密實(shí)含砂碎石和卵石地層鋼管樁沉樁試驗(yàn)研究

趙劉群，婁學(xué)謙，胡興昊，吳 浩

(1.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海)，廣東 珠海519082)

鋼管樁是海洋工程最廣泛采用的樁型[1]。復(fù)雜地層條件下，開展鋼管樁沉樁施工研究是項(xiàng)目順利開展的關(guān)鍵，已有不少學(xué)者開展研究探索并取得了一定成果。蘇世定等[2]研究了珊瑚礁巖土地區(qū)打入式鋼管樁沉樁規(guī)律，馮光華等[3]研究了薄壁鋼管樁在強(qiáng)風(fēng)化巖層中的穿透性能。密實(shí)含砂碎石或卵石地層中設(shè)計(jì)采用鋼管樁的項(xiàng)目較少，關(guān)于該種地層條件下鋼管樁沉樁施工的研究尚較少。

筆者以國(guó)外某工程為背景，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到原位土參數(shù)的基礎(chǔ)上，在國(guó)內(nèi)開展打樁模型試驗(yàn)，并基于GRLWEAP軟件進(jìn)行了基樁可打性分析，在基本驗(yàn)證可行性的基礎(chǔ)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)，獲得了較多實(shí)用成果，可供相關(guān)工程參考。

1 概況

1.1 工程概況

秘魯某港口工程主要包括建設(shè)4個(gè)營(yíng)運(yùn)泊位和1個(gè)輔助艇泊位，1#和2#泊位為多用途泊位，長(zhǎng)度分別為295和345 m；3#和4#泊位為專用集裝箱泊位，長(zhǎng)860 m；滾裝運(yùn)輸和工作船泊位長(zhǎng)177 m。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，先期在地層條件具有代表性的1#泊位開展施工驗(yàn)證，1#泊位港池設(shè)計(jì)高程為-14.8 m，岸坡坡度4:1，沉樁施工在港池開挖前進(jìn)行，樁型為鋼管樁，樁基設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 1#泊位樁基設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 地質(zhì)概況

根據(jù)項(xiàng)目巖土勘察報(bào)告，1#泊位參考鉆孔編號(hào)為M03～M07，孔口高程分別為-3.51、-4.50、-7.68、-6.31、-6.90 m，巖土以細(xì)砂、碎石和卵石、膠結(jié)砂為主。參考鉆孔巖土層物理力學(xué)性質(zhì)見表2。

表2 參考鉆孔土層分布及物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.3 沉樁設(shè)備

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，計(jì)劃采用吊打方案施工鋼管樁。初選插樁用的液壓振動(dòng)錘型號(hào)為ICE1412D，最大頻率23 Hz，激振力2.5 MN，拔樁力2.0 MN，質(zhì)量11.7 t，長(zhǎng)度2.425 m、寬度1.070 m、高度4.940 m。沉樁至設(shè)計(jì)要求的深度或承載力則采用液壓沖擊錘，型號(hào)為YC40，最大打擊能量680 kN·m，最大行程時(shí)打擊頻率23次/min，錘質(zhì)量40 t，最大下落高度1.70 m，工作壓力25 MPa，長(zhǎng)度1.860 m、寬度1.674 m、高度8.495 m。

2 沉樁分析

2.1 模型試驗(yàn)

為分析可比地層條件下采用液壓錘沉樁過程中樁側(cè)阻、端阻情況以及是否會(huì)造成樁端卷邊，在國(guó)內(nèi)開展了模型試驗(yàn)，主要步驟包括：1)使用震動(dòng)錘將直徑2.0 m、長(zhǎng)18.5 m的鋼護(hù)筒打入泥面以下約18.0 m；2)使用旋挖鉆機(jī)清除護(hù)筒內(nèi)部泥土至護(hù)筒底高程；3)灌注混凝土，將護(hù)筒底部3.5 m段封閉，混凝土硬化后抽干護(hù)筒內(nèi)的水；4)按每層厚度0.7～1.0 m分層回填級(jí)配碎石和卵石，直至地面高程，并使用震動(dòng)錘分層夯擊，通過重型DPT(動(dòng)力觸探試驗(yàn))檢測(cè)，結(jié)果見表3，回填碎石和卵石地層達(dá)到密實(shí)狀態(tài)；5)待模擬地質(zhì)回填完成后，在鋼護(hù)筒內(nèi)使用振動(dòng)錘對(duì)同工程樁規(guī)格的模擬樁進(jìn)行插樁施工，焊接輔助導(dǎo)向架；6)采用液壓錘進(jìn)行模擬樁沉樁施工，驗(yàn)證樁的可打性和打樁功效，證明了該地層中沖擊沉樁未發(fā)生卷邊，同時(shí)進(jìn)行高應(yīng)變?nèi)虅?dòng)測(cè)。模擬地層DPT檢測(cè)結(jié)果見表3，部分模型試驗(yàn)步驟見圖1。

表3 模擬地層DPT檢測(cè)結(jié)果

圖1 模型試驗(yàn)步驟

在模型樁沉樁施工過程中，進(jìn)行了高應(yīng)變動(dòng)測(cè)試驗(yàn)，并進(jìn)行部分初打或復(fù)打高應(yīng)變動(dòng)測(cè)，對(duì)樁入土1.7、7.4、9.5、12.7、14.5、15.6 m的高應(yīng)變動(dòng)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行CAPWAP擬合分析，得出試打樁各次動(dòng)測(cè)結(jié)果(表4)。

根據(jù)表4結(jié)果可知：1)動(dòng)測(cè)承載力為2.6～9.6 MN，樁側(cè)土單位面積摩阻力為47.5～134.2 kPa，總體上樁入土深度越深樁的承載力越大，土層恢復(fù)不明顯。2)護(hù)筒內(nèi)密實(shí)碎石體注水后沉樁更容易，承載力有所降低。3)基于模擬地質(zhì)與項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)條件基本相似的假定，計(jì)算土層恢復(fù)系數(shù)可取1.2左右，以評(píng)估最終承載力情況。4)采用液壓錘將直徑1 016 mm樁打入0～15.6 m的過程中，打樁應(yīng)力處于合理范圍內(nèi)。5)模擬地層雖達(dá)到密實(shí)狀(貫入10 cm的DPT擊數(shù)在11～92擊)，但仍無法達(dá)到與參考鉆孔同等密實(shí)的程度(貫入10 cm的DPT擊數(shù)均大于50，最大的超過300擊)，試驗(yàn)得到的摩阻力結(jié)果按最高值并結(jié)合規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)取值采用。

表4 試打樁資料及動(dòng)測(cè)結(jié)果

2.2 可打性分析

根據(jù)表2所示的土層參數(shù)，并結(jié)合2.1節(jié)的模擬試驗(yàn)結(jié)果和JGJ 94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[4]，取④1層單位樁側(cè)摩阻力和樁端阻力值分別為0.2、13.0 MPa。采用GRLWEAP的可打性分析功能對(duì)1#泊位鋼管樁的可打性進(jìn)行分析，在④1層中的樁端閉塞系數(shù)取0.7。試驗(yàn)階段設(shè)計(jì)文件沒有給出可打入性關(guān)鍵停錘貫入度、樁身應(yīng)力、打入深度、錘擊數(shù)等的具體規(guī)定，僅提出盡量按表1設(shè)計(jì)樁底高程控制。鑒于設(shè)計(jì)未提供停錘貫入度標(biāo)準(zhǔn)，采用GRLWEAP分析時(shí)可參考國(guó)外相關(guān)規(guī)范和資料的規(guī)定進(jìn)行控制。美國(guó)石油學(xué)會(huì)API標(biāo)準(zhǔn)[5]指出，如果沒有其他規(guī)定，打樁拒錘標(biāo)準(zhǔn)定義為連續(xù)1.5 m沉樁阻力超過248擊/(250 mm)。美國(guó)API標(biāo)準(zhǔn)[6]、美國(guó)國(guó)防部標(biāo)準(zhǔn)[7]、歐盟標(biāo)準(zhǔn)[8]等均指出鋼管樁沉樁時(shí)樁身允許應(yīng)力可按樁身鋼材屈服強(qiáng)度的90%控制。分析結(jié)果見表5。

表5 基于GRLWEAP的打樁分析結(jié)果

由表5可以看出，鉆孔M04樁最為難打，無法沉樁至設(shè)計(jì)高程，距離樁底設(shè)計(jì)高程相差4 m以上。鉆孔M03、M05、M06、M07樁，通過調(diào)整錘的跳高，預(yù)估可將樁沉至設(shè)計(jì)高程，但錘擊數(shù)偏大，長(zhǎng)時(shí)間大跳高錘擊對(duì)錘的損壞極大、效率低下、可行性不高。此外，分析樁可打入性時(shí)，該類地層條件的樁端閉塞系數(shù)尚難以準(zhǔn)確預(yù)估，單位樁側(cè)摩阻力和樁端阻力值也存在取值誤差的可能，綜合來看，各泊位沉樁均存在不同程度困難，如錘擊跳高過大、錘擊數(shù)過高，對(duì)施工安全性和經(jīng)濟(jì)性極為不利，拒錘風(fēng)險(xiǎn)極高。

為沉樁至設(shè)計(jì)樁底高程可采取的措施有：1)清除樁內(nèi)土塞等輔助沉樁措施；2)增加樁的壁厚并采用更高能量的錘沉樁；3)在滿足承載力、最小入土深度的前提下，樁底設(shè)計(jì)高程上移；4)多種措施結(jié)合采用。

按原設(shè)計(jì)樁底高程，樁的初打承載力遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)荷載，樁的入土深度可以優(yōu)化的可能性較大，進(jìn)一步以M03孔為例，按貫入度小于3 mm/擊控制停錘的分析結(jié)果見表6，樁的承載力仍可滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 按貫入度小于3mm/擊控制停錘時(shí)GRLWEAP的打樁分析結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)試樁

3.1 沉樁

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述分析結(jié)果，在1#泊位靠近M03的位置附近進(jìn)行5根試沉樁，其中TP01為靜載試驗(yàn)樁、AP01～AP04為TP01靜載試驗(yàn)的錨樁，5根試沉樁規(guī)格與工程樁相同。

3.1.1振動(dòng)錘插樁

TP01樁在樁底高程為-10.6 m處遇到硬質(zhì)地層，振動(dòng)錘在該層插樁出現(xiàn)劇烈反彈，振動(dòng)8 min后無進(jìn)尺，停止沉樁，此時(shí)鋼管樁入土深度符合穩(wěn)樁條件，可以換沖擊錘沉樁。AP01～AP04樁分別在樁底高程為-10.2、-9.4、-10.5、-7.7 m處遇到硬質(zhì)地層，停止插樁。

3.1.2沖擊錘沉樁

當(dāng)振動(dòng)錘插樁滿足穩(wěn)樁要求或無法再振動(dòng)下沉?xí)r，改用沖擊錘進(jìn)行沉樁，沉樁過程中選用合適的沖程，確保鋼管樁平穩(wěn)下沉，當(dāng)沉樁至設(shè)計(jì)樁底高程即可收錘。試樁AP03最終停錘跳高1.0 m、貫入度3.0 mm、樁底高程-17.49 m。

3.2 高應(yīng)變動(dòng)測(cè)

試樁TP01、AP01～AP04均未達(dá)到表1所示的樁底設(shè)計(jì)高程，這與2.2節(jié)的分析結(jié)果性質(zhì)具有一致性，即1#泊位沉樁困難。為驗(yàn)證試樁承載力是否滿足要求，進(jìn)行高應(yīng)變動(dòng)測(cè)承載力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

由表7可以看出，試樁的初打和復(fù)打承載力可滿足設(shè)計(jì)要求，并可根據(jù)CAPWAP擬合分析出④1層的單位樁側(cè)摩阻力約為225 kPa，按樁完全閉塞計(jì)算④1層的單位端阻力值不低于13 MPa。與表5、6所示GRLWEAP的打樁分析結(jié)果相比：1)在達(dá)到相似貫入度的情況下，如貫入度≤1.0 mm/擊或貫入度≤3.0 mm/擊，樁身應(yīng)力、初打承載力接近；2)GRLWEAP的打樁分析結(jié)果樁端阻力較實(shí)測(cè)值偏小，主要原因包括：①試樁位置與鉆孔有一定的距離，地層有一定偏差，原泥面高程也不一致；②對(duì)④1層土中打入鋼管樁的樁端閉塞系數(shù)取值偏小，實(shí)際接近1；③試樁時(shí)，為便于施工，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行了部分回填。

表7 現(xiàn)場(chǎng)試樁動(dòng)測(cè)CAPWAP擬合分析結(jié)果

3.3 靜載試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證樁的承載力，在沉樁后第76 d進(jìn)行了抗壓靜載試驗(yàn)。試驗(yàn)加卸載過程參照ASTM標(biāo)準(zhǔn)[9]執(zhí)行，加載分為0～1.2 倍的設(shè)計(jì)荷載、0～1.5 倍的設(shè)計(jì)荷載2個(gè)循環(huán)，設(shè)計(jì)荷載為12 MN。第1循環(huán)的最大沉降和卸載至0后的殘余沉降分別為22.64、1.03 mm，第2循環(huán)的最大沉降和卸載至0后的殘余沉降分別為30.00、2.00 mm，Q-s曲線較為平緩，見圖2，樁的承載力不低于18 MN，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 試樁不同荷載循環(huán)下的Q-s曲線

4 沉樁輔助措施

文獻(xiàn)[10]指出：在含有碎石和鵝卵石的顆粒土中施工時(shí)，大顆粒不能被射水噴走，但砂和較小的碎石會(huì)被沖出來，通過噴射和錘擊的結(jié)合，可以在有限的深度上實(shí)現(xiàn)貫入?？梢圆捎脷馀e法，如果減少的側(cè)摩阻力在可接受的范圍內(nèi)，也可以使用膨潤(rùn)土泥漿潤(rùn)滑。氣舉反循環(huán)鉆機(jī)在顆粒土中鉆孔極為有效。唐研等[11]已經(jīng)基于氣舉法在曹妃甸礦石碼頭大直徑超深鋼管樁清除樁心土中的應(yīng)用積累了一定經(jīng)驗(yàn)，找出了適合曹妃甸海域地質(zhì)條件的超深樁的吸泥工藝。

1#泊位因普遍存在④1碎石和卵石地層，造成沉樁困難，無法施工至設(shè)計(jì)樁底高程。但④1碎石和卵石地層卻能較早地造成樁端接近完全閉塞，為樁提供較高的樁端承載力。本項(xiàng)目工程沉樁發(fā)生困難時(shí)，如進(jìn)一步增加樁的入土深度，建議采用氣舉反循環(huán)法進(jìn)行樁內(nèi)土塞清除工作。樁內(nèi)土塞清除的深度，需保證錘擊沉樁至最終樁底高程時(shí)樁內(nèi)土塞形成，或通過必要措施人工恢復(fù)土塞。

5 結(jié)論

1)本項(xiàng)目密實(shí)含砂碎石和卵石地層中鋼管樁沉樁困難，單靠振動(dòng)和錘擊法沉樁無法沉樁至設(shè)計(jì)樁底高程，需清除樁內(nèi)部分土塞后繼續(xù)沉樁。鑒于樁的抗壓承載力仍遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)要求，樁的設(shè)計(jì)入土深度具備一定的設(shè)計(jì)優(yōu)化空間。

2)進(jìn)行可比地質(zhì)的模型試驗(yàn)輔助分析密實(shí)含砂碎石和卵石地層沉樁可行性時(shí)，應(yīng)考慮模擬地質(zhì)較難達(dá)到實(shí)際地質(zhì)的密實(shí)程度，建議對(duì)獲取的沉樁工效進(jìn)行適當(dāng)折減，并對(duì)單位樁側(cè)摩阻力予以必要的提高。

3)采用GRLWEAP軟件進(jìn)行基樁可打性分析，鋼管樁貫入密實(shí)含砂碎石和卵石地層中時(shí)，樁端閉塞系數(shù)可取0.7～1.0。

4)密實(shí)含砂碎石和卵石地層中鋼管樁單位側(cè)摩阻力約為225 kPa，單位端阻力值不低于13 MPa。