂；③殘積土（Qel）；下部為侏羅系（J3）風(fēng)化巖。

該工程鋼管樁采用1.0m和1.2m兩種規(guī)格的樁徑，樁基入土深度大多數(shù)在10～20 m之間，樁尖均打入風(fēng)化巖層，當(dāng)樁基貫入度滿足停錘要求時，進(jìn)行高應(yīng)變動測，以校核樁的承載力是否到達(dá)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，否則，繼續(xù)錘擊至單樁的承載力達(dá)標(biāo)。該工程中共有377根樁在初打動測結(jié)束后，進(jìn)行復(fù)打動測。為研究休止時間對承載力影響，初打與復(fù)打的時間間隔最少為1 d（24 h），最多達(dá)109 d。由此，可以根據(jù)初、復(fù)打時間間隔天數(shù)，對復(fù)打、初打得到的單樁極限承載力的比值K（即極限承載力恢復(fù)系數(shù)）進(jìn)行列表統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示。

同時鹽田西作業(yè)區(qū)碼頭工程還進(jìn)行了10根樁的靜載試驗，G11為嵌巖樁，極限承載力大于14 400 kN，滿足設(shè)計要求，9根工程樁上進(jìn)行的靜載試驗都達(dá)到了設(shè)計要求。9根樁的動、靜平均恢復(fù)系數(shù)大于1.02?？紤]到靜載試驗的9根樁尚未達(dá)到極限值，因此，可以判斷，采用361根樁的平均恢復(fù)系數(shù)1.09是可信的。

表1　鹽田港集裝箱碼頭工程樁基承載力恢復(fù)系數(shù)Table 1 Recovery coefficient for bearing capacity of steelpipe piles for Yantian Container Term inal

1.2珠海高欄港國際集裝箱碼頭二期工程

珠海高欄港國際集裝箱碼頭位于珠海金灣區(qū)，二期工程由2個5萬噸級泊位組成。根據(jù)地質(zhì)鉆探資料揭示，該區(qū)域的上履土層為第四系全新統(tǒng)至晚更新統(tǒng)淤泥類土或黏性土，下履土層為燕山期細(xì)?；◢弾r風(fēng)化殘積層，全風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化巖。

該工程樁基采用1.0m和1.1m兩種規(guī)格的鋼管樁，樁的入土深度多數(shù)在20～30 m之間，樁尖均打入風(fēng)化巖中。使用高應(yīng)變動測方法初打樁63根，復(fù)打樁76根，其中，在同一根樁上進(jìn)行動測初打和復(fù)打的共有15根（其中有3根樁復(fù)打入土深度超過0.5m以上，復(fù)打值視作初打值）。動測初打極限承載力有30%的樁達(dá)到設(shè)計要求。高欄港集裝箱碼頭二期工程樁的初、復(fù)打極限承載力恢復(fù)系數(shù)見表2。

表2　高欄港集裝箱碼頭工程樁基承載力恢復(fù)系數(shù)Table2 Recovery coefficient for bearing capacity of steelpipe piles for Gaolan Container Term inal

碼頭工程進(jìn)行了2根樁的靜載試驗，驗證其承載力。1.0 m鋼管樁極限承載力≥9 200 kN，1.1 m鋼管樁極限承載力為9 167 kN。2根樁的動、靜平均恢復(fù)系數(shù)為1.20，與動測初、復(fù)打的平均恢復(fù)系數(shù)1.19很接近?？烧J(rèn)定采用動測初、復(fù)打平均恢復(fù)系數(shù)1.19是可信的。

1.3福建羅源灣貨運碼頭

羅源灣貨運碼頭位于福建省羅源縣。根據(jù)勘察報告顯示，該工程碼頭區(qū)域的地質(zhì)情況由上至下依次為①淤泥，②中砂，③1淤泥質(zhì)土，③2粉質(zhì)黏土，④1粗砂，④2碎礫石混黏性土，⑤全風(fēng)化花崗巖，⑥強風(fēng)化花崗巖，⑦中風(fēng)化花崗巖，⑧全風(fēng)化輝綠巖。

該工程均采用樁徑為1.5 m的鋼管樁，樁長在72～92 m之間，入土深度在48～63 m之間。各樁樁尖分布在黏土層、風(fēng)化巖中。該工程樁基高應(yīng)變動測21根，每組試樁先錘擊至要求的貫入度，再安裝力和加速度傳感器進(jìn)行高應(yīng)變動測，部分樁基隔一定時間再進(jìn)行復(fù)打高應(yīng)變動測。本試驗承載力恢復(fù)系數(shù)與時間、土層的關(guān)系如表3。結(jié)果表明，鋼管樁樁尖所在位置（巖層或黏土層）會對樁基承載力的恢復(fù)速度及效果產(chǎn)生影響。

表3　羅源灣碼頭樁基承載力恢復(fù)系數(shù)Table3 Recovery coefficient for bearing capacity of steelpipe piles for LuoyuanwanW harf

2　承載力時效性分析

2.1通過高應(yīng)變初、復(fù)打測試所得鋼管樁承載力恢復(fù)系數(shù)的合理性

深圳鹽田港西作業(yè)區(qū)集裝箱碼頭工程與珠海高欄港國際集裝箱碼頭工程，均在進(jìn)行大量高應(yīng)變測試的基礎(chǔ)上，又分別在高應(yīng)變試樁上進(jìn)行了10根、2根靜載抗壓試驗。試驗結(jié)果表明：各樁動測、靜載恢復(fù)系數(shù)與動測初打、復(fù)打恢復(fù)系數(shù)十分接近。

通過鹽田港、高欄港等工程的靜載抗壓試驗驗證可知：通過部分樁高應(yīng)變初、復(fù)打動測對比試驗，獲得恢復(fù)系數(shù)的方法是可行的，得到的承載力恢復(fù)系數(shù)是合理的。由此可知，在其他類似工程中建議盡量以高應(yīng)變動測為主，減少昂貴繁雜的靜載試驗，如此既能達(dá)到目的，又經(jīng)濟(jì)合理。

2.2鋼管樁單樁恢復(fù)系數(shù)的可推廣性

通過對3個工程中各樁初、復(fù)打動測試驗的恢復(fù)系數(shù)的對比分析，可證明：同一工程中，在地質(zhì)條件及施工條件都相似的情況下，各鋼管樁承載力恢復(fù)系數(shù)差距不大。但不同工程中的承載力恢復(fù)系數(shù)相差卻很大。

鋼管樁單樁恢復(fù)系數(shù)的確定，在實際工程中意義重大。在沉樁施工的過程中，會受到水上施工特點和施工工期的限制。除前排樁之外，其他排架的沉樁次序，受到打樁船位置的影響限制，高應(yīng)變動測試樁不可能都滿足復(fù)打與復(fù)打樁間隔時間的要求。所以絕大多數(shù)的高應(yīng)變動測試樁，測出的都是初打樁時的單樁極限承載力。

因此，可在施工前期，通過同一根樁上高應(yīng)變初、復(fù)打?qū)Ρ仍囼?，給出相應(yīng)地質(zhì)條件下的單樁承載力恢復(fù)系數(shù)，為同類地質(zhì)及施工條件下，由初打承載力推算單樁極限承載力提供依據(jù)。

2.3鋼管樁樁尖所在位置（黏土層或巖層）對承載力時效性的影響

從上述實例鋼管樁承載力與時間關(guān)系表中可看出，打入風(fēng)化巖（主要是強風(fēng)化巖）的鋼管樁，土體強度恢復(fù)很快。有的在數(shù)小時，甚至數(shù)十分種內(nèi)就基本恢復(fù)。同時，間隔時間在1 d或1～3 d進(jìn)行復(fù)打高應(yīng)變檢測，單樁承載力幾乎沒有變化；間隔時間4 d以上，樁基承載力就會趨于穩(wěn)定。

而樁尖在黏土層中的鋼管樁（表3中E40，E38），則表現(xiàn)出休止時間越長，承載力恢復(fù)系數(shù)越大的現(xiàn)象。原因在于樁基承載力的增長，是由于樁周土有效應(yīng)力增加、超孔隙水壓力的消散所引起。當(dāng)樁尖停留在黏土層時，與樁體相互作用的黏土層越厚，其排水路徑較長，排水就較慢；當(dāng)樁尖停留在巖層時，由于排水邊界條件改變，超孔隙水壓力消散更快，抗剪強度提高所需時間更短，導(dǎo)致其單樁承載力增長速度相對較快。

另外，通過將羅源灣碼頭工程中E40，E38號樁與G38、H37、D38號樁資料進(jìn)行對比分析，可看出，打入風(fēng)化巖的鋼管樁，其端阻及側(cè)阻的恢復(fù)系數(shù)，都較以黏土層為持力層的樁小；這也表明了持力層的改變，不單會影響樁端阻力的恢復(fù)，還將對側(cè)摩阻力的恢復(fù)系數(shù)產(chǎn)生影響。

2.4鋼管樁恢復(fù)系數(shù)取值的探討

文獻(xiàn)[10]、[11]中給出了打入PHC樁承載力恢復(fù)系數(shù)的取值范圍大致為1.2～1.4之間。不難看出，PHC管樁的承載力恢復(fù)系數(shù)與深圳鹽田及珠海高欄港碼頭工程以及羅源灣碼頭工程中鋼管樁的取值范圍相差不大。鋼管樁管壁較薄，擠土能力相對較弱，但承載力、恢復(fù)能力卻并不比PHC這類擠土效應(yīng)明顯的樁型差?？梢姅D土效應(yīng)并非是決定鋼管樁承載力時效性的關(guān)鍵因素。適用于PHC樁承載力時效性的圓孔擴(kuò)張理論并不一定適用于鋼管樁，同時，還應(yīng)考慮沉樁時的振動效應(yīng)。對其機理的解釋還有待于進(jìn)一步試驗和研究。

3　結(jié)語

本文以深圳鹽田集裝箱碼頭、珠海高欄港集裝箱碼頭，福建羅源灣碼頭3個相關(guān)工程實例，從實踐的角度研究了鋼管樁承載力時效性的問題。本文所介紹工程實例，均是地區(qū)乃至國家的重點項目，其設(shè)計施工要求嚴(yán)格，數(shù)據(jù)真實可靠，其規(guī)律及結(jié)論具有一定的代表性和權(quán)威性。

1）大直徑鋼管樁的承載力恢復(fù)系數(shù)的取值范圍大致為1.2～1.4之間。通過靜載試驗，驗證本研究提出高應(yīng)變初、復(fù)打動測試驗所得鋼管樁承載力恢復(fù)系數(shù)的可靠性。且在同一工程中的同一地質(zhì)條件及施工條件下，由單樁初復(fù)打試驗所測得的恢復(fù)系數(shù)具有可推廣性。

2）打入風(fēng)化巖層的開口鋼管樁，沉樁時對樁端和樁側(cè)土的強度影響較小，土的強度恢復(fù)較快。樁尖在黏土層中的鋼管樁，承載力恢復(fù)的速度較在巖層中的要慢得多，承載力的恢復(fù)程度比樁端在巖層中的要大。

3）鋼管樁承載力恢復(fù)系數(shù)與擠土效應(yīng)明顯的PHC樁相似，擠土效應(yīng)不是決定鋼管樁承載力時效性的關(guān)鍵因素。鋼管樁承載力時間效應(yīng)與振動作用所產(chǎn)生超孔隙水壓力有密切的關(guān)系。

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Field test and study of time effect on ultimate bearing capacity of large diam eter steel pipe pile

ZHONGShi-xin1,HUXing-hao2,SANGDeng-feng2,WANGZhan2*
（1.Second Engineering Company of CCCCFourHarbor EngineeringCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510300,China; 2.CCCCFour Harbor Engineering Institute Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510230,China）

Based on a great deal of practice in construction with steel pipe piles in Shenzhen Yantian third phase container term inal project,Zhuhai Gaolan container term inal project,and Fujian Luoyuan Bay freight term inal project.The rules of development of the ultimate bearing capacity of steel pipe piles over time were studied with field data and the statistics and contrast analysis of the results of high strain dynam ic tests and static compression load tests.With an analysis of the field test results of the three projects,the recovery coefficient for the bearing capacity of large diameter steel pipe piles is between 1.2 and 1.4,which is similar to that of PHC pileswith significantpushing effect.But the effectof pushing against soil isnot the key factor deciding the time dependenceof the bearing capacity of steel pipe piles.The better the bearing strata are,the smaller the influence of pile driving upon the strength of pile tips and soils around a pile is,and the smaller the recovery coefficient of the bearing capacity ofa pilewill be.

steel pipe pile;bearing capacity;time effect;high strain dynamic test;recovery coefficient

U655.544

A

2095-7874（2016）06-0044-04

10.7640/zggw js201606011

2015-12-15

鐘世心（1966—），男，浙江杭州市人，工程師，主要從事樁基工程、水運工程的項目管理和研究工作。

王湛，E-mail：290713193@qq.com