碼頭打入樁沉樁施工中歐規(guī)范比較*

婁學(xué)謙，桑登峰，蘭金平，胡興昊，陳明杰，王 幸

(1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524009)

歐洲巖土工程設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode 7是歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CEN)發(fā)布的建筑和土木工程設(shè)計(jì)10套統(tǒng)一歐洲規(guī)范之一，包括基本規(guī)定(EN 1997-1)[1]、工程勘查和測(cè)試(EN 1997-2)[2]。除此之外，CEN還發(fā)布了13個(gè)巖土工程執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，其中一些在EN 1997-1中被提及，打入樁施工主要參考?xì)W標(biāo)擠土樁執(zhí)行規(guī)范EN 12699[3]。

已有學(xué)者對(duì)中歐規(guī)范在碼頭樁基設(shè)計(jì)方面開(kāi)展了比較研究[4-5]，但關(guān)于中歐規(guī)范在碼頭打入樁沉樁施工方面的比較尚未見(jiàn)報(bào)道。了解中國(guó)《碼頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》[6]與歐洲規(guī)范在打入樁沉樁施工中的差異，是跨國(guó)項(xiàng)目打入樁施工的關(guān)鍵，開(kāi)展相關(guān)比較，以供參考。

1 樁的分類

按成樁的方法和工藝，可將樁分為打入樁、壓入樁、植入樁和就地灌注樁，按成樁方法對(duì)土層的影響一般可分為擠土樁、部分?jǐn)D土樁、非擠土樁3類[7]?！洞a頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》將樁分為打入樁、灌注樁、嵌巖樁。EN 12699規(guī)范中包括預(yù)制、現(xiàn)澆或這些方法的組合施工的擠土樁，沉樁方法有錘擊、振動(dòng)、壓入、螺旋或上述幾種方法的組合。中國(guó)規(guī)范所述的打入樁，與歐洲規(guī)范中的采用沖擊法或振動(dòng)法施工的預(yù)制擠土樁對(duì)應(yīng)。

2 沉樁施工

2.1 施工方案

《碼頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》對(duì)打入樁施工前應(yīng)提交的資料提及不多，國(guó)內(nèi)施工前提交的施工方案更多依據(jù)監(jiān)理通知或者合同規(guī)定。

歐洲規(guī)范EN 1997-1在第7.9(1)中以強(qiáng)制條文規(guī)定施工方案是樁施工的基礎(chǔ)，并明確方案宜包含的信息。EN 12699 4.1對(duì)打入樁施工前應(yīng)提供的必要信息進(jìn)一步細(xì)化。EN 12699 8.1.3規(guī)定，施工前應(yīng)提交包含打樁設(shè)備、沉樁方法、沉樁順序的實(shí)施計(jì)劃，并獲得批準(zhǔn)。經(jīng)批準(zhǔn)后，較多施工參數(shù)可以偏離規(guī)范要求，如EN 12699 4.2.4規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)許可范圍內(nèi)的額外或偏離要求，應(yīng)在開(kāi)工前商定，并對(duì)質(zhì)量控制體系進(jìn)行適當(dāng)修改，如變更幾何偏差允許值、樁端的特殊錨固、樁側(cè)或樁端注漿、樁靴、輔助打樁設(shè)備、減摩涂料等。

2.2 打樁設(shè)備選擇

《碼頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》4.3.11規(guī)定，錘型的選擇應(yīng)根據(jù)地質(zhì)、樁型、樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、樁的承載力、環(huán)保要求和錘的性能，并結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)、試沉樁情況確定。缺乏經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可用相關(guān)軟件分析樁的可打性或參照附錄H選用。中國(guó)規(guī)范還有較多量化要求，如第4.3.12規(guī)定，施打斜樁時(shí)，替打出龍口的長(zhǎng)度不宜超過(guò)其本身長(zhǎng)度的12；4.3.13規(guī)定，采用紙墊時(shí)厚度宜為100～120 mm。

EN 12699多為原則性規(guī)定，如8.5.1規(guī)定，打樁設(shè)備應(yīng)符合EN 16228。再如8.5.2就沖擊錘、8.5.3就振動(dòng)錘、8.5.6就輔助設(shè)備(如送樁器)都做了原則性的規(guī)定，而未提供定量指標(biāo)。8.5.3.4特別指出，可以結(jié)合采用振動(dòng)打樁和錘擊打樁，振動(dòng)錘通常用于初沉樁，沖擊錘用于將樁打入所需的阻力或深度。EN 12699一般將打樁分析軟件的應(yīng)用歸于設(shè)計(jì)考慮，有利于降低施工單位的風(fēng)險(xiǎn)，如7.6.1.2規(guī)定，存在樁身過(guò)應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，宜提前進(jìn)行波動(dòng)方程分析，這時(shí)宜進(jìn)行打樁過(guò)程中樁身應(yīng)力測(cè)量，以驗(yàn)證預(yù)測(cè)的正確性。

2.3 接樁

《碼頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》4.3.24～4.3.25對(duì)現(xiàn)場(chǎng)接樁有較詳細(xì)的規(guī)定；歐標(biāo)EN 12699僅對(duì)鋼管樁的現(xiàn)場(chǎng)接長(zhǎng)給出原則要求，對(duì)預(yù)制混凝土樁接長(zhǎng)未規(guī)定。

2.4 施工期強(qiáng)度驗(yàn)算

《碼頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》4.1.3規(guī)定，施工期基樁的強(qiáng)度應(yīng)按短暫狀況進(jìn)行復(fù)核驗(yàn)算。其中，4.1.3.1～4.1.3.3分別規(guī)定了應(yīng)驗(yàn)算的工況、應(yīng)考慮的作用、嵌巖樁在嵌巖結(jié)構(gòu)形成前應(yīng)采取必要的穩(wěn)樁措施和驗(yàn)算。4.1.6規(guī)定，預(yù)制混凝土樁沉樁前樁身混凝土強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，采用自然養(yǎng)護(hù)的，樁的齡期不得少于28 d；當(dāng)采取早強(qiáng)措施時(shí)，經(jīng)論證自然養(yǎng)護(hù)齡期可適當(dāng)減少。

作為樁基施工規(guī)范，EN 12699并未提供施工期強(qiáng)度驗(yàn)算等內(nèi)容，僅在由設(shè)計(jì)考慮的事項(xiàng)中規(guī)定了打樁時(shí)沿樁身任何一點(diǎn)的應(yīng)力控制要求。關(guān)于樁的強(qiáng)度驗(yàn)算，歐標(biāo)一般由設(shè)計(jì)考慮。

2.5 打樁輔助措施

《碼頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》4.3.35.3規(guī)定：穿透拋石層厚度較大時(shí)，宜采用施工平臺(tái)和沖擊成孔，穿透拋石層后再沉樁。4.3.36規(guī)定，砂土地基錘擊沉樁困難時(shí)，可采用水沖錘擊沉樁。水沖沉樁應(yīng)優(yōu)先采用內(nèi)沖內(nèi)排法，采用內(nèi)沖外排法時(shí)應(yīng)經(jīng)論證。并規(guī)定了水沖沉樁應(yīng)滿足的一般要求和沖水壓力等具體指標(biāo)。

EN 12699規(guī)定的輔助成樁措施范圍更廣，但無(wú)定量規(guī)定。如8.10.1—8.10.2規(guī)定，可使用的輔助成樁措施有：水沖、預(yù)打、預(yù)鉆孔、預(yù)爆破、鑿邊、取芯、樁尖擴(kuò)大、樁端注漿等，并不得損害已打樁的性能、周邊土體的穩(wěn)定性及相鄰結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.6 試沉樁

《碼頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》第4.3.6條規(guī)定，無(wú)工程試樁資料時(shí)，宜進(jìn)行試沉樁，確定合理的沉樁參數(shù)。第4.3.7，試沉樁宜選擇在有代表性的區(qū)域進(jìn)行，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)深度內(nèi)樁的穿透能力、進(jìn)入持力層的深度和最后貫入度、沉樁設(shè)備性能、樁身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等。試沉樁不宜少于2根，且附近應(yīng)有鉆孔資料。

EN 12699對(duì)試打樁的規(guī)定是由設(shè)計(jì)所考慮的內(nèi)容，如7.1.4規(guī)定，如果在可打性能方面沒(méi)有類似的經(jīng)驗(yàn)，則宜在主要工作開(kāi)始前在選定的地點(diǎn)進(jìn)行一次或多次試沉樁。波動(dòng)方程分析或類似方法可用于輔助確定合適的打樁程序、打樁設(shè)備和打樁應(yīng)力。7.1.5規(guī)定，在研究可打樁時(shí)，應(yīng)考慮設(shè)計(jì)或規(guī)范中有關(guān)輔助打樁技術(shù)的要求。

2.7 沉樁控制標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于錘擊沉樁控制標(biāo)準(zhǔn)，《碼頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》4.3.47規(guī)定，錘擊沉樁控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況、設(shè)計(jì)承載力、錘型、樁型和樁長(zhǎng)確定，并應(yīng)符合表1所示的規(guī)定。

表1 中國(guó)規(guī)范關(guān)于沖擊沉樁停錘控制標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定

EN 12699只規(guī)定了沉樁標(biāo)準(zhǔn)的原則性要求，總體與中國(guó)規(guī)范具有一致性，不同之處在于：1)考慮了樁的安裝程序(如振動(dòng)錘安裝、振動(dòng)錘與沖擊錘結(jié)合安裝等)，沒(méi)有局限于錘擊沉樁控制標(biāo)準(zhǔn)。2)對(duì)沉樁標(biāo)準(zhǔn)的原則性要求列入由設(shè)計(jì)所考慮的范疇(見(jiàn)第7.6.1.1)。3)一般以承載力控制，若初打承載力不滿足要求則可采用復(fù)打承載力控制；第8.6.1.3進(jìn)一步規(guī)定，如果在復(fù)打時(shí)沒(méi)有達(dá)到打樁標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)重新評(píng)估樁的承載力(依據(jù)EN 1997-1進(jìn)行)，沒(méi)有類似表1的額外規(guī)定。

由于中國(guó)規(guī)范對(duì)沉樁控制標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定置于施工規(guī)范中，設(shè)計(jì)方經(jīng)常未能深入理解表1的意圖，甚至出現(xiàn)只規(guī)定停錘貫入度值而不考慮錘型、跳高的情況，歐標(biāo)體系下的樁基施工進(jìn)度和質(zhì)量尤為不利。

2.8 施工監(jiān)測(cè)與記錄

《碼頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》4.3.7～4.3.9對(duì)沉樁記錄做了要求，考慮土層和施工狀況，更為具體和方便操作，但其重記錄不重監(jiān)控。相比之下，歐標(biāo)EN 12699除在第10節(jié)指出記錄的一些基本原則外，還在9.2對(duì)打樁監(jiān)測(cè)做了要求，更加突出打樁監(jiān)測(cè)，而不僅是記錄本身。建議《碼頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》后續(xù)修訂時(shí)突出打樁監(jiān)控的重要性，將記錄表格的格式、記錄頻率等統(tǒng)一歸為對(duì)施工方案的原則要求內(nèi)。

表2 中歐規(guī)范關(guān)于施工監(jiān)測(cè)與記錄的規(guī)定

3 施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)

3.1 允許偏差

《碼頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》與EN 12699對(duì)打入樁施工偏差的檢查項(xiàng)目基本一致，不同之處在于《碼頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》區(qū)分陸上、內(nèi)河和有掩護(hù)海域、無(wú)掩護(hù)河口和海域等。EN 12699 8.2.3規(guī)定，除規(guī)定的偏差外，其他要求或允許的偏差，應(yīng)在開(kāi)工前商定。主要指標(biāo)允許值如表3所示。

表3 打入樁施工允許偏差

3.2 試驗(yàn)檢測(cè)

《碼頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》和EN 12699均僅對(duì)試驗(yàn)檢測(cè)做原則性規(guī)定，歐標(biāo)的規(guī)定相對(duì)完善，建議今后《碼頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》修訂時(shí)可適當(dāng)擴(kuò)充本部分內(nèi)容。具體檢測(cè)的實(shí)施，中國(guó)規(guī)范體系下須參考并符合《水運(yùn)工程地基基礎(chǔ)試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》，歐標(biāo)體系下若無(wú)相應(yīng)的檢測(cè)規(guī)范，就可以參考相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

表4 樁的檢測(cè)原則和方法比較

4 工程應(yīng)用案例

4.1 工程與地質(zhì)概況

尼日利亞某棧橋工程，基礎(chǔ)為直徑1.0 m的鋼管樁，設(shè)計(jì)樁端高程為-32～-30 m，樁長(zhǎng)40.0～42.0 m。工程所在地主要巖土層分布及物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表5所示。

表5 巖土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

4.2 停錘標(biāo)準(zhǔn)制定

依據(jù)EN 12699第8.5.3.4的規(guī)定，計(jì)劃采用振動(dòng)錘和沖擊錘相結(jié)合的方法沉樁。先采用ICE-44B振動(dòng)錘將樁打入一定深度，再換用CG240液壓錘將樁打至停錘控制標(biāo)準(zhǔn)。沖擊錘的參數(shù)如表6所示。

表6 CG240液壓沖擊錘性能參數(shù)

振動(dòng)錘沉樁和沖擊錘沉樁，對(duì)砂土的擾動(dòng)有較大差別。對(duì)振動(dòng)錘和沖擊錘相結(jié)合的沉樁方法下的沉樁控制標(biāo)準(zhǔn)，《碼頭結(jié)構(gòu)施工規(guī)范》中無(wú)明確的指導(dǎo)條文可參考。EN 12699對(duì)沉樁控制標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，沒(méi)有限定樁的安裝程序，且只規(guī)定了沉樁標(biāo)準(zhǔn)的原則性要求。因此，通過(guò)GRLWEAP承載力分析、高應(yīng)變動(dòng)測(cè)、靜載試驗(yàn)相結(jié)合的方法確定停錘標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)表5所示的土層參數(shù)，采用GRLWEAP承載力分析功能對(duì)BSP CG240沖擊錘在錘芯下落高度為0.8 m和1.5 m時(shí)樁的極限承載力與終錘貫入度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果如表7所示。

表7 不同下落高度時(shí)極限承載力與終錘貫入度對(duì)應(yīng)關(guān)系

從可靠度角度，選取ZK06孔位處的結(jié)果，作為初設(shè)沉樁停錘控制標(biāo)準(zhǔn)，如表8所示。

表8 初設(shè)停錘貫入度控制標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合前期設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)格書(shū)對(duì)停錘標(biāo)準(zhǔn)的要求，在打樁施工前初步提出停錘控制方法的建議如下：

1)沉樁至接近樁端設(shè)計(jì)高程后，根據(jù)基樁承載力設(shè)計(jì)值，依次調(diào)整錘芯下落高度至1.5 m和0.8 m，當(dāng)最后3陣的平均貫入度滿足表8中任一錘芯下落高度所對(duì)應(yīng)的貫入度要求時(shí)則可停錘。否則，應(yīng)通知咨詢工程師確定。

2)樁端未達(dá)到設(shè)計(jì)高程，按上述方法判斷，滿足要求時(shí)仍可以停錘，但應(yīng)通知咨詢工程師，并通過(guò)高應(yīng)變法測(cè)試樁的承載力。

3)在按以上標(biāo)準(zhǔn)控制的同時(shí)，盡量滿足樁端設(shè)計(jì)高程要求。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在打樁施工前期開(kāi)展了5根試打樁試驗(yàn)，并進(jìn)行部分初打或復(fù)打高應(yīng)變動(dòng)測(cè)，以驗(yàn)證該停錘標(biāo)準(zhǔn)的可靠性。各試打樁結(jié)果如表9所示。

表9 試打樁資料及動(dòng)測(cè)結(jié)果

由表9可以看出，按初設(shè)終錘控制標(biāo)準(zhǔn)施工，樁的初打或復(fù)打承載力可滿足設(shè)計(jì)要求。為進(jìn)一步驗(yàn)證樁的承載力，決定對(duì)距鉆孔ZK06約2 m的SZ01樁進(jìn)行豎向抗壓靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程按照ICE標(biāo)準(zhǔn)[8]執(zhí)行，采用慢速維持荷載法，加載分為2個(gè)循環(huán)，最大試驗(yàn)荷載為5 820 kN。試驗(yàn)第1循環(huán)的最大沉降和卸荷后的殘余沉降分別為3.81、-0.03 mm，第2循環(huán)的最大沉降和卸荷后的殘余沉降分別為10.02、0.79 mm，荷載-位移(Q-s)曲線較為平緩(圖1)，樁的承載力不低于設(shè)計(jì)要求值。

圖1 SZ01樁各加載循環(huán)下的Q-s曲線

該案例分析表明：如果采用的沉樁程序超出現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的范疇，采用GRLWEAP的承載力分析功能得出一定錘參數(shù)下的終錘標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)試打樁高應(yīng)變法和靜載法驗(yàn)證樁的承載力，校核并修正初定的終錘標(biāo)準(zhǔn)，可對(duì)施工起到積極的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

1)中國(guó)規(guī)范對(duì)樁按沉樁工藝分類，而歐洲規(guī)范是按樁的擠土作用分類并規(guī)定了沉樁方法，使用時(shí)須加以注意。

2)中歐規(guī)范涵蓋內(nèi)容各有側(cè)重點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)，歐洲規(guī)范原則性條文更多，中國(guó)規(guī)范則有比較細(xì)致的定量指標(biāo)。

3)歐洲規(guī)范有較多方面允許事先商定，某些指標(biāo)可以偏離規(guī)范，一般按咨詢方審核的施工方案施工即可。

4)中國(guó)規(guī)范中的很多內(nèi)容在歐洲規(guī)范中屬于應(yīng)由設(shè)計(jì)方該考慮的內(nèi)容，如樁的運(yùn)輸、吊裝、打樁等階段樁身強(qiáng)度驗(yàn)算，以及選錘、試沉樁等，在國(guó)際項(xiàng)目開(kāi)展過(guò)程中須加以注意。

5)合理采用歐洲規(guī)范對(duì)打樁監(jiān)控、停錘標(biāo)準(zhǔn)、樁身檢測(cè)等相關(guān)規(guī)定對(duì)施工是有利的。