加纳特码项目桩基工程选锤及停锤标准介绍

2020-03-19张志鹏李天翔李松樵

港工技术 2020年1期

张志鹏，李天翔，李松樵

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230）

引言

在钢管桩桩基施工过程中，沉桩锤型的选择和停锤标准的制定起着重要作用。锤型的选择和停锤标准的制定应根据地质、桩身结构强度、桩的承载力和锤的性能，并结合试沉桩情况确定。沉桩的停锤标准现行《港口工程桩基规范》[1]仅根据不同的地质情况给出了一般性的指导建议，而无可供实际参考的控制标准，因此有必要对沉桩的停锤标准进行研究。

本文介绍了加纳特码新建集装箱码头后轨道梁钢管桩基础沉桩的选锤及停锤标准，通过理论公式和试沉桩确定了以贯入度控制的停锤标准，进一步用高应变动力检测试验和静载荷试验进行复核并对 ENR公式进行修正，实际应用效果良好，可供类似工程参考。

1 工程概况

加纳特码新集装箱码头项目码头总长1 400 m，码头前沿为重力式沉箱结构。后轨道梁基础采用钢管桩桩基结构，钢管桩间距为4.5 m，桩径为1 m，壁厚为20 mm，设计桩长17.6 m（桩底高程-16.0 m，桩顶高程1.6 m）。

本项目在码头沉箱主体结构、后方抛石棱体和土工布施工完成后，陆域回填砂到2 m左右，形成地基处理作业面，地基处理采用振冲密实法，业主要求地基处理后水上相对密实度不小于70 %，水下相对密实度不小于60 %。地基处理检测合格后进行沉桩施工。码头结构典型断面见图1。

图1 码头结构典型断面示意

本项目沿后轨道梁原泥面在-7～-8 m高程之间，由上至下主要土层为：松散粉质细砂，密实砂砾石层，强风化片麻岩、中风化至微风化片麻岩层等。设计桩底高程打入强风化片麻岩。各土层主要物理力学指标如表1。

表1 各土层主要物理力学指标

根据设计内力计算结果显示，拉桩力极小可不考虑，最大工作荷载压桩力为4 144 kN。根据业主要求，压桩承载力计算安全系数取 2.5，即桩基承载力要求至少为10 360 kN。

2 选锤及停锤标准的确定

2.1 选锤分析

桩锤的选型应根据地质情况、桩型、设计承载力等综合考虑。桩锤不宜过大也不宜过小，桩锤过大易造成桩身损伤；桩锤过小，沉桩效率低且沉桩不易达到设计高程。本项目现场具备柴油锤 D128和D160两种型号，D128柴油锤单次打击能量最大为426.5 kJ，每分钟打击次数为36～45次；D160柴油锤单次打击能量最大为533.0 kJ，每分钟打击次数为36～45次。具体的技术参数如表2所示。

表2 柴油锤D128和D160技术参数

根据《Installation Specification For Driven Piles-PDCA Specification 102-07》[2]规定，大小合适的桩锤应满足在达到桩基承载力时，每 1英寸（25.4 mm）夯沉量不超过10击。本工程设计桩端土层为强风化片麻岩，承载力要求大于10 360 kN，为了初步评估现有锤型是否能够满足打桩要求。本项目采用ENR公式[3]进行计算：

式中：

Ra为桩基承载力，kN；

FS为安全系数，建议值取6；

E为单次打击能量，kJ；

s为单次打击的夯沉量，mm。

计算中假定单击夯沉量为2.54 mm，得到不同锤型停锤时所能达到的最大承载力，如表3所示。

表3 不同锤型停锤时桩所能达到的最大承载力

从表3可知，在假定单击夯沉量为2.54 mm时，桩所能达到的最大承载力分别为 13 992.78 kN和17 486.88 kN，设计要求桩基承载力大于10 360 kN，同时根据选锤参考资料[1]，柴油锤 D125可能达到的极限承载力分为为11 000～21 000 kN，D160可达15 000 kN以上，最终 10击的平均贯入度在5～10 mm，因此，可以初步判断柴油锤D128、D160均可满足沉桩要求。综合考虑沉桩效率及经济性，选定D128柴油锤进行沉桩施工。

2.2 停锤标准

停锤标准应与锤型相适应。本项目设计桩端土层为强风化片麻岩，应以贯入度控制[1]；设计规格书要求1 500击的夯沉量不大于1.5 m或每0.25 m夯沉量需超过650击，该标准相对严格且过于宽泛，不宜作为实际沉桩施工的控制标准，控制贯入度应该根据选定锤型不同而不同。为了初步确定停锤贯入度，根据ENR公式计算，桩基承载力Ra按设计要求承载力取值为10 360 kN，单次打击能量采用3挡计算，其结果见表4。

表4 柴油锤D128贯入度计算

计算结果表明，平均贯入度小于3.61 mm或连续30击贯入度小于108 mm时，说明已达到桩基承载力要求。由于 ENR公式为经验公式，安全系数的取值本身有一定主观性，而且考虑到地质的复杂多变性，计算结果只可作为控制贯入度的估值范围，停锤标准应根据试打桩、高应变动力检测和静载荷试验结果再调整。

实际沉桩过程中，首先以 ENR公式计算出来的贯入度作为停锤标准，通过高应变动力检测发现桩基承载力不满足设计要求，经过继续试打和高应变动力复测，并出于保守考虑，初步确定控制贯入度为最后连续两个30击贯入度均小于50 mm，考虑到土质不均匀情况，为了确保桩端能入持力层，当沉桩贯入度已达到控制贯入度时，要求继续锤击50击，避免沉桩中出现的虚假现象。

3 高应变动力检测试验

高应变动力检测是通过分析桩在冲击力作用下产生的力和加速度，确定桩的轴向承载力，评价桩身完整性和分析土的阻力分布等[4]。本项目高应变动力检测试验采用美国PDI公司生产的打桩分析仪（Pile Driving Analyser，PDA），数据分析采用CAPWAP软件。

根据沉桩情况选择有代表性的桩进行高应变动力检测试验，以确认其承载力是否满足设计要求，停锤标准是否合理。其中静载荷试验桩及9根工程桩的高应变动力检测结果见表5。

高应变动力试验结果表明，按上述停锤标准沉桩，即满足连续两个30击贯入度小于50 mm的要求，平均贯入度小于1.67，承载力均大于2.5倍工作荷载（10 360 kN）且相差不大，满足设计承载力要求，说明初定的停锤标准是合理的。

从静载试桩和P11桩复打结果对比来看，复打承载力恢复系数分别1.09和1.02，侧摩阻力有所提高，端阻力变化较小。

表5 高应变CAPWAP分析结果

4 静载荷试验

4.1 试验概述

静载荷试验采用常规压重法，用工字钢作承重台架，上部堆叠1 200 t的钢筋作反力，用对称安放在桩顶的三个QF500-20液压千斤顶分级顶压试桩，桩顶的负载由油压表控制，桩顶沉降则由桩周四个千分表监测，并使用水准仪和标尺进行检查。静载试桩布置示意如图2。

图2 静载试桩布置示意

4.2 加载步骤

设计最大工作荷载为4 144 kN，业主要求静载荷试验最大试验荷载为两倍最大工作荷载，即8 288 kN。压桩试验分为两个循环，其具体加载、卸载过程如表6。

4.3 试验数据图表

静载荷试验检测结果见表 7，其时间-沉降（lgt-s）曲线分别见图 3。另外对静载荷试验与高应变动力检测试验Q-s曲线进行对比，见图4。

4.4 承载力分析

由静载试验结果可知，循环一在最大工作荷载下最大沉降量为3.68 mm，残余沉降量为0.28 mm；循环二在两倍最大工作荷载下最终沉降为8.47 mm，残余沉降量为 0.34 mm。两个循环Q-s曲线斜率相对一致，且没有明显拐点，lgt-s曲线上也没有明显向下弯曲现象。说明桩和桩周土在荷载作用下的变形一直处于弹性变形阶段。

因此，该试验桩的极限承载力不会小于试验最大荷载8 488 kN，同时也进一步验证了停锤标准。

表6 静载荷试验加载、卸载过程

表7 静载荷试验检测结果

图3 静载荷试验时间-沉降（lgt-s）曲线

图4 静载荷试验桩静载与动测Q-s曲线

对比静载荷试验和高应变动力检测结果，静载荷试验Q-s曲线明显更缓，主要原因是静载试验采用两倍最大工作荷载，试验结果表明未达到桩基极限承载力，属于验证性试验，而非破坏性检测极限承载力试验。另一方面静载荷试验较高应变动力检测晚了将近一个月，桩土作用有所恢复，桩侧阻力增加，承载力有所提高。

5 ENR公式修正

根据上述 ENR公式计算贯入度和高应变动力检测试验结果对比可知，与试验结果相比，相同桩基承载力情况下，ENR公式计算出的贯入度明显偏大，计算结果偏危险，故不宜在该项目或类似项目情况下应用。基于此，建议将原 ENR公式的安全系数取值做一些修改，为了得到合理的安全系数，绘制了各组试验的安全系数变化规律，如图5所示。

从图5可知，高应变动力检测试验结果的安全系数在8～10.5之间，将各组次安全系数取平均值为8.8，故建议将ENR公式中的安全系数修改为8.8。另外，由于该修改后的 ENR公式只在该项目有限的试验数据中得到验证，故其仅供类似项目沉桩施工参考，最终的停锤标准应通过试打桩和试验验证确定。