尼日利亞拉各斯萊基地區(qū)鋼管樁停錘標(biāo)準(zhǔn)研究

王 馨，竇 峰，唐明剛

（1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510000；2.中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524005）

引 言

鋼管樁沉樁停錘控制受地質(zhì)、錘型和樁型等因素影響，是一個(gè)復(fù)雜的問題。

現(xiàn)行港口樁基規(guī)范中，對(duì)不同持力層的停錘標(biāo)準(zhǔn)有明確的規(guī)定：若持力層為一般性黏土，只要選錘得當(dāng)，一般都可將樁打至設(shè)計(jì)高程，停錘標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)高程控制。若持力層為礫石、密實(shí)砂土或風(fēng)化巖，停錘標(biāo)準(zhǔn)多以貫入度控制，同時(shí)樁端距設(shè)計(jì)高程不宜超過1～3 m。若持力層為硬黏土或粉細(xì)砂時(shí)，停錘標(biāo)準(zhǔn)首先以高程控制，當(dāng)樁端達(dá)不到設(shè)計(jì)高程時(shí)，可以貫入度控制[1]。

控制貫入度的確定一般通過施工前試樁測(cè)得的錘型（錘能）、承載力與貫入度關(guān)系，以承載力為基準(zhǔn)而制定。而國(guó)外項(xiàng)目，由于當(dāng)?shù)卦O(shè)備與地區(qū)經(jīng)驗(yàn)局限、地質(zhì)不確定性較高，停錘標(biāo)準(zhǔn)在實(shí)際應(yīng)用中往往出現(xiàn)較大偏差，此時(shí)需結(jié)合實(shí)際情況，進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化調(diào)整。

本文結(jié)合尼日利亞拉各斯（Lagos）萊基地區(qū)Dangote SPM海工項(xiàng)目樁基設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該地區(qū)鋼管樁設(shè)計(jì)施工的停錘標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行初步探討，供類似工程參考。

1 地質(zhì)情況

根據(jù)尼日利亞萊基地區(qū)已完成萊基深水港、DANGOTE RO-RO碼頭等多個(gè)海工項(xiàng)目的地勘資料，該地區(qū)為典型的砂質(zhì)海岸。就工程位置而言，地層主要由第四紀(jì)海相和陸相沖積層（Qm+al）組成，根據(jù)鉆探所揭露的地層分析，勘察地層從上到下主要為：松散中粗砂、密實(shí)細(xì)到粗砂、中密細(xì)到粗砂、密實(shí)中粗砂、硬黏土、中密到密實(shí)細(xì)砂、硬黏土、松散砂中粗砂、密實(shí)中粗砂、硬黏土、密實(shí)中粗砂。

揭示的覆蓋層上部多為砂和黏土，其中2～3層為非常密實(shí)的粗砂，標(biāo)貫＞50擊，層厚6～7 m，屬于硬夾層。第7層為密實(shí)中粗砂層，具有較高的承載力，是良好的持力層。

2 樁基設(shè)計(jì)與施工

2.1 樁基設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目鋼管樁內(nèi)力采用SAP 2000有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果及樁基設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 Dangote SPM海工項(xiàng)目樁基設(shè)計(jì)結(jié)果

按照API承載力安全系數(shù)抗壓樁取2.0，考慮到硬夾層的存在，樁尖按開口樁設(shè)計(jì)。經(jīng)過計(jì)算，持力層為第7層，滿足承載力要求。

2.2 樁基施工

本工程為海管登陸棧橋，離岸距離約192 m，搭建臨時(shí)棧橋陸上打樁，配置了ICE 44B液壓振動(dòng)錘和BSP CG240液壓錘。樁錘主要參數(shù)見表2。

表2 樁錘主要參數(shù)

施工前，進(jìn)行了陸上試樁：采用液壓振動(dòng)錘ICE 44B，鋼管樁穿透非常密實(shí)的中砂層2-3，入土至高程-20 m左右；換液壓錘BSP CG240沉樁，選擇2檔施工（錘高1.2 m），打樁應(yīng)力可控，沉樁可行。經(jīng)靜載試驗(yàn)和高應(yīng)變檢測(cè)，驗(yàn)證承載力滿足設(shè)計(jì)要求，貫入度基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

然而，施工中咨工堅(jiān)持樁錘按1檔施工（錘高1.5 m），能量有所增加，樁基沉樁到設(shè)計(jì)高程后貫入度普遍在10～25 mm之間，不滿足設(shè)計(jì)要求（即：最后30擊沉樁貫入度平均值不超過10 mm）。孔隙水壓消散后，樁基承載力基本滿足設(shè)計(jì)要求。

初步分析，貫入度普遍增大與終錘能量較大有關(guān)。根據(jù)國(guó)標(biāo)，砂土終錘標(biāo)準(zhǔn)“以承載力為基準(zhǔn)，貫入度為控制”的原則，若沿用原來停錘貫入度10 mm的要求，勢(shì)必影響工期，增加項(xiàng)目投資。因此有必要對(duì)各種錘能、貫入度與承載力的關(guān)系進(jìn)行研究，細(xì)化停錘標(biāo)準(zhǔn)。

3 停錘標(biāo)準(zhǔn)探討

通常采用兩種方法來分析錘能、貫入度與承載力的關(guān)系，一種是動(dòng)力公式，一種是波動(dòng)方程。

美國(guó)ENR公式，英國(guó)HILEY公式等為動(dòng)力公式，是基于沉樁過程中對(duì)樁貫入度的觀測(cè)的預(yù)測(cè)方法。利用能量守恒的原理，將錘的勢(shì)能等效于樁在土中被打入時(shí)的穿透阻力（每擊一次），以估計(jì)樁的承載力。動(dòng)力公式?jīng)]有考慮沉樁過程中土層、錘擊性能的變化，也沒有考慮樁基剛度造成的能量損失，缺乏準(zhǔn)確性和可靠性。而波動(dòng)方程恰能克服以上缺點(diǎn)。

3.1 波動(dòng)方程

波動(dòng)方程是運(yùn)用一維彈性應(yīng)力波傳播原理分析打樁應(yīng)力，考慮了土層分層特性和樁錘變化的影響，反應(yīng)了錘能、貫入度與承載力的關(guān)系。

本工程采用GRLWEAP 2010軟件進(jìn)行打樁動(dòng)力分析，土體模型如圖 1。選擇 ZK06/ZK08/ZK09鉆孔和不同錘高（錘高0.8 m和錘高1.5 m）來進(jìn)行研究。

圖1 土體模型

各鉆孔在相同錘能、不同承載力設(shè)定下，終錘貫入度如表3～表8所示。

表3 波動(dòng)方程分析結(jié)果（ZK06）

表4 波動(dòng)方程分析結(jié)果（ZK06）

表5 波動(dòng)方程分析結(jié)果（ZK08）

表6 波動(dòng)方程分析結(jié)果（ZK08）

表7 波動(dòng)方程分析結(jié)果（ZK09）

表8 波動(dòng)方程分析結(jié)果（ZK09）

圖2 最大沉樁應(yīng)力分布

經(jīng)過分析，錘高 0.8 m時(shí)，打樁應(yīng)力不超過170 MPa，錘高1.5 m時(shí)，打樁應(yīng)力不超過230 MPa。本工程樁徑材質(zhì)為 S355JOH，最小屈服強(qiáng)度為355 MPa，許用應(yīng)力為355 MPa/1.5=236 MPa。沉樁應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 高應(yīng)變驗(yàn)證

選擇有代表性的樁基進(jìn)行高應(yīng)變檢測(cè)，驗(yàn)證貫入度與承載力的關(guān)聯(lián)性。

表9 樁基高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果

打樁承載力恢復(fù)系數(shù)約為 1.1～1.25。從動(dòng)測(cè)結(jié)果來看，貫入度與錘能關(guān)系成正比，與承載力關(guān)系成反比。樁的最終極限承載力均大于2倍樁力，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 停錘標(biāo)準(zhǔn)制定

對(duì)于尼日利亞萊基地區(qū)鋼管樁沉樁，利用砂土特性，可首選液壓振動(dòng)錘ICE 44B穿透表層密實(shí)砂土層，換液壓錘BSP CG240沉樁，可選擇重錘輕打的方式，多檔施工。本工程的基于ZK06孔的打樁動(dòng)態(tài)分析結(jié)果和高應(yīng)變驗(yàn)證的結(jié)果，修改后的停錘標(biāo)準(zhǔn)已通過咨工批復(fù)并執(zhí)行，如下所述。

采用壓錘BSP CG240，能量不小于160 kJ。重錘標(biāo)準(zhǔn)以貫入度與設(shè)計(jì)高程雙控：

1）當(dāng)樁力標(biāo)準(zhǔn)值在2 500～3 000 kN之間時(shí)，采用1檔（跳高1.5 m）施打，當(dāng)樁尖高程達(dá)到設(shè)計(jì)高程且最后30擊貫入度不超過10.3 mm/擊時(shí)，即可停錘。當(dāng)樁尖高程達(dá)到設(shè)計(jì)高程但貫入度超過10.3 mm/擊，則采用3檔（跳高0.8 m）施打，重錘貫入度小于3.5 mm/擊，即可停錘。若重錘貫入度仍大于3.5 mm/擊，則采用高應(yīng)變檢測(cè)驗(yàn)證承載力。

2）當(dāng)樁力標(biāo)準(zhǔn)值在2 000～2 500 kN之間時(shí)，采用1檔（跳高1.5 m）施打，當(dāng)樁尖高程達(dá)到設(shè)計(jì)高程且最后30擊貫入度不超過15.3 mm/擊時(shí)，即可停錘。當(dāng)樁尖高程達(dá)到設(shè)計(jì)高程但貫入度超過15.3 mm/擊，則采用3檔（跳高0.8 m）施打，重錘貫入度小于6.4 mm/擊，即可停錘。若重錘貫入度仍大于6.4 mm/擊，則采用高應(yīng)變檢測(cè)驗(yàn)證承載力。

3）當(dāng)樁力標(biāo)準(zhǔn)值在1 500～2 000 kN之間時(shí)，采用1檔（跳高1.5 m）施打，當(dāng)樁尖高程達(dá)到設(shè)計(jì)高程且最后30擊貫入度不超過21.6 mm/擊時(shí)，即可停錘。當(dāng)樁尖高程達(dá)到設(shè)計(jì)高程但貫入度超過21.6 mm/擊，則采用3檔（跳高0.8 m）施打，重錘貫入度小于10.6 mm/擊，即可停錘。若重錘貫入度仍大于 10.6 mm/擊，則采用高應(yīng)變檢測(cè)驗(yàn)證承載力。

4）當(dāng)樁力標(biāo)準(zhǔn)值在小于1 500 kN時(shí)，采用1檔（跳高 1.5 m）施打，當(dāng)樁尖高程達(dá)到設(shè)計(jì)高程且最后30擊貫入度不超過30.0 mm/擊時(shí)，即可停錘。當(dāng)樁尖高程達(dá)到設(shè)計(jì)高程但貫入度超過30.0 mm/擊，則采用3檔（跳高0.8 m）施打，重錘貫入度小于16.8 mm/擊，即可停錘。若重錘貫入度仍大于 16.8 mm/擊，則采用高應(yīng)變檢測(cè)驗(yàn)證承載力。

若樁尖達(dá)到設(shè)計(jì)保持仍有較大貫入度的情況，驗(yàn)算樁錘能量與承載力，統(tǒng)計(jì)樁身恢復(fù)系數(shù)。若動(dòng)測(cè)結(jié)果仍不能滿足承載力要求的，則需要采取補(bǔ)救措施，接樁或補(bǔ)樁。

4 結(jié) 語

本文通過波動(dòng)方程分析，選擇陸側(cè)至海側(cè)不同鉆孔ZK06/ZK08/ZK09和不同錘能（錘0.8 m和錘高 1.5 m）研究了錘能、貫入度與承載力的關(guān)系，并通過高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了研究成果的可靠性，為該地區(qū)其他工程項(xiàng)目提供了有益的參考。