關(guān)于某離岸式高樁碼頭引橋樁基承載力的討論

陳章宇

（中交四航工程研究院有限公司，廣東廣州，510230）

引言

高樁碼頭適用于大水深碼頭，樁基可達(dá)泥面以下數(shù)十米深，對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)能力較強(qiáng)。在地質(zhì)良好的情況下，樁基入土十幾米即可得到承載要求。在地質(zhì)軟弱的情況下，樁基可穿過表層的軟弱土層，直至砂土密實(shí)、堅(jiān)硬的持力層。樁基礎(chǔ)對(duì)上部結(jié)構(gòu)起到支撐作用，保證上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。樁基礎(chǔ)的重要性不言而喻，也是碼頭施工過程中最受關(guān)注的一部分[1]。樁基施工過程中，常常通過靜載試驗(yàn)、高應(yīng)變?cè)囼?yàn)等方法檢測(cè)樁基是否符合承載力要求。

1 工程概況

某在建散貨船泊位，碼頭岸線310.1 m，引橋長(zhǎng)約880 m，碼頭、引橋擬采用樁基礎(chǔ)。引橋單跨長(zhǎng)度16 m，橫向由兩根預(yù)制混凝土樁支撐，樁頂設(shè)有樁帽和橫梁，跨間設(shè)預(yù)應(yīng)力空心板，橋面為150 mm 厚現(xiàn)澆混凝土。預(yù)制混凝土樁樁徑1 m，泥面標(biāo)高約1.3 m，設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高-36.5 m，設(shè)計(jì)終錘貫入度 6～10 mm。#E58 號(hào)樁實(shí)際終錘樁底標(biāo)高-36.6 m，沉樁錘擊數(shù)109 錘，實(shí)際終錘貫入度100 mm，施工樁錘錘型為D-128。設(shè)計(jì)單位出具的設(shè)計(jì)報(bào)告顯示，引橋結(jié)構(gòu)樁頂設(shè)計(jì)軸向壓力為3 608 kN，單樁軸向抗壓極限承載力設(shè)計(jì)值為5 503 kN，滿足承載力要求。沉樁十三天之后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)高應(yīng)變法檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果顯示該樁單樁軸向抗壓承載力標(biāo)準(zhǔn)值為5 070 kN，除以1.55 的分項(xiàng)系數(shù)得承載力設(shè)計(jì)值為3 271 kN，小于設(shè)計(jì)要求。

本文討論的樁基見圖1 中#E58 號(hào)樁。同一橫梁底下另一側(cè)的樁基編號(hào)為#B58，其相鄰一跨與#B58號(hào)樁同側(cè)的樁基編號(hào)為#B57。

圖1 引橋局部立面圖

2 鉆孔資料與樁基設(shè)計(jì)要求

2.1 鉆孔資料

在勘探深度范圍內(nèi)，場(chǎng)地土層自上而下分為8個(gè)主層，①、②、③為第四紀(jì)全新統(tǒng)（Q4），④、⑤、⑥為第四系下更新統(tǒng)湛江組（Q1z），⑦為上新統(tǒng)南康組上段（Nn2），⑧為新近系中新統(tǒng)南康組下段（Nn1）。

鉆孔顯示：

②淤泥質(zhì)砂土（Q4）：標(biāo)高1.3～-3.95 m，松散～稍密，飽和，夾生物碎屑，石英砂含量為主，淤泥含量約占20 %，級(jí)配較差，砂的分選性一般。標(biāo)貫N=8～10 擊。

④粉質(zhì)黏土（Q1z）：標(biāo)高-3.95～-8.65 m，飽和，可塑～硬塑，刀切面較光滑，干強(qiáng)度一般，韌性中，無搖震反應(yīng)，無光澤。標(biāo)貫N=7～9 擊。

⑥粉細(xì)砂（Q1z）：標(biāo)高-8.65～-24.85 m，松散～稍密，飽和，石英粉砂、細(xì)砂為主，粘性土顆粒次之，手搓砂感不明顯，可塑性低。標(biāo)貫N=7～13 擊。

⑦粉細(xì)砂（Nn2）：標(biāo)高-24.85～-31.65 m，灰綠、墨綠色，稍密～中密，飽和，石英粉砂、細(xì)砂為主，含少許粘性土顆粒，手搓有明顯砂感。標(biāo)貫N=13～15 擊。

⑧泥巖（Nn1）：標(biāo)高-31.65～-51.85 m，可塑～硬塑，飽和，以黏性土顆粒含量為主，半成巖結(jié)構(gòu)次之，巖芯多呈長(zhǎng)柱狀，風(fēng)干后見巖性結(jié)構(gòu)、裂隙較發(fā)育，干強(qiáng)度較高，刀切面光滑，原狀樣呈黏土狀。標(biāo)貫N=18～26 擊，#E58 號(hào)樁底標(biāo)高-36.6 m處標(biāo)貫約為20 擊，#E57 號(hào)樁底標(biāo)高-43.2 m 處標(biāo)貫約為22 擊。

總體而言該處地質(zhì)較為軟弱，鉆孔終孔高程-51.85 m，標(biāo)貫仍小于30 擊，設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高-36.5 m處標(biāo)貫僅為20 擊，泥巖層呈可塑-硬塑狀，巖體結(jié)構(gòu)已基本破壞，性質(zhì)類似于黏性土，該土層無法提供足夠的端阻力，樁基承載力主要由側(cè)摩阻力提供。上覆約23 m 厚的粉細(xì)砂層，密實(shí)度為松散到中密；泥面以下依次為淤泥質(zhì)砂土與粉質(zhì)黏土，其中淤泥質(zhì)砂土松散，級(jí)配差，粉質(zhì)黏土為可塑-硬塑狀，標(biāo)貫均小于10 擊。泥面至部分粉細(xì)砂層鉆芯呈破碎狀，深層泥巖完整性差、巖體結(jié)構(gòu)基本破壞，呈黏土狀，具有可塑性。

2.2 設(shè)計(jì)承載力計(jì)算

各土層單位面積承載力標(biāo)準(zhǔn)值如表1 所示。

表1 樁的極限端阻力qpk 及極限側(cè)阻力qsik

按《港口工程樁基規(guī)范》[2]，預(yù)制混凝土管樁軸向抗壓承載力設(shè)計(jì)值按下式計(jì)算：

式中：Qd為單樁軸向承載力設(shè)計(jì)值(kN)；γR為分項(xiàng)系數(shù)；U為樁身截面外周長(zhǎng)(m)；qfi單樁第i層土的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；li為樁身穿過第i 層土的長(zhǎng)度(m)；η為承載力折減系數(shù)；q R為單樁極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)；A為樁端外周面積(m2)。

引橋樁頂設(shè)計(jì)軸壓力為3 608 kN，根據(jù)表1 取值，基于-36.5 m 的設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高和6～10 mm 的設(shè)計(jì)終錘貫入度，計(jì)算得樁基單樁抗壓極限承載力設(shè)計(jì)值為5 503 kN。

3 高應(yīng)變法檢測(cè)

3.1 高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果

對(duì)四根預(yù)制混凝土樁進(jìn)行了高應(yīng)變法檢測(cè)，分別為#E58、#B58、#B57 和#E57，四根樁基的檢測(cè)信息如表2。

表2 高應(yīng)變法檢測(cè)結(jié)果

限于篇幅，下文僅列出#E58 號(hào)樁實(shí)測(cè)速度和力曲線（見圖2）和樁側(cè)摩阻力和樁端阻力（見圖3）。從實(shí)測(cè)波形看出，#E58 號(hào)樁在樁端出現(xiàn)力曲線異相反射和速度曲線同相反射，表明該樁未能進(jìn)入良好持力層，樁端土層較差。

圖2 實(shí)測(cè)速度和力曲線

圖3 樁側(cè)摩阻力和樁端阻力

由表2 可見，#E58、#B58、#B57 三根樁沉樁之后第5～7 天的承載力標(biāo)準(zhǔn)值分別為4 399 kN，4 236 kN 和4 198 kN，較為接近，其中#E58 號(hào)樁由于入土稍深結(jié)果稍大，此三個(gè)試驗(yàn)均可反映鉆孔ZK2 的樁基承載力。#E58 沉樁之后第7 天的復(fù)打和第13 天的復(fù)打，承載力標(biāo)準(zhǔn)值分別為4399kN 和5 070 kN，說明此期間樁基承載力有所恢復(fù)。#B57號(hào)樁在沉樁26 天之后進(jìn)行第二次復(fù)打，相比#E58號(hào)樁第13 天的復(fù)打結(jié)果其承載力又有相當(dāng)?shù)脑黾印?E57 號(hào)樁入土較其他樁深約7 m，承載力有明顯增加，其第5 天的復(fù)打結(jié)果顯示承載力標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)到6 924 kN。

3.2 結(jié)果分析

為方便討論，下文均以承載力設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，檢測(cè)結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)值則除以分項(xiàng)系數(shù)1.55 得單樁抗壓承載力設(shè)計(jì)值。

引橋樁基承載力設(shè)計(jì)值要求達(dá)到3 608 kN，檢測(cè)結(jié)果顯示#E58 號(hào)樁單樁豎向抗壓承載力設(shè)計(jì)值為5 070/1.55=3 271 kN，小于要求承載力，相比設(shè)計(jì)單位提的承載力設(shè)計(jì)值5 503 kN 小41 %，偏差較大。而#B57 號(hào)樁承載力設(shè)計(jì)值為5 623/1.55=3 628 kN，勉強(qiáng)滿足要求承載力；#E57 號(hào)樁6 924/1.55=4 467 kN，滿足設(shè)計(jì)要求承載力。

4 樁基承載力分析

4.1 終錘貫入度

截取各樁沉樁記錄中貫入度小于200 mm 的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（見圖4），可見各樁在沉樁至約-36 m標(biāo)高（±0.5 m）時(shí)，貫入度均約為100 mm（±12 mm），除#E57 號(hào)樁外，各樁在此終錘；#E57 號(hào)樁樁長(zhǎng)為49 m，較其他各樁長(zhǎng)6 m，入土深度比其他各樁深約7 m，其終錘底標(biāo)高為-43.2 m，終錘貫入度為13 mm。

圖4 各樁沉樁貫入度

#E58、#B58 和#B57 號(hào)樁實(shí)際終錘貫入度約為100 mm，該貫入度偏大，一般難以保證樁基有足夠的承載能力。按照《港口工程樁基規(guī)范》（下文簡(jiǎn)稱樁基規(guī)范），設(shè)計(jì)樁端土層為硬塑狀黏性土或粉細(xì)砂時(shí)，應(yīng)首先以高程控制，當(dāng)樁端已打到設(shè)計(jì)高程而貫入度仍較大時(shí)，應(yīng)繼續(xù)錘擊使其貫入度接近控制貫入度。初步可判斷，該四根樁雖已沉樁至設(shè)計(jì)底標(biāo)高，但是終錘貫入度與設(shè)計(jì)要求有較大差距，這是設(shè)計(jì)單位提供的設(shè)計(jì)承載力大于高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果的一個(gè)原因。

4.2 按地質(zhì)土層樣本評(píng)估設(shè)計(jì)承載力計(jì)算參數(shù)

從鉆孔資料可知，持力層為泥巖，然而其狀態(tài)為可塑-硬塑，應(yīng)已呈全風(fēng)化狀態(tài)，不可視為巖，應(yīng)當(dāng)成黏性土看待。由勘察報(bào)告可知，該泥巖層塑性指數(shù)IP=27.7，液性指數(shù)IL=0.3，由樁基規(guī)范查表可知塑性指數(shù)大于17，液性指數(shù)0.3 的黏土土層深度30～35 m，打入樁單位面積極限樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值約為1 650 kPa，單位面積極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值（下文簡(jiǎn)稱側(cè)摩阻）為70 kPa。可見設(shè)計(jì)單位取值（見表1）3 500 kPa 和80 kPa 明顯偏大，屬于風(fēng)化程度不高的泥巖承載力取值。

②淤泥質(zhì)砂土，該層以砂為主，級(jí)配較差，密實(shí)度較低，在天然狀態(tài)下具有一定的強(qiáng)度，但一旦擾動(dòng)，土體結(jié)構(gòu)極易破壞。該層標(biāo)貫僅為7～10 擊，按《巖土工程勘察規(guī)范》[5]，標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)小于10 擊，可分類為松散砂土，樁基規(guī)范中僅給出稍密及以上細(xì)砂、粉砂的承載力標(biāo)準(zhǔn)值，筆者按稍小于稍密細(xì)砂、粉砂進(jìn)行取值，考慮到淤泥含量、級(jí)配與高靈敏度，取土層深度2～4 m 處淤泥質(zhì)砂土層側(cè)摩阻為15 kPa。

④粉質(zhì)黏土，由勘察報(bào)告可知，該層塑性指數(shù)IP=11.3，液性指數(shù)IL=0.56，樁基規(guī)范粉質(zhì)黏土液性指數(shù)在0.5～0.75，土層深度6～8 m 處粉質(zhì)黏土側(cè)摩阻為40～47 kPa，取45 kpa。

⑥粉細(xì)砂，該粉細(xì)砂層標(biāo)貫7～13 擊，為松散～稍密狀態(tài)，樁基規(guī)范中給出土層深度16～19 m 處稍密細(xì)砂、粉砂側(cè)摩阻為44～52 kPa，此處取側(cè)摩阻為32 kPa。

⑦粉細(xì)砂，該粉細(xì)砂層標(biāo)貫13～15 擊，按《巖土工程勘察規(guī)范》可取為稍密狀態(tài)，按樁基規(guī)范取土層深度26～30 m 處粉細(xì)砂側(cè)摩阻為50 kPa。

對(duì)比表1，可知表1 承載力標(biāo)準(zhǔn)值取值偏大，這是設(shè)計(jì)單位提供的設(shè)計(jì)承載力大于高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果的另一個(gè)原因。根據(jù)以上承載力參數(shù)，按樁基規(guī)范預(yù)制混凝土管樁軸向抗壓承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算公式，取分項(xiàng)系數(shù)為1.55，樁底標(biāo)高為第二次復(fù)打時(shí)的樁底標(biāo)高-36.72 m，考慮到樁端泥巖軟弱，樁端難以形成密實(shí)的土塞，樁端承載力折減系數(shù)取0.30，得設(shè)計(jì)承載力為3 290 kN；而高應(yīng)變檢測(cè)顯示#E58 號(hào)樁距離沉樁13 天時(shí)單樁豎向抗壓承載力設(shè)計(jì)值3 271 kN，二者均小于要求的承載力設(shè)計(jì)值3 608 kN。按同樣的參數(shù)計(jì)算入土較深的#E57 號(hào)樁，得設(shè)計(jì)承載力為4 210 kN，計(jì)算中其增加的承載力由泥巖層樁側(cè)摩阻力提供。

對(duì)于入土較深的#E57 號(hào)樁，雖其終錘貫入度仍小于設(shè)計(jì)終錘貫入度，也小于樁基規(guī)范中相應(yīng)錘型的終錘貫入度，然而重新復(fù)核計(jì)算的設(shè)計(jì)承載力與高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果均顯示其可滿足設(shè)計(jì)承載力要求，筆者認(rèn)為設(shè)計(jì)單位應(yīng)根據(jù)此樁適當(dāng)調(diào)整引橋設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高，沉樁以高程控制，并以高應(yīng)變檢測(cè)驗(yàn)證承載力。原設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)終錘貫入度要求可適當(dāng)放寬。

4.3 超靜孔隙水壓力恢復(fù)對(duì)承載力的影響

由于樁基所處地質(zhì)存在軟黏土層、黏土狀泥巖，沉樁的擾動(dòng)將引起樁表面的粘土大范圍重塑，產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，導(dǎo)致承載力下降。超靜孔隙水壓力的消散可能持續(xù)一二十天至數(shù)月[6]，此過程中黏土層排水重固結(jié)，承載力將有所提升。

由于#B57、#E57 號(hào)樁的沉樁，樁船已無法靠近#E58 號(hào)樁進(jìn)行第三次高應(yīng)變復(fù)打檢測(cè)；而#B57號(hào)樁僅進(jìn)行了第5 天和第26 天的復(fù)打檢測(cè)?？紤]到二者分別在第5 天、第7 天時(shí)承載力接近，取#E58、#B57 兩根樁基共四次復(fù)打數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比（見圖5）。

圖5 承載力恢復(fù)過程

由于樣本小，且為不同樁基的數(shù)據(jù)結(jié)合，無法進(jìn)行定量分析，然而從多項(xiàng)式擬合曲線仍可看出，距離沉樁約兩周時(shí)，樁基承載力有相當(dāng)程度的恢復(fù)，隨后承載力增長(zhǎng)速率趨緩，約為三周時(shí)，承載力基本穩(wěn)定。若以#B57 號(hào)樁第26 天復(fù)打顯示的承載力來評(píng)估鉆孔ZK2 附近樁基的承載力，5 623/1.55=3 628 kN，勉強(qiáng)滿足設(shè)計(jì)要求。但從工程角度上來說，基礎(chǔ)的承載力應(yīng)有充分的富余，以防計(jì)算、檢測(cè)及經(jīng)驗(yàn)上缺乏對(duì)未知因素的考慮或不可預(yù)見的偶然荷載的發(fā)生，一方面本工程地質(zhì)極為軟弱，另一方面工程經(jīng)驗(yàn)上未曾有過通過如此長(zhǎng)的恢復(fù)周期來考慮基礎(chǔ)承載力的先例，這樣的評(píng)估從某種程度上來說是極為激進(jìn)的。對(duì)于打入樁，國(guó)標(biāo)《港口工程樁基規(guī)范》中最大取安全系數(shù)為1.55，而對(duì)于國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)，如歐標(biāo)BS EN 1997，由高應(yīng)變?cè)u(píng)估壓樁力的安全系數(shù)約為1.5*1.94/0.85≈2.47，其中1.5為壓樁力抗力分項(xiàng)系數(shù)，1.94 為相關(guān)系數(shù)，隨高應(yīng)變檢測(cè)樁數(shù)增加而減少，最小取1.81。0.85 為試驗(yàn)系數(shù)，取決于高應(yīng)變中信號(hào)的處理方式，一般可取0.85?？梢?，國(guó)標(biāo)的分項(xiàng)系數(shù)遠(yuǎn)小于歐標(biāo)規(guī)定。筆者并不認(rèn)為應(yīng)采用歐標(biāo)方法進(jìn)行校核，僅從分項(xiàng)系數(shù)上進(jìn)行對(duì)比，說明1.55 的分項(xiàng)系數(shù)并非一個(gè)“安全”與“不安全”之間的絕對(duì)界限。

4.4 樁基承載力判斷與建議

通過分析地質(zhì)鉆芯樣本重新計(jì)算樁基承載力、對(duì)比該鉆孔附近樁基的高應(yīng)變結(jié)果可以做出以下判斷：#E58 號(hào)樁及相似終錘底標(biāo)高的各樁，即使在孔隙水壓力完全消散之后，樁基所能發(fā)揮的承載力仍可能小于結(jié)構(gòu)可能承受的極限荷載，如果不采取措施，引橋可能在使用期承受極限荷載，導(dǎo)致樁基下陷失效，進(jìn)而橋面結(jié)構(gòu)損壞甚至導(dǎo)致人員傷亡。建議設(shè)計(jì)單位應(yīng)復(fù)核樁基設(shè)計(jì)承載力，根據(jù)沉樁記錄與檢測(cè)結(jié)果適當(dāng)降低設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高，后續(xù)樁基應(yīng)以重提的設(shè)計(jì)底標(biāo)高控制為主，終錘貫入度建議在10～20 mm 之間，以高應(yīng)變檢測(cè)作為承載力驗(yàn)證方法，增加樁基檢測(cè)數(shù)量，高應(yīng)變應(yīng)以合適的復(fù)打天數(shù)為準(zhǔn)，建議不應(yīng)超過二周，以確保樁基可達(dá)到設(shè)計(jì)要求承載力。

5 結(jié)語

1）#E58 號(hào)樁及相似終錘底標(biāo)高的各樁，樁底標(biāo)高達(dá)設(shè)計(jì)要求，但終錘貫入度大于設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致樁周土無法充分發(fā)揮承載力；設(shè)計(jì)單位選取的極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值偏大，這兩個(gè)因素導(dǎo)致樁的實(shí)際承載力小于預(yù)想；

2）設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行樁基承載力設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)土層情況、地質(zhì)鉆孔樣本有基本了解，不可脫開地質(zhì)實(shí)際狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，尤其不可見到“巖”就認(rèn)為該層可提供可觀的承載力。

3）沉樁過程中應(yīng)密切關(guān)注終錘要求，不可籠統(tǒng)認(rèn)為砂性土貫入度控制、黏性土標(biāo)高控制。當(dāng)終錘底標(biāo)高達(dá)到設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高而貫入度仍未達(dá)標(biāo)時(shí)，應(yīng)及時(shí)聯(lián)系設(shè)計(jì)單位，由設(shè)計(jì)單位進(jìn)行評(píng)估，并采取相應(yīng)的后續(xù)措施，切勿擅自移船進(jìn)行其他樁基的沉樁，以免破壞此樁基的可施工條件；

4）在地勘準(zhǔn)確、設(shè)計(jì)合理的情況下，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)依然是必不可少的。規(guī)范給出的承載力要求為多年來多地區(qū)情況總結(jié)給出的建議值，固然有較大的可靠性，然而樁土之間的相互作用關(guān)系是復(fù)雜的、每個(gè)實(shí)際工程的地質(zhì)情況都有其特異性，沉樁過程可能對(duì)地質(zhì)本身會(huì)產(chǎn)生不利影響，重塑土能否達(dá)到原狀土的強(qiáng)度，種種因素都可能使得計(jì)算得出的設(shè)計(jì)承載力與實(shí)際承載力有一定程度的偏差，這也是規(guī)范一再強(qiáng)調(diào)靜載試驗(yàn)、高應(yīng)變?cè)囼?yàn)的原因。