加納特碼項目樁基工程選錘及停錘標準介紹

張志鵬，李天翔，李松樵

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

引 言

在鋼管樁樁基施工過程中，沉樁錘型的選擇和停錘標準的制定起著重要作用。錘型的選擇和停錘標準的制定應根據地質、樁身結構強度、樁的承載力和錘的性能，并結合試沉樁情況確定。沉樁的停錘標準現行《港口工程樁基規范》[1]僅根據不同的地質情況給出了一般性的指導建議，而無可供實際參考的控制標準，因此有必要對沉樁的停錘標準進行研究。

本文介紹了加納特碼新建集裝箱碼頭后軌道梁鋼管樁基礎沉樁的選錘及停錘標準，通過理論公式和試沉樁確定了以貫入度控制的停錘標準，進一步用高應變動力檢測試驗和靜載荷試驗進行復核并對 ENR公式進行修正，實際應用效果良好，可供類似工程參考。

1 工程概況

加納特碼新集裝箱碼頭項目碼頭總長1 400 m，碼頭前沿為重力式沉箱結構。后軌道梁基礎采用鋼管樁樁基結構，鋼管樁間距為4.5 m，樁徑為1 m，壁厚為20 mm，設計樁長17.6 m（樁底高程-16.0 m，樁頂高程1.6 m）。

本項目在碼頭沉箱主體結構、后方拋石棱體和土工布施工完成后，陸域回填砂到2 m左右，形成地基處理作業面，地基處理采用振沖密實法，業主要求地基處理后水上相對密實度不小于70 %，水下相對密實度不小于60 %。地基處理檢測合格后進行沉樁施工。碼頭結構典型斷面見圖1。

圖1 碼頭結構典型斷面示意

本項目沿后軌道梁原泥面在-7～-8 m高程之間，由上至下主要土層為：松散粉質細砂，密實砂礫石層，強風化片麻巖、中風化至微風化片麻巖層等。設計樁底高程打入強風化片麻巖。各土層主要物理力學指標如表1。

表1 各土層主要物理力學指標

根據設計內力計算結果顯示，拉樁力極小可不考慮，最大工作荷載壓樁力為4 144 kN。根據業主要求，壓樁承載力計算安全系數取 2.5，即樁基承載力要求至少為10 360 kN。

2 選錘及停錘標準的確定

2.1 選錘分析

樁錘的選型應根據地質情況、樁型、設計承載力等綜合考慮。樁錘不宜過大也不宜過小，樁錘過大易造成樁身損傷；樁錘過小，沉樁效率低且沉樁不易達到設計高程。本項目現場具備柴油錘 D128和D160兩種型號，D128柴油錘單次打擊能量最大為426.5 kJ，每分鐘打擊次數為36～45次；D160柴油錘單次打擊能量最大為533.0 kJ，每分鐘打擊次數為36～45次。具體的技術參數如表2所示。

表2 柴油錘D128和D160技術參數

根據《Installation Specification For Driven Piles-PDCA Specification 102-07》[2]規定，大小合適的樁錘應滿足在達到樁基承載力時，每 1英寸（25.4 mm）夯沉量不超過10擊。本工程設計樁端土層為強風化片麻巖，承載力要求大于10 360 kN，為了初步評估現有錘型是否能夠滿足打樁要求。本項目采用ENR公式[3]進行計算：

式中：

Ra為樁基承載力，kN；

FS為安全系數，建議值取6；

E為單次打擊能量，kJ；

s為單次打擊的夯沉量，mm。

計算中假定單擊夯沉量為2.54 mm，得到不同錘型停錘時所能達到的最大承載力，如表3所示。

表3 不同錘型停錘時樁所能達到的最大承載力

從表3可知，在假定單擊夯沉量為2.54 mm時，樁所能達到的最大承載力分別為 13 992.78 kN和17 486.88 kN，設計要求樁基承載力大于10 360 kN，同時根據選錘參考資料[1]，柴油錘 D125可能達到的極限承載力分為為11 000～21 000 kN，D160可達15 000 kN以上，最終 10擊的平均貫入度在5～10 mm，因此，可以初步判斷柴油錘D128、D160均可滿足沉樁要求。綜合考慮沉樁效率及經濟性，選定D128柴油錘進行沉樁施工。

2.2 停錘標準

停錘標準應與錘型相適應。本項目設計樁端土層為強風化片麻巖，應以貫入度控制[1]；設計規格書要求1 500擊的夯沉量不大于1.5 m或每0.25 m夯沉量需超過650擊，該標準相對嚴格且過于寬泛，不宜作為實際沉樁施工的控制標準，控制貫入度應該根據選定錘型不同而不同。為了初步確定停錘貫入度，根據ENR公式計算，樁基承載力Ra按設計要求承載力取值為10 360 kN，單次打擊能量采用3擋計算，其結果見表4。

表4 柴油錘D128貫入度計算

計算結果表明，平均貫入度小于3.61 mm或連續30擊貫入度小于108 mm時，說明已達到樁基承載力要求。由于 ENR公式為經驗公式，安全系數的取值本身有一定主觀性，而且考慮到地質的復雜多變性，計算結果只可作為控制貫入度的估值范圍，停錘標準應根據試打樁、高應變動力檢測和靜載荷試驗結果再調整。

實際沉樁過程中，首先以 ENR公式計算出來的貫入度作為停錘標準，通過高應變動力檢測發現樁基承載力不滿足設計要求，經過繼續試打和高應變動力復測，并出于保守考慮，初步確定控制貫入度為最后連續兩個30擊貫入度均小于50 mm，考慮到土質不均勻情況，為了確保樁端能入持力層，當沉樁貫入度已達到控制貫入度時，要求繼續錘擊50擊，避免沉樁中出現的虛假現象。

3 高應變動力檢測試驗

高應變動力檢測是通過分析樁在沖擊力作用下產生的力和加速度，確定樁的軸向承載力，評價樁身完整性和分析土的阻力分布等[4]。本項目高應變動力檢測試驗采用美國PDI公司生產的打樁分析儀（Pile Driving Analyser，PDA），數據分析采用CAPWAP軟件。

根據沉樁情況選擇有代表性的樁進行高應變動力檢測試驗，以確認其承載力是否滿足設計要求，停錘標準是否合理。其中靜載荷試驗樁及9根工程樁的高應變動力檢測結果見表5。

高應變動力試驗結果表明，按上述停錘標準沉樁，即滿足連續兩個30擊貫入度小于50 mm的要求，平均貫入度小于1.67，承載力均大于2.5倍工作荷載（10 360 kN）且相差不大，滿足設計承載力要求，說明初定的停錘標準是合理的。

從靜載試樁和P11樁復打結果對比來看，復打承載力恢復系數分別1.09和1.02，側摩阻力有所提高，端阻力變化較小。

表5 高應變CAPWAP分析結果

4 靜載荷試驗

4.1 試驗概述

靜載荷試驗采用常規壓重法，用工字鋼作承重臺架，上部堆疊1 200 t的鋼筋作反力，用對稱安放在樁頂的三個QF500-20液壓千斤頂分級頂壓試樁，樁頂的負載由油壓表控制，樁頂沉降則由樁周四個千分表監測，并使用水準儀和標尺進行檢查。靜載試樁布置示意如圖2。

圖2 靜載試樁布置示意

4.2 加載步驟

設計最大工作荷載為4 144 kN，業主要求靜載荷試驗最大試驗荷載為兩倍最大工作荷載，即8 288 kN。壓樁試驗分為兩個循環，其具體加載、卸載過程如表6。

4.3 試驗數據圖表

靜載荷試驗檢測結果見表 7，其時間-沉降（lgt-s）曲線分別見圖 3。另外對靜載荷試驗與高應變動力檢測試驗Q-s曲線進行對比，見圖4。

4.4 承載力分析

由靜載試驗結果可知，循環一在最大工作荷載下最大沉降量為3.68 mm，殘余沉降量為0.28 mm；循環二在兩倍最大工作荷載下最終沉降為8.47 mm，殘余沉降量為 0.34 mm。兩個循環Q-s曲線斜率相對一致，且沒有明顯拐點，lgt-s曲線上也沒有明顯向下彎曲現象。說明樁和樁周土在荷載作用下的變形一直處于彈性變形階段。

因此，該試驗樁的極限承載力不會小于試驗最大荷載8 488 kN，同時也進一步驗證了停錘標準。

表6 靜載荷試驗加載、卸載過程

表7 靜載荷試驗檢測結果

圖3 靜載荷試驗時間-沉降（lgt-s）曲線

圖4 靜載荷試驗樁靜載與動測Q-s曲線

對比靜載荷試驗和高應變動力檢測結果，靜載荷試驗Q-s曲線明顯更緩，主要原因是靜載試驗采用兩倍最大工作荷載，試驗結果表明未達到樁基極限承載力，屬于驗證性試驗，而非破壞性檢測極限承載力試驗。另一方面靜載荷試驗較高應變動力檢測晚了將近一個月，樁土作用有所恢復，樁側阻力增加，承載力有所提高。

5 ENR公式修正

根據上述 ENR公式計算貫入度和高應變動力檢測試驗結果對比可知，與試驗結果相比，相同樁基承載力情況下，ENR公式計算出的貫入度明顯偏大，計算結果偏危險，故不宜在該項目或類似項目情況下應用。基于此，建議將原 ENR公式的安全系數取值做一些修改，為了得到合理的安全系數，繪制了各組試驗的安全系數變化規律，如圖5所示。

從圖5可知，高應變動力檢測試驗結果的安全系數在8～10.5之間，將各組次安全系數取平均值為8.8，故建議將ENR公式中的安全系數修改為8.8。另外，由于該修改后的 ENR公式只在該項目有限的試驗數據中得到驗證，故其僅供類似項目沉樁施工參考，最終的停錘標準應通過試打樁和試驗驗證確定。

圖5 高應變動力檢測試驗安全系數

6 結 語

1）本項目設計樁端土層為強分化片麻巖，通過理論計算和試驗驗證，采用D128柴油錘，單次打擊能量采用3擋，確定了以貫入度控制的停錘標準為：最后連續兩個30擊貫入度均小于50 mm，而后再打50擊終錘。根據已沉86根樁情況，總錘擊數基本在900～1 300擊，沉樁效率較好，設計樁長較為合理。

2）當設計樁端土層為強風化片麻巖時，采用ENR公式計算結果偏于危險，建議將公式中的安全系數修正為8.8，修正后的ENR公式與試驗結果一致性較好，可供類似項目沉樁施工參考使用。