尼日利亚拉各斯莱基地区钢管桩停锤标准研究

2020-03-19唐明刚

港工技术 2020年1期

王馨，窦峰，唐明刚

（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510000；2.中交四航局第三工程有限公司，广东湛江 524005）

引言

钢管桩沉桩停锤控制受地质、锤型和桩型等因素影响，是一个复杂的问题。

现行港口桩基规范中，对不同持力层的停锤标准有明确的规定：若持力层为一般性黏土，只要选锤得当，一般都可将桩打至设计高程，停锤标准应高程控制。若持力层为砾石、密实砂土或风化岩，停锤标准多以贯入度控制，同时桩端距设计高程不宜超过1～3 m。若持力层为硬黏土或粉细砂时，停锤标准首先以高程控制，当桩端达不到设计高程时，可以贯入度控制[1]。

控制贯入度的确定一般通过施工前试桩测得的锤型（锤能）、承载力与贯入度关系，以承载力为基准而制定。而国外项目，由于当地设备与地区经验局限、地质不确定性较高，停锤标准在实际应用中往往出现较大偏差，此时需结合实际情况，进行进一步细化调整。

本文结合尼日利亚拉各斯（Lagos）莱基地区Dangote SPM海工项目桩基设计与施工经验，对该地区钢管桩设计施工的停锤标准进行初步探讨，供类似工程参考。

1 地质情况

根据尼日利亚莱基地区已完成莱基深水港、DANGOTE RO-RO码头等多个海工项目的地勘资料，该地区为典型的砂质海岸。就工程位置而言，地层主要由第四纪海相和陆相冲积层（Qm+al）组成，根据钻探所揭露的地层分析，勘察地层从上到下主要为：松散中粗砂、密实细到粗砂、中密细到粗砂、密实中粗砂、硬黏土、中密到密实细砂、硬黏土、松散砂中粗砂、密实中粗砂、硬黏土、密实中粗砂。

揭示的覆盖层上部多为砂和黏土，其中2～3层为非常密实的粗砂，标贯＞50击，层厚6～7 m，属于硬夹层。第7层为密实中粗砂层，具有较高的承载力，是良好的持力层。

2 桩基设计与施工

2.1 桩基设计

该项目钢管桩内力采用SAP 2000有限元软件进行计算，内力计算结果及桩基设计参数如表1所示。

表1 Dangote SPM海工项目桩基设计结果

按照API承载力安全系数抗压桩取2.0，考虑到硬夹层的存在，桩尖按开口桩设计。经过计算，持力层为第7层，满足承载力要求。

2.2 桩基施工

本工程为海管登陆栈桥，离岸距离约192 m，搭建临时栈桥陆上打桩，配置了ICE 44B液压振动锤和BSP CG240液压锤。桩锤主要参数见表2。

表2 桩锤主要参数

施工前，进行了陆上试桩：采用液压振动锤ICE 44B，钢管桩穿透非常密实的中砂层2-3，入土至高程-20 m左右；换液压锤BSP CG240沉桩，选择2档施工（锤高1.2 m），打桩应力可控，沉桩可行。经静载试验和高应变检测，验证承载力满足设计要求，贯入度基本达到设计要求。

然而，施工中咨工坚持桩锤按1档施工（锤高1.5 m），能量有所增加，桩基沉桩到设计高程后贯入度普遍在10～25 mm之间，不满足设计要求（即：最后30击沉桩贯入度平均值不超过10 mm）。孔隙水压消散后，桩基承载力基本满足设计要求。

初步分析，贯入度普遍增大与终锤能量较大有关。根据国标，砂土终锤标准“以承载力为基准，贯入度为控制”的原则，若沿用原来停锤贯入度10 mm的要求，势必影响工期，增加项目投资。因此有必要对各种锤能、贯入度与承载力的关系进行研究，细化停锤标准。

3 停锤标准探讨

通常采用两种方法来分析锤能、贯入度与承载力的关系，一种是动力公式，一种是波动方程。

美国ENR公式，英国HILEY公式等为动力公式，是基于沉桩过程中对桩贯入度的观测的预测方法。利用能量守恒的原理，将锤的势能等效于桩在土中被打入时的穿透阻力（每击一次），以估计桩的承载力。动力公式没有考虑沉桩过程中土层、锤击性能的变化，也没有考虑桩基刚度造成的能量损失，缺乏准确性和可靠性。而波动方程恰能克服以上缺点。

3.1 波动方程

波动方程是运用一维弹性应力波传播原理分析打桩应力，考虑了土层分层特性和桩锤变化的影响，反应了锤能、贯入度与承载力的关系。

本工程采用GRLWEAP 2010软件进行打桩动力分析，土体模型如图 1。选择 ZK06/ZK08/ZK09钻孔和不同锤高（锤高0.8 m和锤高1.5 m）来进行研究。

图1 土体模型

各钻孔在相同锤能、不同承载力设定下，终锤贯入度如表3～表8所示。

表3 波动方程分析结果（ZK06）

表4 波动方程分析结果（ZK06）

表5 波动方程分析结果（ZK08）

表6 波动方程分析结果（ZK08）

表7 波动方程分析结果（ZK09）

表8 波动方程分析结果（ZK09）

图2 最大沉桩应力分布

经过分析，锤高 0.8 m时，打桩应力不超过170 MPa，锤高1.5 m时，打桩应力不超过230 MPa。本工程桩径材质为 S355JOH，最小屈服强度为355 MPa，许用应力为355 MPa/1.5=236 MPa。沉桩应力均满足设计要求。

3.2 高应变验证

选择有代表性的桩基进行高应变检测，验证贯入度与承载力的关联性。

表9 桩基高应变检测结果

打桩承载力恢复系数约为 1.1～1.25。从动测结果来看，贯入度与锤能关系成正比，与承载力关系成反比。桩的最终极限承载力均大于2倍桩力，满足设计要求。

3.3 停锤标准制定

对于尼日利亚莱基地区钢管桩沉桩，利用砂土特性，可首选液压振动锤ICE 44B穿透表层密实砂土层，换液压锤BSP CG240沉桩，可选择重锤轻打的方式，多档施工。本工程的基于ZK06孔的打桩动态分析结果和高应变验证的结果，修改后的停锤标准已通过咨工批复并执行，如下所述。

采用压锤BSP CG240，能量不小于160 kJ。重锤标准以贯入度与设计高程双控：

1）当桩力标准值在2 500～3 000 kN之间时，采用1档（跳高1.5 m）施打，当桩尖高程达到设计高程且最后30击贯入度不超过10.3 mm/击时，即可停锤。当桩尖高程达到设计高程但贯入度超过10.3 mm/击，则采用3档（跳高0.8 m）施打，重锤贯入度小于3.5 mm/击，即可停锤。若重锤贯入度仍大于3.5 mm/击，则采用高应变检测验证承载力。

2）当桩力标准值在2 000～2 500 kN之间时，采用1档（跳高1.5 m）施打，当桩尖高程达到设计高程且最后30击贯入度不超过15.3 mm/击时，即可停锤。当桩尖高程达到设计高程但贯入度超过15.3 mm/击，则采用3档（跳高0.8 m）施打，重锤贯入度小于6.4 mm/击，即可停锤。若重锤贯入度仍大于6.4 mm/击，则采用高应变检测验证承载力。

3）当桩力标准值在1 500～2 000 kN之间时，采用1档（跳高1.5 m）施打，当桩尖高程达到设计高程且最后30击贯入度不超过21.6 mm/击时，即可停锤。当桩尖高程达到设计高程但贯入度超过21.6 mm/击，则采用3档（跳高0.8 m）施打，重锤贯入度小于10.6 mm/击，即可停锤。若重锤贯入度仍大于 10.6 mm/击，则采用高应变检测验证承载力。

4）当桩力标准值在小于1 500 kN时，采用1档（跳高 1.5 m）施打，当桩尖高程达到设计高程且最后30击贯入度不超过30.0 mm/击时，即可停锤。当桩尖高程达到设计高程但贯入度超过30.0 mm/击，则采用3档（跳高0.8 m）施打，重锤贯入度小于16.8 mm/击，即可停锤。若重锤贯入度仍大于 16.8 mm/击，则采用高应变检测验证承载力。

若桩尖达到设计保持仍有较大贯入度的情况，验算桩锤能量与承载力，统计桩身恢复系数。若动测结果仍不能满足承载力要求的，则需要采取补救措施，接桩或补桩。