海洋淺水地質(zhì)鋼管樁錘擊沉樁要素控制

1 引言

樁基礎(chǔ)是海洋淺水環(huán)境（水深≤60 m）中各種工程結(jié)構(gòu)常用的一種基礎(chǔ)形式。 相比于混凝土樁基自重大、制作周期長、抗彎性能差、沉樁難度大等缺陷，鋼管樁具有剛度大、彈性好、抗傾覆性能強、施工便捷等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)電、橋梁碼頭等工程領(lǐng)域[1-2]。 目前，海洋淺水環(huán)境的鋼管樁基礎(chǔ)通常采用錘擊沉樁，然而，鋼管樁沉樁質(zhì)量受海洋環(huán)境的影響十分明顯。 一方面，準確探測海洋環(huán)境具有諸多不確定性，使錘擊沉樁過程始終伴隨著一定程度上難以控制的意外因素； 另一方面， 海洋環(huán)境本身難以預(yù)測的固有屬性進一步加劇了實際沉樁質(zhì)量大幅度偏離預(yù)定質(zhì)量標準的風(fēng)險。 因此，掌握海洋環(huán)境對鋼管樁沉樁質(zhì)量控制起著重要的保障作用。

與陸地環(huán)境相比，海洋環(huán)境鋼管樁沉樁質(zhì)量主要受水深、海底地質(zhì)、海床地形及風(fēng)浪流等一系列因素影響。 在近岸淺水環(huán)境中，海底地質(zhì)對鋼管樁沉樁質(zhì)量的影響尤為突出。 海底地質(zhì)通常可分為以砂土、風(fēng)化巖為代表的硬土及以黏土、淤泥為代表的軟土。 砂土呈單粒結(jié)構(gòu)，土粒間聯(lián)結(jié)微弱，具有壓縮性低、抗剪強度高、無塑性等特點[3-4]；黏土含砂粒少，與水混合后有黏性和可塑性，具有流變性高、觸變敏感、抗剪強度低等特點[5]。 在錘擊沉樁過程中，鋼管樁周邊土體易發(fā)生液化現(xiàn)象及擠土效應(yīng)[6-7]，導(dǎo)致土體產(chǎn)生較大的超靜孔隙水壓力和擠壓應(yīng)力。 超靜孔隙水壓力的增大，使土粒間承擔、傳遞的壓力減小，降低了土體抵抗剪切變形的能力；擠壓應(yīng)力的增加，擴大了土體橫向有效應(yīng)力并減小了孔隙率，使土體強度有所提高。 與砂土層相比，黏土層黏聚力大，液化程度低，但黏土層本身強度低且結(jié)構(gòu)易被破壞，在荷載作用下，承載力進一步降低減小。因此， 鋼管樁進行錘擊沉樁的質(zhì)量控制側(cè)重點受海底地質(zhì)的影響。

分析在海洋淺水環(huán)境中鋼管樁錘擊沉樁的過程， 歸納出影響鋼管樁沉樁質(zhì)量的主要因素， 總結(jié)出不同海底地質(zhì)條件下提高鋼管樁沉樁質(zhì)量的關(guān)鍵要素， 對于加強海洋淺水環(huán)境中各種工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全起著促進作用，同時，有效控制鋼管樁錘擊沉樁質(zhì)量，對于降低施工風(fēng)險，提高施工效率，節(jié)約施工成本有著明顯的指導(dǎo)意義， 并可為以后同類工程設(shè)計與施工提供實踐參考。

2 砂土地質(zhì)沉樁要素

2.1 不同錘擊能量下砂土層的響應(yīng)

1）在砂土層中進行錘擊沉樁，錘擊能量隨著鋼管樁入土深度的增加而增加，即打樁阻力與入土深度呈正相關(guān)。 當采用較大錘擊能量進行沉樁時， 鋼管樁對周圍土體產(chǎn)生擾動和破壞作用，土體中孔隙水壓力逐漸增大，土粒所承受的有效應(yīng)力逐漸減小。 有效應(yīng)力降為零時，超靜孔隙水壓力最大，此時土體抗剪強度喪失，沉樁貫入度驟增且難以控制。

2）采用大能量連續(xù)錘擊沉樁，土體強度下降迅速，因砂土滲透性較強，超靜孔隙水壓力可在較短時間內(nèi)消散，土體強度恢復(fù)較快。 當采用小能量進行錘擊沉樁時，土體阻力過大，鋼管樁貫入度小，能量轉(zhuǎn)化成鋼管樁動能的效率較低，部分能量反彈至錘體，易造成打樁錘損傷。 長時間采用小能量進行錘擊沉樁，使沉樁后期阻力過大，且影響施工效率。

3）沉樁過程中，土體阻力與土層性質(zhì)及入土深度密切相關(guān)，為確保錘擊能量的選擇合理有效，需結(jié)合地質(zhì)資料進行分析。 砂土屬于摩擦樁應(yīng)用的有利地質(zhì)條件， 土體阻力普遍較大。 當砂土層密實度、標準貫入度較大時，可采用較大的錘擊能量，并根據(jù)下一層土體的性質(zhì)提前進行調(diào)整。

4）地質(zhì)資料對實際所在位置土層的描述并不完全真實，僅根據(jù)地質(zhì)資料難以對錘擊能量進行精確控制。 實際錘擊沉樁施工過程中，應(yīng)結(jié)合鋼管樁的貫入度進行相應(yīng)調(diào)整，確保沉樁過程中鋼管樁貫入度維持在一個較為穩(wěn)定的數(shù)值， 使鋼管樁貫入度不發(fā)生大的波動。

2.2 溜樁與砂土層性質(zhì)變化的關(guān)系

1）在鋼管樁沉樁施工過程中，溜樁現(xiàn)象較為常見，常見情況有兩種。 第一種情況為錘擊沉樁前或剛開始錘擊時發(fā)生的溜樁，土體未受較大的擾動，砂土層強度下降較小，提供的阻力與靜摩擦阻力相差無幾。 溜樁產(chǎn)生主要可能原因是土體存在硬土層，鋼管樁自沉深度不足，當鋼管樁穿過硬土層后，土體阻力驟然下降， 此時發(fā)生溜樁對于初始沉樁質(zhì)量的控制造成了極大的風(fēng)險。

2）第二種情況為錘擊沉樁過程中發(fā)生的溜樁，主要產(chǎn)生原因是錘擊沉樁能量過大， 土體發(fā)生液化現(xiàn)象， 抗剪強度喪失，鋼管樁在土體中所受阻力小于樁錘的總重量。 溜樁情況發(fā)生突然，產(chǎn)生的瞬時沖擊力可能對打樁錘、船舶及其他各種工程結(jié)構(gòu)造成損傷。

3）為降低溜樁風(fēng)險，確保沉樁過程可控，應(yīng)先數(shù)值模擬錘擊沉樁過程，并根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定錘型，針對可能存在溜樁的土層進行分析，提前采取預(yù)防措施。 實際沉樁過程中，初始采用點動錘擊的方式，避免對鋼管樁造成沖擊；在樁尖到達溜樁時，提前降低錘擊能量及錘擊速率。

4）若發(fā)生溜樁，溜樁結(jié)束后，靜置觀察一段時間，同時檢查各個沉樁設(shè)備是否出現(xiàn)損傷。 鋼管樁穩(wěn)定后，再次進行錘擊沉樁，并采用小能量進行錘擊，鋼管樁貫入度較小且變化不明顯時，逐漸增加錘擊能量。

2.3 砂土層沉樁質(zhì)量控制

1）海洋淺水環(huán)境中部分工程結(jié)構(gòu)對樁基的樁身垂直度及樁頂標高有著較高的要求， 且鋼管樁錘擊沉樁以樁頂標高作為停錘的控制標準。 砂土層壓縮性低，沉樁過程中，鋼管樁所受水平阻力大，鋼管樁垂直度調(diào)整困難，且隨著鋼管樁入土深度的增大，垂直度調(diào)整難度加劇。

2）鋼管樁在砂土層所承受的側(cè)摩阻力及樁端阻力較大，需采用較大的錘擊能量進行沉樁，當臨近設(shè)計標高時，易出現(xiàn)鋼管樁貫入度過大難以控制的情況， 樁頂標高超出設(shè)計所要求的范圍。

3）對于樁身垂直度，應(yīng)加強初始沉樁階段的控制，降低后續(xù)樁身垂直度調(diào)整的難度；實際錘擊沉樁過程中，可采取邊沉樁邊測量的方式，確保鋼管樁垂直度在控制范圍之內(nèi)；若鋼管樁垂直度發(fā)生傾斜，停止沉樁，根據(jù)樁身傾斜方向立即對鋼管樁施加頂推力以調(diào)整樁身垂直度。

4）樁頂標高的控制主要在沉樁最后階段。 沉樁前，可根據(jù)沉樁設(shè)備的標高及樁身刻度線推算沉樁至設(shè)計標高時樁身刻度線的位置；當樁頂標高距實際標高1~2 m 時，使用全站儀全程觀測，實時顯示樁頂標高，并適當降低錘擊能量；若樁頂標高與設(shè)計標高相差較小，可采用點動錘擊的方式，以確保沉樁質(zhì)量在可控范圍之內(nèi)。

5）在砂土層進行沉樁施工，沉樁阻力大，應(yīng)一次連續(xù)錘擊至設(shè)計標高，避免土體強度恢復(fù)發(fā)生拒錘現(xiàn)象。

3 黏土地質(zhì)沉樁要素

3.1 不同錘擊能量下黏土層的響應(yīng)

1）在黏土層中進行錘擊沉樁，隨著鋼管樁入土深度的增加，可能出現(xiàn)錘擊能量反而減小的情況。 黏土在顆粒組成、力學(xué)性質(zhì)及孔隙水運動規(guī)律等方面與砂土存在較大的差異，在荷載作用下， 土體中超孔隙水壓力的增長和消散速度相對緩慢。 若采用較大能量進行錘擊沉樁，黏土結(jié)構(gòu)被破壞，強度損失大。

2）黏土具有較強的結(jié)構(gòu)性，使土體的強度顯著增強，但結(jié)構(gòu)易受擾動，即使采用小能量錘擊，土體結(jié)構(gòu)破壞所損失的強度仍較大。

3）在黏土層中沉樁，地質(zhì)資料對錘擊沉樁能量控制的參考作用較小。 實際沉樁過程中應(yīng)盡可能采用較小的能量進行錘擊，以減小對土體結(jié)構(gòu)的破壞，當貫入度偏小時，錘擊能量應(yīng)緩慢進行增加，避免土體強度損失較大，鋼管樁貫入度長時間處于一個偏大的情況。

3.2 溜樁與黏土層性質(zhì)變化的關(guān)系

1）鋼管樁整個沉樁過程都會對黏土造成擾動，破壞土體原有的結(jié)構(gòu)。 鋼管樁自沉完成后發(fā)生的溜樁，可能為土體存在硬土層及結(jié)構(gòu)強度下降共同作用的結(jié)果。

2）錘擊沉樁過程中發(fā)生溜樁，一方面因土體發(fā)生液化現(xiàn)象，抗剪強度下降，另一方面土體結(jié)構(gòu)被破壞，土體強度下降。 擾動后的黏土強度損失較大，且土體液化恢復(fù)緩慢，土體強度需要較長時間恢復(fù)， 以滿足各種工程結(jié)構(gòu)對承載力的要求。

3）通過數(shù)值模擬沉樁過程，以便于錘擊能量及錘擊速率的控制，實際沉樁過程中，應(yīng)保持鋼管樁貫入度在一個偏小值的范圍；若發(fā)生溜樁，不僅需對各設(shè)備進行檢查，還應(yīng)靜置一段時間，且套錘過程中緩慢壓載，避免發(fā)生二次溜樁。

3.3 黏土層沉樁質(zhì)量控制

1）在黏土層進行沉樁，若鋼管樁樁身發(fā)生傾斜，對鋼管樁垂直度進行調(diào)整時，鋼管樁垂直度回彈明顯。 為確保沉樁質(zhì)量符合設(shè)計要求，過程中應(yīng)加強觀測，且在鋼管樁垂直度調(diào)整過程中，持續(xù)施加頂推力。

2）樁頂標高的控制主要在于沉樁最后階段的實時觀測及錘擊能量的調(diào)整， 合理有效地控制鋼管樁貫入度是確保沉樁質(zhì)量的關(guān)鍵。

3）黏土層結(jié)構(gòu)性強，結(jié)構(gòu)被破壞后強度損失大，沉樁施工過程中可短暫中止錘擊，避免鋼管樁貫入度過大，發(fā)生樁頂標高及樁身垂直度難以控制的情況。

4 淺水地質(zhì)船舶定位要素

船舶安全與波浪關(guān)系密切，在不同波浪作用下，船舶姿態(tài)呈現(xiàn)不同變化[8-9]。 在海洋淺水環(huán)境中，為確保順利錘擊沉樁，保持船舶拋錨狀態(tài)的穩(wěn)定是施工過程中的關(guān)鍵， 而船舶定位錨泊能力受地質(zhì)影響較大。

1）表征波浪的主要特征值有波向、波高、周期及波長等，其對船舶的影響體現(xiàn)在多個方面。 船舶橫向受浪時，船身橫搖明顯，若橫搖周期與波浪周期接近，橫搖幅度加劇，易造成船舶傾覆。 船舶頂浪時，因船舶縱向穩(wěn)性較大，受波浪作用所產(chǎn)生的縱搖擺幅小于橫搖， 若船長小于波長， 船舶尾部振動強烈，易造成船舶尾軸斷裂；船長接近波浪波長，船舶可能承受多個波峰作用，發(fā)生中拱現(xiàn)象，使船體發(fā)生變形。

2）為減小波浪對船舶的影響，船舶應(yīng)結(jié)合波浪情況進行拋錨進位，同時根據(jù)不同的地質(zhì)選擇合適的拋錨方式，以確保船舶的穩(wěn)定安全。 在砂土地質(zhì)中進行拋錨，因地質(zhì)較硬，落錨貫入深度小，影響錨的抓地力，當涌浪較大時，易發(fā)生船舶走錨的情況。 對于砂土地質(zhì)， 在落錨過程中選擇合適的松錨速度，盡可能增加船錨觸底動能，同時調(diào)整好船錨觸底傾角，減小船錨貫入海床時的阻力，以增加船錨貫入土體的深度；適當增加船舶拋錨的長度，以增加船錨抓地力，使船舶能在較大涌浪下維持穩(wěn)定。

3）黏土地質(zhì)抗剪強度低，船錨在土體中貫入深度大，土體可以為船錨提供較大抓力，在船舶拋錨過程中，選擇合適正確的拋錨方法，可以有效保障船舶的穩(wěn)定安全。

5 結(jié)論

為確保海洋淺水環(huán)境中鋼管樁錘擊沉樁質(zhì)量， 主要從溜樁的預(yù)防、錘擊能量、樁身垂直度及樁頂標高4 個要素進行控制，具體如下。

1）沉樁前，應(yīng)先針對錘擊沉樁過程進行數(shù)值模擬，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果確定錘型以及樁底在不同土層中的錘擊能量。 為降低溜樁風(fēng)險，可根據(jù)實際貫入度調(diào)整錘擊能量。

2）根據(jù)土層性質(zhì)及實際沉樁貫入度情況，有效控制錘擊能量，降低沉樁施工風(fēng)險。

3）加強初始沉樁階段樁身垂直度的控制；增加垂直度觀測頻率，鋼管樁傾斜后立即進行調(diào)整，以確保樁身垂直度在控制范圍之內(nèi)。

4）樁頂標高作為錘擊沉樁的停錘控制標準，應(yīng)加強監(jiān)控。在沉樁最后階段，通過全站儀對樁頂標高進行實時觀測；樁頂標高臨近設(shè)計標高時，降低錘擊能量，必要時點動錘擊。

5）砂土層沉樁，在沉樁過程中應(yīng)一次連續(xù)錘擊至設(shè)計標高，避免土體強度恢復(fù)發(fā)生拒錘現(xiàn)象；黏土層沉樁，在沉樁過程中可短暫中止錘擊，避免貫入度過大，導(dǎo)致樁身垂直度及樁頂標高難以控制。