波動(dòng)方程可打性分析在歐標(biāo)碼頭工程中的應(yīng)用

劉建衛(wèi)，胡興昊

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

0 引言

波動(dòng)方程可打性分析（以下簡稱可打性分析）是指在打入樁施工前，利用基于波動(dòng)方程和Smith錘-樁-土動(dòng)力模型的打樁分析軟件GRLWEAP，通過輸入土層參數(shù)、樁型、設(shè)備型號等參數(shù)，計(jì)算得到樁身應(yīng)力、有效能量、承載力隨入土深度變化等相關(guān)信息的過程。它有助于確定樁型、樁錘及沉樁標(biāo)準(zhǔn)，避免沉樁工藝和控制標(biāo)準(zhǔn)選擇不合理而出現(xiàn)沉樁困難或質(zhì)量事故。

目前針對可打性分析已有了較多的應(yīng)用研究[1-6]，但當(dāng)前的研究主要針對國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)體系下的項(xiàng)目，國外工程的案例卻鮮見報(bào)道，隨著海上絲綢之路的推進(jìn)，我國基建企業(yè)在國外承建的碼頭打入樁工程越來越多，歐洲標(biāo)準(zhǔn)（以下簡稱歐標(biāo)）作為海外項(xiàng)目的主要參考規(guī)范，我國工程師不可避免會頻繁遇到。不同的規(guī)范體系有不同的要求，因此有必要對可打性分析在歐標(biāo)體系下的應(yīng)用展開研究。

本文先對歐標(biāo)中有關(guān)可打性分析的內(nèi)容進(jìn)行解讀，了解歐標(biāo)中可打性分析的特點(diǎn)。隨后分別介紹在歐標(biāo)體系下開展鋼管樁和PHC樁可打性分析的工程案例，對不同類型打入樁工程的可打性分析流程和所發(fā)揮的作用進(jìn)行分析。

1 歐標(biāo)相關(guān)要求

與中國標(biāo)準(zhǔn)將可打性分析由施工方負(fù)責(zé)[7]不同，在歐標(biāo)體系下可打性分析由設(shè)計(jì)單位負(fù)責(zé)開展，主要參考擠土樁執(zhí)行規(guī)范EN12699[8]中試打樁及樁身應(yīng)力控制的相關(guān)內(nèi)容。

關(guān)于試打樁，EN12699第7.1.4：如果在可打性方面沒有類似經(jīng)驗(yàn)，則應(yīng)在主要工作開始前在選定地點(diǎn)進(jìn)行一次或多次打樁試驗(yàn)。在該條文下的注釋2中建議可在打樁前利用波動(dòng)方程或類似方法進(jìn)行可打性研究，有助于確定合適的打樁程序、打樁設(shè)備和打樁應(yīng)力。

在樁身應(yīng)力控制方面，EN12699第7.6.1.2規(guī)定：存在樁身過大應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，宜提前進(jìn)行波動(dòng)方程分析，同時(shí)宜進(jìn)行打樁過程中樁身應(yīng)力測試，以驗(yàn)證預(yù)測的正確性。

在歐標(biāo)中可打性分析應(yīng)用廣泛，可用于確定打樁程序、打樁設(shè)備和打樁應(yīng)力。同時(shí)在打樁開始前進(jìn)行可打性分析，對打樁工作進(jìn)行預(yù)估，可避免試驗(yàn)盲目開始。并且在打樁過程中進(jìn)行動(dòng)測試驗(yàn)，對可打性預(yù)測進(jìn)行驗(yàn)證，可以提高可打性分析準(zhǔn)確度。

2 鋼管樁可打性分析工程案例

2.1 工程及地質(zhì)概況

尼日利亞某近海項(xiàng)目為海底輸油管道的登陸棧橋，采用高樁梁板形式，樁基采用直徑1 000 mm，壁厚16 mm的鋼管樁，不同鋼管樁設(shè)計(jì)承載力不同，但均要求以密實(shí)中粗砂為持力層，工程參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)。

樁基位置典型土層分布如表1所示，可知在鋼管樁樁位淺層標(biāo)高0～-6 m附近存在較硬密實(shí)砂層，標(biāo)貫擊數(shù)較高，預(yù)估此范圍沉樁困難。

表1 地質(zhì)情況Table 1 Geological conditions

2.2 鋼管樁可打性分析

2.2.1 打樁設(shè)備選擇

因本工程風(fēng)浪大，且對打入樁定位精度要求較高，依歐標(biāo)計(jì)劃采用振動(dòng)錘和沖擊錘相結(jié)合的方法沉樁。先采用振動(dòng)錘進(jìn)行定位打入，再換用沖擊錘繼續(xù)打樁至停錘控制標(biāo)準(zhǔn)，但對鋼管樁在振動(dòng)錘作用下能否進(jìn)入或穿透淺部硬砂層完成定位工作存在疑問，需在設(shè)備調(diào)運(yùn)前由可打性分析初步確定。擬采用打樁設(shè)備參數(shù)如表2。

表2 打樁設(shè)備性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of piling equipment

2.2.2 可打性分析

為在打樁前判斷振動(dòng)沉樁能否進(jìn)入或穿透硬砂層，并預(yù)估沖擊打樁過程錘擊效率及最大打樁應(yīng)力，在預(yù)選樁錘后，采用打樁分析GRLWEAP軟件，對典型地質(zhì)處的鋼管樁進(jìn)行了可打性分析，分析結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明：1）振動(dòng)沉樁可穿透硬砂層，但速度較慢；2）沉樁時(shí)樁身最大拉、壓應(yīng)力均在安全范圍；因此可依計(jì)劃進(jìn)行打入樁施工準(zhǔn)備工作。

表3 鋼管樁可打性分析結(jié)果Table 3 Drivability analysis results of steel pipe pile

2.2.3 初定停錘標(biāo)準(zhǔn)

為初步建立以密實(shí)中粗砂為持力層時(shí)鋼管樁極限承載力與貫入度的關(guān)系。采用打樁分析軟件GRLWEAP中的Bearing Graph功能，分析了液壓沖擊錘在不同的錘芯行程高度（0.8 m和1.5 m）下樁基不同的極限承載力（3 000 kN、4 000 kN、5 000 kN、6 000 kN）與貫入度（或錘擊數(shù)）之間的對應(yīng)關(guān)系，分析結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明，當(dāng)沉樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，不同貫入度所對應(yīng)的極限承載力不同，但都滿足設(shè)計(jì)承載力要求。由此將該計(jì)算貫入度暫定為停錘控制貫入度。

表4 在設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)極限承載力-平均貫入度對應(yīng)關(guān)系匯總Table 4 Summary of corresponding relationship between ultimate bearing capacity and average penetration at design elevation

綜上，在打樁施工前初步提出停錘控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）鋼管樁樁尖達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高上30 cm內(nèi)；停錘調(diào)整錘芯行程為1.5 m或0.8 m，根據(jù)鋼管樁承載力設(shè)計(jì)極限值檢查最后三振貫入度是否滿足表4中對應(yīng)的貫入度要求。如滿足，結(jié)束施工；如不滿足，應(yīng)通知咨詢工程師確定；

2）如鋼管樁樁尖未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，但貫入度滿足要求時(shí)，可以停錘，但需進(jìn)行高應(yīng)變檢測。

2.3 鋼管樁試打樁及動(dòng)測驗(yàn)證

為驗(yàn)證以上分析結(jié)果，在大規(guī)模施工前期開展了2根鋼管樁的試打工作，同時(shí)進(jìn)行了高應(yīng)變?nèi)虅?dòng)測和至少7 d后的復(fù)打試驗(yàn)，各試打樁施工及動(dòng)測情況見表5。

表5 鋼管樁試打施工資料及動(dòng)測結(jié)果Table 5 Testing pile construction data and dynamic test resultsof steel pipe pile

由表5可知，各試打樁在貫入度滿足停錘標(biāo)準(zhǔn)后，承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。且振動(dòng)下沉速度、錘擊效率、樁身最大應(yīng)力等均與可打性分析差距不大，證明了可打性分析結(jié)果的合理性。而后將可打性分析及試樁成果隨打入樁施工方案一同提交，得到了工程各方的一致認(rèn)可。

3 PHC樁可打性分析工程案例

3.1 工程及地質(zhì)概況

坦桑尼亞某港口改擴(kuò)建項(xiàng)目，樁基形式為B型PHC樁，樁徑分別為800 mm和1 000 mm，有直樁和斜樁兩種形式，工程參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)。項(xiàng)目地質(zhì)情況如表6所示，可見各層土標(biāo)貫擊數(shù)均較高，預(yù)估可能會給PHC樁的沉樁施工帶來困難。

表6 地質(zhì)情況Table 6 Geological conditions

3.2 PHC樁可打性分析

3.2.1 樁錘及樁端形式確定

根據(jù)施工資源及現(xiàn)場要求，有2種沖擊錘可供選擇。依規(guī)范要求采用打樁分析軟件GRLWEAP對2種錘型進(jìn)行了可打性分析，計(jì)算樁均為樁徑800 mm的直樁，但依據(jù)樁端有無鋼樁靴設(shè)置2種計(jì)算樁型，以考察本項(xiàng)目PHC樁是否需要設(shè)置鋼樁靴，入土深度為22 m。經(jīng)分析可知，在任一樁錘施工時(shí)，無樁靴PHC樁在入土3～5 m左右即出現(xiàn)拒錘，同時(shí)樁身應(yīng)力超過正常范圍，因此本項(xiàng)目PHC樁樁端應(yīng)設(shè)置成鋼樁靴形式。表7為不同樁錘條件下PHC直樁和鋼樁靴的組合形式樁的可打性結(jié)果。

表7 樁錘資料及可打性分析結(jié)果Table 7 Hammer data and drivability analysis results

由表中可知：1）兩樁錘均能將帶鋼樁靴的PHC樁打至計(jì)算標(biāo)高，且貫入度均在正常范圍內(nèi)，但樁身最大拉、壓應(yīng)力較大，需引起重視；2）錘重的減小對樁身拉壓應(yīng)力影響不大，但會減小貫入度，令總錘擊數(shù)明顯增加，將增加施工風(fēng)險(xiǎn)。綜上建議選用YC30錘，采用重錘低擊方法沉樁，以避免樁身損壞。

3.2.2 可打性分析及樁身應(yīng)力

在選定樁錘后，為考察在低跳高時(shí)PHC樁，特別是斜樁的穿透能力以及樁身應(yīng)力情況，對不同樁徑直樁、斜樁進(jìn)行了可打性分析。分析結(jié)果表明：1）斜樁可沉樁至設(shè)計(jì)標(biāo)高，但錘擊數(shù)較多；2）樁身拉應(yīng)力隨入土深度增加逐漸減小，壓應(yīng)力則逐漸增大，但打樁過程樁身拉壓應(yīng)力都在安全范圍；3）在沉樁初期，樁身拉應(yīng)力較大，應(yīng)予以關(guān)注，降低跳高；4）當(dāng)未到設(shè)計(jì)標(biāo)高，出現(xiàn)貫入度＜3 mm/擊時(shí)，承載力即能滿足設(shè)計(jì)要求。具體計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 PHC樁可打性分析結(jié)果Table 8 Drivability analysisresultsof PHC

3.2.3 初定停錘標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)可打性分析結(jié)果，在施工前初步提出以下停錘控制方法：

1）在0.3 m跳高下，連續(xù)三振平均貫入度≤5 mm/擊，且達(dá)到設(shè)計(jì)高程，可以停錘；如貫入度＞5 mm/擊，應(yīng)繼續(xù)錘擊至貫入度≤5 mm/擊方可停錘；

2）未達(dá)到設(shè)計(jì)高程，0.3 m跳高連續(xù)三振平均貫入度≤5 mm/擊，且樁尖距設(shè)計(jì)高程≤1.0 m，可以停錘；

3）樁尖距設(shè)計(jì)高程≥1m，平均貫入度≤3 mm/擊，需進(jìn)行高應(yīng)變檢測承載力滿足后可停錘。

3.3 PHC樁試打樁及動(dòng)測驗(yàn)證

為驗(yàn)證以上分析結(jié)果，在施工前期開展了3根PHC樁的高應(yīng)變?nèi)虅?dòng)測，在7 d后還進(jìn)行了動(dòng)測復(fù)打試驗(yàn)，各PHC樁試打施工資料及動(dòng)測結(jié)果見表9，對比可見本工程可打性分析結(jié)果具有一定的合理性，不僅有助于選擇樁錘及樁端形式，在選擇安全的沉樁方式和合理的沉樁標(biāo)準(zhǔn)等方面也能發(fā)揮重要作用。

表9 PHC樁試打施工資料及動(dòng)測結(jié)果Table 9 Testing pile construction data and dynamic test results of PHC

4 結(jié)語

1）可打性分析在歐標(biāo)體系打入樁工程中應(yīng)用廣泛，可用于預(yù)估打樁過程，確定打樁程序、打樁設(shè)備和打樁應(yīng)力。

2）本文所介紹鋼管樁和PHC樁可打性分析的過程和成果，均得到國外咨詢公司及業(yè)主的認(rèn)可，保證了打樁工作的順利實(shí)施。表明在歐標(biāo)體系的項(xiàng)目中，可打性分析具有幫助項(xiàng)目合理選擇打樁設(shè)備、樁端形式以及施工順序，初步確定停錘標(biāo)準(zhǔn)，控制打樁風(fēng)險(xiǎn)等作用，是被規(guī)范及國外工程師接受的，可為工程順利進(jìn)行提供幫助。