尼日利亞拉各斯萊基地區鋼管樁停錘標準研究

王 馨，竇 峰，唐明剛

（1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510000；2.中交四航局第三工程有限公司，廣東 湛江 524005）

引 言

鋼管樁沉樁停錘控制受地質、錘型和樁型等因素影響，是一個復雜的問題。

現行港口樁基規范中，對不同持力層的停錘標準有明確的規定：若持力層為一般性黏土，只要選錘得當，一般都可將樁打至設計高程，停錘標準應高程控制。若持力層為礫石、密實砂土或風化巖，停錘標準多以貫入度控制，同時樁端距設計高程不宜超過1～3 m。若持力層為硬黏土或粉細砂時，停錘標準首先以高程控制，當樁端達不到設計高程時，可以貫入度控制[1]。

控制貫入度的確定一般通過施工前試樁測得的錘型（錘能）、承載力與貫入度關系，以承載力為基準而制定。而國外項目，由于當地設備與地區經驗局限、地質不確定性較高，停錘標準在實際應用中往往出現較大偏差，此時需結合實際情況，進行進一步細化調整。

本文結合尼日利亞拉各斯（Lagos）萊基地區Dangote SPM海工項目樁基設計與施工經驗，對該地區鋼管樁設計施工的停錘標準進行初步探討，供類似工程參考。

1 地質情況

根據尼日利亞萊基地區已完成萊基深水港、DANGOTE RO-RO碼頭等多個海工項目的地勘資料，該地區為典型的砂質海岸。就工程位置而言，地層主要由第四紀海相和陸相沖積層（Qm+al）組成，根據鉆探所揭露的地層分析，勘察地層從上到下主要為：松散中粗砂、密實細到粗砂、中密細到粗砂、密實中粗砂、硬黏土、中密到密實細砂、硬黏土、松散砂中粗砂、密實中粗砂、硬黏土、密實中粗砂。

揭示的覆蓋層上部多為砂和黏土，其中2～3層為非常密實的粗砂，標貫＞50擊，層厚6～7 m，屬于硬夾層。第7層為密實中粗砂層，具有較高的承載力，是良好的持力層。

2 樁基設計與施工

2.1 樁基設計

該項目鋼管樁內力采用SAP 2000有限元軟件進行計算，內力計算結果及樁基設計參數如表1所示。

表1 Dangote SPM海工項目樁基設計結果

按照API承載力安全系數抗壓樁取2.0，考慮到硬夾層的存在，樁尖按開口樁設計。經過計算，持力層為第7層，滿足承載力要求。

2.2 樁基施工

本工程為海管登陸棧橋，離岸距離約192 m，搭建臨時棧橋陸上打樁，配置了ICE 44B液壓振動錘和BSP CG240液壓錘。樁錘主要參數見表2。

表2 樁錘主要參數

施工前，進行了陸上試樁：采用液壓振動錘ICE 44B，鋼管樁穿透非常密實的中砂層2-3，入土至高程-20 m左右；換液壓錘BSP CG240沉樁，選擇2檔施工（錘高1.2 m），打樁應力可控，沉樁可行。經靜載試驗和高應變檢測，驗證承載力滿足設計要求，貫入度基本達到設計要求。

然而，施工中咨工堅持樁錘按1檔施工（錘高1.5 m），能量有所增加，樁基沉樁到設計高程后貫入度普遍在10～25 mm之間，不滿足設計要求（即：最后30擊沉樁貫入度平均值不超過10 mm）。孔隙水壓消散后，樁基承載力基本滿足設計要求。

初步分析，貫入度普遍增大與終錘能量較大有關。根據國標，砂土終錘標準“以承載力為基準，貫入度為控制”的原則，若沿用原來停錘貫入度10 mm的要求，勢必影響工期，增加項目投資。因此有必要對各種錘能、貫入度與承載力的關系進行研究，細化停錘標準。

3 停錘標準探討

通常采用兩種方法來分析錘能、貫入度與承載力的關系，一種是動力公式，一種是波動方程。

美國ENR公式，英國HILEY公式等為動力公式，是基于沉樁過程中對樁貫入度的觀測的預測方法。利用能量守恒的原理，將錘的勢能等效于樁在土中被打入時的穿透阻力（每擊一次），以估計樁的承載力。動力公式沒有考慮沉樁過程中土層、錘擊性能的變化，也沒有考慮樁基剛度造成的能量損失，缺乏準確性和可靠性。而波動方程恰能克服以上缺點。

3.1 波動方程

波動方程是運用一維彈性應力波傳播原理分析打樁應力，考慮了土層分層特性和樁錘變化的影響，反應了錘能、貫入度與承載力的關系。

本工程采用GRLWEAP 2010軟件進行打樁動力分析，土體模型如圖 1。選擇 ZK06/ZK08/ZK09鉆孔和不同錘高（錘高0.8 m和錘高1.5 m）來進行研究。

圖1 土體模型

各鉆孔在相同錘能、不同承載力設定下，終錘貫入度如表3～表8所示。

表3 波動方程分析結果（ZK06）

表4 波動方程分析結果（ZK06）

表5 波動方程分析結果（ZK08）

表6 波動方程分析結果（ZK08）

表7 波動方程分析結果（ZK09）

表8 波動方程分析結果（ZK09）

圖2 最大沉樁應力分布

經過分析，錘高 0.8 m時，打樁應力不超過170 MPa，錘高1.5 m時，打樁應力不超過230 MPa。本工程樁徑材質為 S355JOH，最小屈服強度為355 MPa，許用應力為355 MPa/1.5=236 MPa。沉樁應力均滿足設計要求。

3.2 高應變驗證

選擇有代表性的樁基進行高應變檢測，驗證貫入度與承載力的關聯性。

表9 樁基高應變檢測結果

打樁承載力恢復系數約為 1.1～1.25。從動測結果來看，貫入度與錘能關系成正比，與承載力關系成反比。樁的最終極限承載力均大于2倍樁力，滿足設計要求。

3.3 停錘標準制定

對于尼日利亞萊基地區鋼管樁沉樁，利用砂土特性，可首選液壓振動錘ICE 44B穿透表層密實砂土層，換液壓錘BSP CG240沉樁，可選擇重錘輕打的方式，多檔施工。本工程的基于ZK06孔的打樁動態分析結果和高應變驗證的結果，修改后的停錘標準已通過咨工批復并執行，如下所述。

采用壓錘BSP CG240，能量不小于160 kJ。重錘標準以貫入度與設計高程雙控：

1）當樁力標準值在2 500～3 000 kN之間時，采用1檔（跳高1.5 m）施打，當樁尖高程達到設計高程且最后30擊貫入度不超過10.3 mm/擊時，即可停錘。當樁尖高程達到設計高程但貫入度超過10.3 mm/擊，則采用3檔（跳高0.8 m）施打，重錘貫入度小于3.5 mm/擊，即可停錘。若重錘貫入度仍大于3.5 mm/擊，則采用高應變檢測驗證承載力。

2）當樁力標準值在2 000～2 500 kN之間時，采用1檔（跳高1.5 m）施打，當樁尖高程達到設計高程且最后30擊貫入度不超過15.3 mm/擊時，即可停錘。當樁尖高程達到設計高程但貫入度超過15.3 mm/擊，則采用3檔（跳高0.8 m）施打，重錘貫入度小于6.4 mm/擊，即可停錘。若重錘貫入度仍大于6.4 mm/擊，則采用高應變檢測驗證承載力。

3）當樁力標準值在1 500～2 000 kN之間時，采用1檔（跳高1.5 m）施打，當樁尖高程達到設計高程且最后30擊貫入度不超過21.6 mm/擊時，即可停錘。當樁尖高程達到設計高程但貫入度超過21.6 mm/擊，則采用3檔（跳高0.8 m）施打，重錘貫入度小于10.6 mm/擊，即可停錘。若重錘貫入度仍大于 10.6 mm/擊，則采用高應變檢測驗證承載力。

4）當樁力標準值在小于1 500 kN時，采用1檔（跳高 1.5 m）施打，當樁尖高程達到設計高程且最后30擊貫入度不超過30.0 mm/擊時，即可停錘。當樁尖高程達到設計高程但貫入度超過30.0 mm/擊，則采用3檔（跳高0.8 m）施打，重錘貫入度小于16.8 mm/擊，即可停錘。若重錘貫入度仍大于 16.8 mm/擊，則采用高應變檢測驗證承載力。

若樁尖達到設計保持仍有較大貫入度的情況，驗算樁錘能量與承載力，統計樁身恢復系數。若動測結果仍不能滿足承載力要求的，則需要采取補救措施，接樁或補樁。

4 結 語

本文通過波動方程分析，選擇陸側至海側不同鉆孔ZK06/ZK08/ZK09和不同錘能（錘0.8 m和錘高 1.5 m）研究了錘能、貫入度與承載力的關系，并通過高應變檢測結果驗證了研究成果的可靠性，為該地區其他工程項目提供了有益的參考。