天津港大沽口港區東部區域兩種樁型承載力對比分析

蔡軍，樊士廣，劉釗，朱德華

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

2014年，國務院正式批準天津口岸新一輪擴大對外開放計劃，批準天津港新增對外開放水域1 120 km2，新增碼頭岸線69.1 km，新建對外開放碼頭泊位71個，這一計劃為天津港的新一輪發展建設帶來了機遇，天津港大沽口港區是此次新增對外開放的重要區域。大沽口港區在建工程已經很多，但離東部區域較遠，對于東部區域工程可借鑒度低。另外，700 mm×700 mm預應力混凝土方樁在天津港的應用剛剛起步，試樁資料還是空白。有鑒于此，在東部區域擬建的某碼頭工程先期進行了試樁，獲取了豐富的試樁資料，為樁基的優化設計及業主決策提供了重要參考資料。

1 試樁工程

1.1 地質條件

以距試樁區域中心最近的鉆孔為例，各土層參數如表1。

1.2 樁型選擇、錘型選擇及停錘標準

本工程區域試驗基樁共4根，分為2組，第1組為2根700mm×700 mm預應力混凝土方樁，編號為SF1、SF2；第2組為2根φ1 200mm鋼管樁，編號為SG1、SG2。同時還設置了8根錨樁（編號為M1～M8）和 3根基準樁（編號為J1～J3）。

試樁平面布置見圖1。

設計要求采用D125錘，施打預應力混凝土方樁時開二檔，施打鋼管樁時開三檔。停錘標準：1）樁尖達到設計標高；2） 鋼管樁終錘貫入度不大于3mm，預應力混凝土方樁終錘貫入度不大于7 mm；3）停錘以樁尖達到設計標高為主。實際各樁型沉樁統計結果見表2。

表1 試樁區土層分布和樁基設計參數Table 1 Parametersof soildistribution and pile foundation design in pile trial testarea

圖1 試樁平面布置圖Fig.1 Layoutof pile trial test

表2 各樁型沉樁統計結果Table 2 Pile-sinking resultsof each type pile

2 主要試驗成果

本次試樁得到了一系列試驗成果，在此主要介紹兩種樁型的單樁軸向抗壓極限承載力、單樁在各土層的樁側摩阻力和樁端阻力、土體恢復系數、鋼管樁（開口）樁端承載力折減系數成果，結合各樁型所處土層位置及實測樁身應力，分析兩種樁型的極限承載力組成及與規范推薦值的差異。

靜載荷試驗按JTJ 255—2002《港口工程基樁靜載荷試驗規程》[1]執行，采用錨樁反力梁法對試驗樁分級加載，測試每級荷載作用下樁頂的沉降量和樁身的應變值，根據測試結果經計算、分析

？確定單樁軸向抗壓極限承載力、單樁在各土層的樁側摩阻力和樁端阻力、鋼管樁的樁端承載力折減系數。結果匯總見表3。

表3 試驗結果匯總表Table 3 Summary of test results

4根試驗樁在不同加載級下的沉降量如圖2所示。

圖2 試驗樁荷載-沉降曲線Fig.2 Curveof trailpile loading-settlement

3 極限承載力分析

3.1 預應力混凝土方樁的單樁極限承載力

預應力混凝土方樁的荷載-沉降曲線沒有出現可以直接判定極限承載力的特征，但兩根樁的最大加載值已經非常接近其極限承載力，原因有：

1） 兩根樁分別加載至11 000 kN和11 050 kN時，其樁頂沉降量分別為39.83 mm和34.22 mm（見圖2），按照圖2所示曲線趨勢，SF2加載至下一級（11 700 kN）時的樁頂總沉降量也接近40 mm，即使再加下一級荷載時，曲線還未出現明顯的向下彎曲，根據JTJ 255—2002《港口工程基樁靜載荷試驗規程》[1]規定，取沉降量為40 mm時所對應的荷載值為近似極限承載力。

2）從鋼管樁的動、靜力試驗結果對比看，兩種方法檢測的極限承載力試驗結果非常吻合。而預應力混凝土方樁動力檢測方法的極限承載力分別為10 939 kN和11 213 kN。

根據以上兩點，認為靜載荷試驗給出SF1和SF2的近似極限承載力分別為11 000 kN和11 700 kN比較合理。

3.2 動力載荷試驗初復打承載力對比

4根試驗樁初復打試驗結果見表4。結果顯示沉樁后經過15～17 d的土體恢復，貫入度顯著降低，承載力明顯提高。土體恢復系數平均為1.88，相對較高。

表4 初復打結果對比Table 4 Resultscontrastof driving and redriving

3.3 兩種樁型的承載力對比

根據JTS 167-4—2012《港口工程樁基規范》[2]，對兩種樁型的極限承載力標準值取值如下：

靜力載荷試驗結果：預應力混凝土方樁為11 350 kN；鋼管樁為11 400 kN。

動力載荷試驗結果：預應力混凝土方樁為11 076 kN；鋼管樁為11 683 kN。

兩種試驗方法得出的極限承載力結果基本一致，即該區域兩種樁型的極限承載力標準值相差無幾，鋼管樁略高于預應力混凝土方樁（見表5）。

表5 2種樁型承載力結果對比Table5 Resultscontrastof the bearing capacitatesof two type piles

從鋼管樁樁端阻力（表3）所占比例看，動力載荷試驗結果（平均占18.4%）較靜力載荷試驗結果（平均占13.2%）高出較多，這是因為動測分析時將開口鋼管樁下部的內側摩阻力轉化為端阻力考慮，靜載試驗的摩阻力為內壁摩阻力與管外摩阻力之和[3]，無法區分內外側摩阻力，因此動測端阻力高于靜載端阻力。

3.4 兩種樁型承載機理分析

試驗前依據規范[4]在兩種樁中分別埋設了應變傳感器，靜載荷試驗過程中對各傳感器的應變值進行了測試，得出各級荷載作用下不同土層的側摩阻力和樁端阻力，現以SG1加載至10 800 kN、SF1加載至11 000 kN時的樁側、樁端阻力為例（見表6）對樁土作用的分布進行分析。

表6 SG1和SF1試樁的樁側極限摩阻力測試結果Table 6 Test resultsof the pile skin lim it friction of SG1 pile and SF1 pile

樁基的承載力由樁周土提供的側摩阻力和樁端土提供的端阻力構成。表3靜力載荷試驗數據顯示鋼管樁的極限承載力由87%的樁側摩阻力和13%的端阻力組成，預應力混凝土方樁的極限承載力由60%的樁側摩阻力和40%的端阻力組成，兩種樁型的側摩阻力和端阻力的比例有較大差別。從表1和表2的數據看出，預應力混凝土方樁的樁端處于粉砂層（約4 m厚）的頂部，而鋼管樁樁端穿越了該層，處于黏土層。表6的數據顯示樁在進入標高至-32 m以下后單位面積的側摩阻力發揮很充分，較規范的設計參數有較大提高。從整體看，預應力混凝土方樁的單位面積側摩阻力較鋼管樁略大，而且樁尖所處土層的端阻力發揮程度較規范的設計參考值有大幅度提高。

4 樁型的選擇

經過試樁試驗，兩種樁型的極限承載力都超過了預估的極限承載力，達到了試驗目的。地質勘查報告顯示，該區域土層在-40～-44 m范圍有一粉砂層，厚度在1～7 m，標貫擊數可達55～60擊，土質較好，強度較高，可作為樁端持力層。但該粉砂持力層頂面起伏較大，厚度變化也較大。鑒于該土層特點，如果選擇預應力混凝土方樁作為工程基樁，必須使樁端正確落于該持力層上，如果選擇鋼管樁，可以穿透該土層，但工程成本會增大。

5 結語

本次試樁結果表明：

1）在合理、準確選擇樁端持力層，充分發揮樁端土持力作用時，700 mm×700 mm預應力混凝土方樁可以應用于該區域，且可打性好；

2）動、靜載荷測試結果比較吻合，說明經過15 d的土體恢復期后進行靜載荷試驗是合理的；

3）實測的樁側摩阻力標準值、樁端土阻力標準值較規范的設計參數有較大提高，說明了在缺少試樁資料地區進行試樁試驗是必要的；

4）樁型的選擇需要根據投資成本、區域土層特點、施工控制水平等因素綜合確定。

[1]JTJ255—2002，港口工程基樁靜載荷試驗規程[S].JTJ255—2002,Specification for testingofpileunder static load in harborengineering[S].

[2]JTS167-4—2012，港口工程樁基規范[S].JTS 167-4—2012,Code for pile foundation of harbor engineering[S].

[3] 董淑海.大直徑水下鋼管樁豎向承載力的現場試驗分析 [J].土木工程學報，2007，40（S）：228-231.DONGShu-hai.Field testof the vertical ultimate bearing capacity ofunderwater large-diameter steel pipe piles[J].China Civil Engineering Journal,2007,40(S)：228-231.

[4]JGJ106—2003，建筑基樁檢測技術規范[S].JGJ 106—2003，Technical code for testing of building foundation piles[S].