鋼護(hù)筒沉樁施工關(guān)鍵技術(shù)及問(wèn)題對(duì)策研究

華曉濤 吳雪峰

（1.武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢 430050；2.中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北武漢 430040）

近年來(lái)，中國(guó)交通得到了飛速發(fā)展，一座座跨海、跨長(zhǎng)江、跨山谷的大橋拔地而起，目前我國(guó)的橋梁建設(shè)水平已走到了世界前列?？绾４髽蛞话闶遣捎贸翗斗ù蚝脴痘?，再建造承臺(tái)和橋墩，最后架起鋼結(jié)構(gòu)橋身形成。因此，橋梁樁基的穩(wěn)固性關(guān)系到橋梁運(yùn)行的安全性，必須要按照設(shè)計(jì)要求打入一定的深度以提供足夠的承載力。目前，樁基在50m以內(nèi)深度的海域，橋梁基礎(chǔ)通常采用單根或多根圓柱形的樁基。而跨海橋梁樁基基礎(chǔ)傳統(tǒng)施工方法是采取先施打鋼護(hù)筒，再進(jìn)行鉆孔清除泥渣，最后再澆筑鋼筋混凝土。但是在花崗巖地質(zhì)條件下或土層接近于花崗巖地層時(shí)，存在鋼護(hù)筒沉樁較容易出現(xiàn)進(jìn)尺緩慢而無(wú)法繼續(xù)有效貫入的問(wèn)題。當(dāng)施工出現(xiàn)上述現(xiàn)象時(shí)，需要及時(shí)停樁并進(jìn)行精確測(cè)量，根據(jù)測(cè)量的結(jié)果分析原因采取相應(yīng)的對(duì)策，以使鋼護(hù)筒或鋼管樁達(dá)到設(shè)計(jì)承載要求。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

廈門第二跨海通道項(xiàng)目連接本島與大陸腹地，施工區(qū)域?qū)儆诮０稙?，岸坡以陡坎為主，高?～20 米，部分區(qū)域底部基巖裸露，灘岸多礁石，樁位土質(zhì)從上至下主要為：淤泥、含淤泥砂、粘性土或砂質(zhì)粘性土、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，樁基主要采用中風(fēng)化花崗巖作為持力層,巖層強(qiáng)度為60.86MPa，具體地質(zhì)條件見表1：

表1 施工區(qū)域典型鉆孔地質(zhì)資料表

1.2 護(hù)筒鋼管樁設(shè)計(jì)及施工工藝

橋梁上部結(jié)構(gòu)為鋼制全封閉箱形梁，下部結(jié)構(gòu)為群樁基礎(chǔ)，墩身與承臺(tái)為預(yù)制結(jié)構(gòu)。海上區(qū)域樁基采用樁徑主要有1.2m、1.5m 和1.85m 三種形式，樁長(zhǎng)為15～66m 不等，均為六樁基礎(chǔ)，單排兩根，橫向三排布置。鋼管復(fù)合樁分為上段和下段，上段采用鋼管鋼筋混凝土，下段采用鋼筋混凝土。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，鋼管樁采用廠家一次加工成型，現(xiàn)場(chǎng)不允許焊接。根據(jù)設(shè)備起重性能，對(duì)于單根鋼管樁重量超過(guò)30t 的采用水上打樁船在鋼平臺(tái)搭設(shè)前進(jìn)行施沉。對(duì)于單根重量小于30t 的鋼管樁，選擇采用100t履帶式起重機(jī)起吊，振動(dòng)錘施沉。樁底嵌入中風(fēng)化巖石持力層的深度不小于樁徑的2.5 倍。護(hù)筒鋼管樁的典型局部結(jié)構(gòu)形式如圖1所示：

圖1 護(hù)筒鋼管樁局部結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 鋼管樁施工特點(diǎn)及難點(diǎn)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求標(biāo)高及鉆孔資料推算，護(hù)筒鋼管樁需要穿過(guò)全風(fēng)化花崗巖，進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖1.5～2m，采用振動(dòng)錘施工極大可能施沉不到底標(biāo)高。護(hù)筒鋼管樁施沉受當(dāng)?shù)厮臈l件影響，若初始采用沖擊錘施工，樁位及垂直度較難以控制，且需要的措施量增大。

根據(jù)上述難點(diǎn)，工程擬采用振動(dòng)錘先行振沉，待終錘時(shí)，觀察底標(biāo)高情況，依據(jù)不同的情況采取相應(yīng)的處理措施。

2 振動(dòng)錘參數(shù)初選

采用振動(dòng)錘，可以減小樁端損壞的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)振動(dòng)錘在海上施工時(shí)，在不需要導(dǎo)管架時(shí)可保證鋼管樁施工精度。使用振動(dòng)錘施工時(shí)，必須以合理速度使樁沉入土中，確保打樁能量用于克服周圍土體阻力[1]，而不是在鎖口處轉(zhuǎn)化為熱量。

2.1 護(hù)筒鋼管樁的主要技術(shù)參數(shù)

護(hù)筒鋼管樁的直徑及長(zhǎng)度有多種類型，為方便計(jì)算及查閱，選取直徑1.85m、壁厚25mm、樁長(zhǎng)17.15m、入土深度15.4m、重量20.5t 的護(hù)筒鋼管樁為例來(lái)進(jìn)行選型計(jì)算。

2.2 振動(dòng)錘計(jì)算與選型

打樁前，需要對(duì)振動(dòng)錘進(jìn)行計(jì)算和選型，振動(dòng)錘的選型需滿足以下3個(gè)基本條件：

振動(dòng)錘的激振力P0大于樁與土之間的動(dòng)側(cè)摩阻力TV；

振動(dòng)錘系統(tǒng)的總重量Q0大于樁端的動(dòng)阻力Rv；

振動(dòng)錘系統(tǒng)的工作振幅A0大于樁下沉至要求深度所需最小振幅A。

此外，振動(dòng)錘的各項(xiàng)參數(shù)還應(yīng)適合施工現(xiàn)場(chǎng)條件，必須保證樁以合適的速度灌入土中，避免發(fā)生損壞[2]。

2.2.1 振動(dòng)錘沉錘克服動(dòng)側(cè)摩阻力TV的估算

滿足此關(guān)系要求的計(jì)算公式：

式中：P0為振動(dòng)激振力，單位t；Tv為下沉至要求深度時(shí)，各土層極限側(cè)摩阻力的總和，單位t；U為樁橫斷面周長(zhǎng)，單位m；i為表示厚度為Hi的土層順序；n 為下沉至要求深度時(shí)的總層數(shù)；Tvi為各土層的極限動(dòng)摩擦阻力（表2），單位t/m2；Hi為第i層土層厚度，單位m。

表2 鉆孔位置各土層的動(dòng)摩阻系數(shù)

各土層極限動(dòng)側(cè)摩阻力之和Tv的計(jì)算較為困難, 目前尚無(wú)可借鑒的設(shè)計(jì)規(guī)范, 國(guó)內(nèi)外多采用經(jīng)驗(yàn)方法估算，通過(guò)調(diào)研，目前行業(yè)較為認(rèn)可的經(jīng)驗(yàn)方法有三種：日本建機(jī)調(diào)查株式會(huì)社的估算方法、法國(guó)PTC公司的估算方法、美國(guó)ICE公司的估算方法[3][4][5]。他們的估算方法如下：

（1）日本建機(jī)調(diào)查株式會(huì)社的估算公式

式中η為振動(dòng)加速度比。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推薦：砂質(zhì)土：μmin=0.15，淤泥質(zhì)黏土：μmin=0.06，黏土：μmin=0.13，鋼材的β值為0.52。

（2）法國(guó)PTC公司的估算方法

法國(guó)PTC 公司匯集了全球58 個(gè)工程項(xiàng)目的土壤數(shù)據(jù)，總結(jié)了土壤的標(biāo)貫擊數(shù)N 與振動(dòng)構(gòu)件外表面積的動(dòng)側(cè)摩阻力之間的關(guān)系，見下表3所示。

表3 法國(guó)PTC公司標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N值與動(dòng)側(cè)摩阻力的關(guān)系

表4 ZKHF07處不同土層對(duì)應(yīng)的動(dòng)摩阻系數(shù)（泥面高程-2.57）

總動(dòng)側(cè)摩阻力的計(jì)算可以參考公式（2）。

結(jié)合法國(guó)PTC 公司方法，樁位附近土層的土壤特性數(shù)據(jù)如下：

（3）美國(guó)ICE 公司的估算方法

美國(guó)ICE公司總結(jié)了大量工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：高速振動(dòng)過(guò)程中，樁周土體產(chǎn)生液化效果，使樁側(cè)極限靜摩阻力產(chǎn)生了μ的折減（μ=0.1～0.4，具體數(shù)值取決于現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)情況）。側(cè)摩阻力的計(jì)算如下：

上述常用的三種方法均是相關(guān)公司或團(tuán)體基于巖土的力學(xué)性能，結(jié)合長(zhǎng)期大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)而來(lái)，具有較高的參考價(jià)值，且計(jì)算結(jié)果相互較為接近，與實(shí)際擬合度較高。采用三種方法計(jì)算的動(dòng)側(cè)摩阻力數(shù)值如表5所示。

表5 三種方法的動(dòng)側(cè)摩阻力計(jì)算值

2.2.2 振動(dòng)錘沉樁克服樁端阻力的估算

振動(dòng)錘系統(tǒng)的重量應(yīng)大于樁端部的動(dòng)阻力。通過(guò)以下公式計(jì)算：

需滿足：Q0＞Rv；其中，S為樁的樁端截面積，m2；Rv為樁端動(dòng)阻力，t；Q0為振動(dòng)錘系統(tǒng)的質(zhì)量，包括振動(dòng)錘、夾樁器、樁體。

取全風(fēng)化花崗巖為核算層，最大標(biāo)貫擊數(shù)取36擊，計(jì)算得到的樁端動(dòng)阻力為26.7t。

2.2.3 振動(dòng)錘沉樁振動(dòng)體系振幅A0的估算

若要樁能夠下沉，振動(dòng)錘系統(tǒng)的振幅A0要大于樁下沉到要求深度所需的振幅A。振動(dòng)系統(tǒng)的振幅可有下式計(jì)算得到：

其中振動(dòng)質(zhì)量Q需考慮樁體、夾樁器、支承梁、振動(dòng)錘振動(dòng)部件的質(zhì)量，單位kg；A 為樁下沉到要求深度所需最小振幅，單位mm；N 為典型標(biāo)貫擊數(shù)。

最小振幅A的估算方法有兩種：

美國(guó)ICE 公司認(rèn)為：土質(zhì)不同，對(duì)應(yīng)的最小振幅也不同。砂質(zhì)土壤中，振動(dòng)錘容易造成土壤液化，因此振幅取值3mm 足夠；而對(duì)于粘土中施工，由于土壤吸附性較高，會(huì)隨著樁壁一起運(yùn)動(dòng)，因此通常認(rèn)為振幅需要達(dá)到6mm 方可滿足要求；水下砂質(zhì)土壤的情況最好，通常認(rèn)為振幅達(dá)到2mm即可。

法國(guó)PTC公司認(rèn)為：對(duì)于鋼管樁，要達(dá)到標(biāo)貫擊數(shù)為36擊的全風(fēng)化花崗巖，在有水的情況下，下沉的最小振幅取2.75mm，而根據(jù)公式(8)推算出來(lái)錘的偏心力矩要大于124kg·m。

可見，對(duì)于1.85m 直徑的鋼管樁，所選的振動(dòng)錘需滿足表6。

表6 振動(dòng)錘選型條件

擬選用某300型液壓振動(dòng)錘，其額定激振力約306t，偏心力矩130kg·m，樁自重約20.5t、錘重16t合計(jì)36.5t，故擬選振動(dòng)錘的技術(shù)參數(shù)滿足要求。

2.3 振動(dòng)錘施工結(jié)果

前期采用某300 型液壓振動(dòng)錘下沉至距設(shè)計(jì)標(biāo)高1～4m 左右，按地勘資料推算大部分已進(jìn)入或到達(dá)全風(fēng)化花崗巖，與前期分析的結(jié)果較為接近。部分護(hù)筒底標(biāo)高與設(shè)計(jì)存在較大差異，最大差值達(dá)7.6m，詳情見表7。

表7 鋼管樁振動(dòng)錘終錘后與設(shè)計(jì)標(biāo)高差值

3 改進(jìn)措施及實(shí)施效果

針對(duì)出現(xiàn)部分鋼管樁沒有達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高的情況，經(jīng)過(guò)分析原因，存在較大可能性是因?yàn)殂@孔的孔位并非與實(shí)際施工的樁位一一對(duì)應(yīng)，導(dǎo)致部分區(qū)域的地質(zhì)鉆孔資料與實(shí)際樁位處存在一定的偏差，更有部分樁所在的位置可能存在孤石導(dǎo)致標(biāo)高與設(shè)計(jì)偏差存在較大差異。對(duì)于上述出現(xiàn)的問(wèn)題，可采用三種方法處理：

（1）對(duì)于樁底標(biāo)高相差不大的鋼管樁，通過(guò)設(shè)計(jì)變更，修改鋼筋籠設(shè)計(jì)圖紙；

（2）部分樁位采用液壓沖擊錘進(jìn)行復(fù)打，觀察實(shí)際沉樁情況；

（3）沖擊錘效果不佳時(shí)，搭設(shè)鉆孔平臺(tái)，采用鉆打結(jié)合的工藝。

3.1 修改鋼筋籠

因地層的不均勻性，造成鋼護(hù)筒底標(biāo)高與設(shè)計(jì)值存在一定的差異的問(wèn)題，當(dāng)無(wú)法進(jìn)一步施沉護(hù)筒鋼管樁時(shí)，一般認(rèn)為樁身豎向支撐達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但樁身抗彎性能與原設(shè)計(jì)存在差異，需要重新設(shè)計(jì)復(fù)核樁身的抗彎性能，通常可采用修改鋼筋籠的方式來(lái)達(dá)到上述要求。通過(guò)鋼護(hù)筒實(shí)際施工的標(biāo)高及地質(zhì)分布情況，經(jīng)計(jì)算得到樁身彎矩分布情況，對(duì)于與設(shè)計(jì)標(biāo)高差距1 米左右的鋼護(hù)筒，需在樁身變截面以下1 米至3 米處增加一圈同等大小豎向鋼筋。鋼筋加強(qiáng)示意見圖2 中標(biāo)示為2'的鋼筋。

圖2 鋼筋籠（樁身）加強(qiáng)圖（ΔL為實(shí)際與設(shè)計(jì)底標(biāo)高差值）

3.2 沖擊錘復(fù)打

對(duì)于振動(dòng)錘施工后，底標(biāo)高與設(shè)計(jì)值存在一定的差異，但又差距不大的，且根據(jù)附近樁位施打情況推測(cè)該樁不存在孤石的情況下，認(rèn)為是地勘存在不均勻性引起，因此經(jīng)設(shè)計(jì)、監(jiān)理同意后，采用沖擊錘進(jìn)行復(fù)打以達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。典型孔位處極限側(cè)摩阻力和端承阻力的參考標(biāo)準(zhǔn)值如表8所示。

表8 典型孔位處極限側(cè)摩阻力和端承阻力的參考標(biāo)準(zhǔn)值

沖擊錘效率0.9，側(cè)摩系數(shù)0.8，由于樁徑1.85m，屬于大直徑樁，可忽略土塞效應(yīng)的影響，采用1.3m沖程，錘擊能量170kJ，采用GRLWEAP軟件分析后，理論上進(jìn)入全風(fēng)化花崗巖地層后，進(jìn)尺速度明顯減小，每錘進(jìn)尺約7～9mm，樁身最大應(yīng)力值約190MPa左右，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 鉆打結(jié)合施工方案

當(dāng)采用沖擊錘補(bǔ)打仍然無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)底標(biāo)高，若繼續(xù)采用沖擊錘強(qiáng)行施工，過(guò)程中極有可能將護(hù)筒龍口打卷邊，造成護(hù)筒鋼管產(chǎn)生破壞[6]。因此，考慮采取鉆孔樁施工工藝[7]（圖3、圖4），先采用螺旋鉆機(jī)回旋鉆孔或沖擊鉆孔將樁內(nèi)鉆孔至一定的深度，當(dāng)鉆孔達(dá)到圖紙規(guī)定深度后，檢查鉆孔的實(shí)際尺寸，符合標(biāo)準(zhǔn)后開展清孔工作?？紤]到項(xiàng)目所處地廈門對(duì)環(huán)保要求較高，采取換漿方式進(jìn)行清空。鉆孔清空完畢后，再繼續(xù)用沖擊錘補(bǔ)打，若與設(shè)計(jì)底標(biāo)高差值仍然過(guò)大，則應(yīng)仔細(xì)復(fù)核鉆孔數(shù)據(jù)。

圖3 一體化鉆孔平臺(tái)平面布置圖

圖4 一體化鉆孔平臺(tái)側(cè)視圖

3 4 施工結(jié)果

經(jīng)沖擊錘復(fù)打后，大部分樁底標(biāo)高都能達(dá)到設(shè)計(jì)底標(biāo)高，僅有個(gè)別樁位底標(biāo)高與設(shè)計(jì)要求值差距較大，采取鉆打結(jié)合的工藝后，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求的底標(biāo)高值，具體數(shù)據(jù)見表9。

表9 復(fù)打及鉆打結(jié)合工藝后的底標(biāo)高差值表

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)廈門第二通道橋梁工程樁基施工遇到的上述問(wèn)題開展研究，分情況討論，針對(duì)性提出解決方案，最終成功解決鋼管樁施打不到位的難題，并形成了如下結(jié)論和建議：

（1）對(duì)于花崗巖地質(zhì)條件下鋼管樁施工，需要充分考慮可能出現(xiàn)振動(dòng)錘施打無(wú)法到位的情況，并制定相應(yīng)的合理應(yīng)對(duì)措施。

（2）鋼管樁實(shí)際底標(biāo)高與設(shè)計(jì)底標(biāo)高相差不大時(shí)，可取得設(shè)計(jì)認(rèn)可后改變鋼筋籠的設(shè)計(jì)而無(wú)需復(fù)打鋼管樁到設(shè)計(jì)底標(biāo)高。

（3）鋼管樁實(shí)際底標(biāo)高與設(shè)計(jì)底標(biāo)高相差較大時(shí)，可考慮沖擊錘復(fù)打。復(fù)打后若仍然與設(shè)計(jì)底標(biāo)高相差較大，可考慮鉆打結(jié)合工藝。

（4）由于地勘孔位相較鋼管樁數(shù)量偏少，不能反映每個(gè)樁位的確定地質(zhì)情況，理論分析結(jié)果應(yīng)慎重參考，當(dāng)采用液壓沖擊錘復(fù)打時(shí)，連續(xù)3個(gè)10錘，進(jìn)尺小于5cm，應(yīng)停止施打，避免使護(hù)筒鋼管樁底口卷口。