淺談鋼管樁結(jié)構(gòu)碼頭的試樁試驗技術(shù)

袁萬成

（中國港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100010）

鋼管樁是鋼管樁碼頭結(jié)構(gòu)的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用在地質(zhì)條件較差的碼頭港口的基礎(chǔ)建設(shè)中，對鋼管樁碼頭結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性有著不可或缺的作用，因此鋼管樁的樁基試驗是碼頭施工過程中尤為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。潘世集依據(jù)設(shè)計需求和地層特征，首次應(yīng)用了沖擊式鉆機(jī)、旋挖鉆機(jī)、干法施工等技術(shù)手段，成功地實現(xiàn)了海上鋼管嵌巖樁的施工。楊森焱通過對埋深較大的鋼圍堰施工工藝進(jìn)行對比，分析了鎖口鋼管樁圍堰施工的特點、圍堰設(shè)計原理、施工方法等。毛遠(yuǎn)偉等在大噸位高應(yīng)變試樁中引入樁頂裝置測力法新技術(shù)，研制小同尺寸的測力裝置，進(jìn)行整體錘現(xiàn)場試驗。林國宏闡明樁基工程檢測從資料的收集到檢測的方法制定、多種檢測方法的搭配、相互驗證及質(zhì)量管理的重要性。然而，以上研究均為結(jié)合項目實際情況對試樁試驗進(jìn)行深入探討，因此，本文結(jié)合實際工程經(jīng)驗對目前關(guān)于試樁試驗技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 項目概況

1.1 工程概況

某LNG碼頭新建工程項目由LNG碼頭和NPT碼頭組成，其中LNG碼頭由1個工作平臺、3個靠船墩及6個系纜墩組成，均采用高樁墩式結(jié)構(gòu)。工作平臺頂高程8.26m，平面尺度為43.025m×42.68m，采用36根鋼管樁，其中包含12根斜樁，24根直樁。NPT碼頭：新客運碼頭采用16根鋼管樁，引橋段包含12根鋼管樁，鋼管樁樁徑609mm；碼頭采用4根鋼管樁，樁徑914mm，上部結(jié)構(gòu)采用鋼桁架。碼頭的典型斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 某LNG碼頭新建工程項目典型斷面結(jié)構(gòu)圖

1.2 地質(zhì)概況

本項目的施工現(xiàn)場地形開闊，場地較為平整，低潮時，可以觀測到部分裸露的原泥面。根據(jù)現(xiàn)有的勘探資料，原泥面至-35m～-40m左右，為高塑性軟至堅硬的粘土層，天然含水量60%～70%。土層中夾雜著砂層，層厚沿海向陸加厚。其中陸上部分+2～-15m左右均為中密至密實的砂或淤泥質(zhì)砂層。-40m以下為非常密實的中粗砂，SPT擊數(shù)從-40m的45擊加大至-50m的90擊。地質(zhì)情況詳見表1。

表1 地質(zhì)情況表

2 主要施工工藝及方法

本項目采用的錘擊法的施工方法，主要施工流程包括測量定位、吊樁、立樁、插樁、錘擊沉樁、停錘。（見圖2）

圖2 錘擊法的施工工藝流程

2.1 測量定位

按照業(yè)主提供的首級控制點已知點做附合導(dǎo)線，并采用全站儀加密控制點。陸域附近的樁定位采用RTK—GPS結(jié)合全站儀進(jìn)行平面和高程定位，并控制垂直度；較遠(yuǎn)的海域樁定位，采用打樁船上的GPS定位系統(tǒng)，通過錨機(jī)精確調(diào)整船位。

2.2 吊樁

待樁駁駐位后，打樁船松開前進(jìn)纜的同時絞后錨和一側(cè)邊錨使打樁船以最快速度靠近樁駁，船頭轉(zhuǎn)到運樁駁一側(cè)，進(jìn)行吊樁。在起吊、沉樁過程中在接觸面、點采取包裹柔性材料等措施，避免鋼索、護(hù)筒、籠口等部件相互碰撞、摩擦，從而破壞鋼管樁。

2.3 立樁

主吊鉤上升，副吊鉤下降，隨著下降程度，副吊鉤逐個解去，使管樁成豎直狀態(tài)，樁架后傾，使管樁與樁架滑道成平行狀態(tài)，抱樁器合攏抱樁并鎖定。替打沿樁架軌道滑移，套住樁頂。

2.4 插樁

本項目選定的試樁樁位均為直樁，需要控制其垂直度。施工人員通過觀察打樁船上的2臺測距儀和操縱室控制臺上的角度測量儀調(diào)整樁架的前后傾斜度，以使樁身斜率符合設(shè)計要求。再根據(jù)預(yù)先輸入的單樁平面坐標(biāo)和扭角等參數(shù)，依據(jù)打樁船上的GPS定位系統(tǒng)，通過錨機(jī)精確調(diào)整船位。

2.5 錘擊樁

解除上吊點，樁錘沿樁架下滑，壓錘穩(wěn)樁，打開離合器，啟動起落架，錘擊沉樁。沉樁的開始階段要穿過淤泥層，為防溜樁，先重錘輕打，待貫入度均勻正常后再加大能量至3～2檔。在沉樁過程中需要對沉樁進(jìn)行全過程實時觀測，如果出現(xiàn)樁身突然下降、貫入度異常、傾斜超標(biāo)、偏移等現(xiàn)象，立即停止沉樁并及時匯報，沉樁過程中施工員及測量員要認(rèn)真及時做好沉樁記錄。

2.6 停錘

對樁的自沉、壓錘、施打進(jìn)行全過程監(jiān)控，隨時測定樁尖高程、入土深度及樁頂高程，并測定最后10擊平均貫入度及樁尖最終高程。當(dāng)樁端達(dá)到設(shè)計標(biāo)高時，每擊貫入度小于3mm，最后10擊總貫入度小于3cm；當(dāng)沉樁貫入度已達(dá)到控制貫入度，而樁端未達(dá)設(shè)計標(biāo)高時，應(yīng)繼續(xù)錘擊100mm或30～50擊，其平均貫入度不宜大于控制貫入度，且樁端距設(shè)計標(biāo)高不宜超過2～3m。

3 高應(yīng)變檢測試驗

本項目進(jìn)行高應(yīng)變動力試樁試驗是采用重力錘沖擊樁頂?shù)脑囼灧绞剑娩摴軜杜c土層之間產(chǎn)生充分的相對位移，從而增加樁表面的阻力和樁底端的承載力，并在樁頂以下樁身兩側(cè)的力和加速度傳感器，用來實時監(jiān)測樁周身的應(yīng)力變化，利用應(yīng)力波理論分析處理力和速度的變化曲線，由此判定樁的承載力和評價鋼管樁的穩(wěn)定性，從而確定樁的可行性。

試驗將鋼管樁設(shè)定為線性彈性桿，試驗樁的樁長為L，橫截面積為A，樁材彈性模量為E，密度為ρ，樁身內(nèi)應(yīng)力波傳播速度（俗稱彈性波速）為C（C2=E/ρ），廣義波阻抗或樁身截面力學(xué)阻抗為Z=AρC；其樁身應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系可寫為：

假設(shè)土阻力是由靜阻力和動阻力2部分組成：

由此可得樁的一維波動方程：

記沖擊速度峰對應(yīng)時間為t1,t2= t1+2L/C為樁底反擊對應(yīng)時間，根據(jù)實測的力、速度曲線F（t）、V（t）推導(dǎo)可得Case法判定樁的承載力的計算公式為：

對于等載面樁，樁頂下第一個缺陷對應(yīng)的完整性系數(shù)由下式計算:

其中：Rx—缺陷點X以上的樁周土阻力。

缺陷位置可根據(jù)缺陷反射波的對應(yīng)時間tx由下式確定：

基于樁—土力學(xué)模型選擇合理的實測曲線擬合法，利用傳感器實測的力和速度作為邊界條件進(jìn)行擬合，擬合完成時確保計算曲線和實測曲線基本重合、樁側(cè)阻力與地質(zhì)資料基本相符，樁的貫入度的計算值與實測值基本吻合，從而確保本工程設(shè)計的樁參數(shù)滿足項目要求。

4 靜載荷試驗

4.1 豎向抗壓靜載試驗

本工程中的試驗樁需進(jìn)行豎向抗壓靜載試驗，分別位于引橋段、墩臺處，其中引橋段為陸上靜載試驗樁采用直徑1067mm的鋼管樁，墩臺處為海上靜載試驗樁采用直徑1422mm的鋼管樁。

試驗采用的錨樁法是利用被檢測樁周圍4根施打的鋼管樁作為錨樁并與試驗大梁聯(lián)接組成反力支架。將試驗加載所用的千斤頂放置于試驗樁頂部，利用旁邊的2根獨立基樁作為基準(zhǔn)樁。觀測梁放置在基準(zhǔn)樁上，在觀測梁上安裝百分表測量試樁頂位移。試驗過程中需要通過安裝在錨樁上的百分表測量錨樁上拔量。試驗樁及對應(yīng)的錨樁和基準(zhǔn)樁的靜載試驗平面布置如圖3所示。

圖3 試驗樁平面圖

圖4 試驗樁抗拔試驗設(shè)備安裝立面圖

圖5 水平靜載試驗布置圖

4.2 豎向抗拉靜載試驗

抗拉試驗與抗壓試驗采用相同的反力架，同樣包括1根主梁、2根次梁、系梁、拉桿等。唯一的區(qū)別在于千斤頂將放在主梁頂部進(jìn)行加載、卸載。試驗前，先在鋼管樁樁頂開坡口用于安全固定次梁，將鋼管樁樁頂與次梁焊接固定。試驗時，利用置于試驗主梁上的3臺千斤頂進(jìn)行加載和卸載。試驗樁抗拔試驗立面圖見4。

4.3 水平靜載試驗

水平靜載試驗將在豎向抗壓抗拉靜載試驗的平臺上進(jìn)行。在本試驗中，將參與靜載抗壓、抗拔的2根錨樁通過次梁或雙拼工字鋼聯(lián)系起來成為一個整體，作為反力結(jié)構(gòu)，用以向試樁提供水平反力。利用靜載試驗時的觀測梁作為水平試驗的觀測梁，即在2根觀測樁上均利用抱箍構(gòu)成支撐，將足夠長的56a工字鋼放置牛腿上，兩端通過焊接固定。試驗樁和作為反力系統(tǒng)的錨樁均需制作觀測梁。利用4塊百分表，2塊正對千斤頂加載方向，對稱安裝，測量樁頂位移。同時在反力次梁后面安裝2塊百分表，觀測錨樁（反力樁）水平位移。水平靜載試驗布置圖見5。

5 結(jié)語

綜上所述，通過靜載試樁和前幾根工程樁進(jìn)行高應(yīng)變測試可用于終錘標(biāo)準(zhǔn)驗證和優(yōu)化。根據(jù)試樁試驗結(jié)果分析和試驗報告可以確定樁的承載力，為樁基提供設(shè)計參數(shù)，驗證打樁終錘準(zhǔn)則，驗證樁施工工藝的可行性，為選擇樁頂設(shè)備和改進(jìn)樁頂技術(shù)提供依據(jù)。