波动方程可打性分析在欧标码头工程中的应用

2020-11-25刘建卫胡兴昊

中国港湾建设 2020年11期

刘建卫，胡兴昊

（1.中交四航局第三工程有限公司，广东湛江 524009；2.中交四航工程研究院有限公司，广东广州 510230）

0 引言

波动方程可打性分析（以下简称可打性分析）是指在打入桩施工前，利用基于波动方程和Smith锤-桩-土动力模型的打桩分析软件GRLWEAP，通过输入土层参数、桩型、设备型号等参数，计算得到桩身应力、有效能量、承载力随入土深度变化等相关信息的过程。它有助于确定桩型、桩锤及沉桩标准，避免沉桩工艺和控制标准选择不合理而出现沉桩困难或质量事故。

目前针对可打性分析已有了较多的应用研究[1-6]，但当前的研究主要针对国内标准体系下的项目，国外工程的案例却鲜见报道，随着海上丝绸之路的推进，我国基建企业在国外承建的码头打入桩工程越来越多，欧洲标准（以下简称欧标）作为海外项目的主要参考规范，我国工程师不可避免会频繁遇到。不同的规范体系有不同的要求，因此有必要对可打性分析在欧标体系下的应用展开研究。

本文先对欧标中有关可打性分析的内容进行解读，了解欧标中可打性分析的特点。随后分别介绍在欧标体系下开展钢管桩和PHC桩可打性分析的工程案例，对不同类型打入桩工程的可打性分析流程和所发挥的作用进行分析。

1 欧标相关要求

与中国标准将可打性分析由施工方负责[7]不同，在欧标体系下可打性分析由设计单位负责开展，主要参考挤土桩执行规范EN12699[8]中试打桩及桩身应力控制的相关内容。

关于试打桩，EN12699第7.1.4：如果在可打性方面没有类似经验，则应在主要工作开始前在选定地点进行一次或多次打桩试验。在该条文下的注释2中建议可在打桩前利用波动方程或类似方法进行可打性研究，有助于确定合适的打桩程序、打桩设备和打桩应力。

在桩身应力控制方面，EN12699第7.6.1.2规定：存在桩身过大应力风险时，宜提前进行波动方程分析，同时宜进行打桩过程中桩身应力测试，以验证预测的正确性。

在欧标中可打性分析应用广泛，可用于确定打桩程序、打桩设备和打桩应力。同时在打桩开始前进行可打性分析，对打桩工作进行预估，可避免试验盲目开始。并且在打桩过程中进行动测试验，对可打性预测进行验证，可以提高可打性分析准确度。

2 钢管桩可打性分析工程案例

2.1 工程及地质概况

尼日利亚某近海项目为海底输油管道的登陆栈桥，采用高桩梁板形式，桩基采用直径1 000 mm，壁厚16 mm的钢管桩，不同钢管桩设计承载力不同，但均要求以密实中粗砂为持力层，工程参考欧洲标准。

桩基位置典型土层分布如表1所示，可知在钢管桩桩位浅层标高0～-6 m附近存在较硬密实砂层，标贯击数较高，预估此范围沉桩困难。

表1 地质情况Table 1 Geological conditions

2.2 钢管桩可打性分析

2.2.1 打桩设备选择

因本工程风浪大，且对打入桩定位精度要求较高，依欧标计划采用振动锤和冲击锤相结合的方法沉桩。先采用振动锤进行定位打入，再换用冲击锤继续打桩至停锤控制标准，但对钢管桩在振动锤作用下能否进入或穿透浅部硬砂层完成定位工作存在疑问，需在设备调运前由可打性分析初步确定。拟采用打桩设备参数如表2。

表2 打桩设备性能参数Table 2 Performance parameters of piling equipment

2.2.2 可打性分析

为在打桩前判断振动沉桩能否进入或穿透硬砂层，并预估冲击打桩过程锤击效率及最大打桩应力，在预选桩锤后，采用打桩分析GRLWEAP软件，对典型地质处的钢管桩进行了可打性分析，分析结果如表3所示。结果表明：1）振动沉桩可穿透硬砂层，但速度较慢；2）沉桩时桩身最大拉、压应力均在安全范围；因此可依计划进行打入桩施工准备工作。

表3 钢管桩可打性分析结果Table 3 Drivability analysis results of steel pipe pile

2.2.3 初定停锤标准

为初步建立以密实中粗砂为持力层时钢管桩极限承载力与贯入度的关系。采用打桩分析软件GRLWEAP中的Bearing Graph功能，分析了液压冲击锤在不同的锤芯行程高度（0.8 m和1.5 m）下桩基不同的极限承载力（3 000 kN、4 000 kN、5 000 kN、6 000 kN）与贯入度（或锤击数）之间的对应关系，分析结果如表4所示。结果表明，当沉桩至设计标高时，不同贯入度所对应的极限承载力不同，但都满足设计承载力要求。由此将该计算贯入度暂定为停锤控制贯入度。

表4 在设计标高时极限承载力-平均贯入度对应关系汇总Table 4 Summary of corresponding relationship between ultimate bearing capacity and average penetration at design elevation

综上，在打桩施工前初步提出停锤控制标准如下：

1）钢管桩桩尖达到设计标高上30 cm内；停锤调整锤芯行程为1.5 m或0.8 m，根据钢管桩承载力设计极限值检查最后三振贯入度是否满足表4中对应的贯入度要求。如满足，结束施工；如不满足，应通知咨询工程师确定；

2）如钢管桩桩尖未达到设计标高，但贯入度满足要求时，可以停锤，但需进行高应变检测。

2.3 钢管桩试打桩及动测验证

为验证以上分析结果，在大规模施工前期开展了2根钢管桩的试打工作，同时进行了高应变全程动测和至少7 d后的复打试验，各试打桩施工及动测情况见表5。

表5 钢管桩试打施工资料及动测结果Table 5 Testing pile construction data and dynamic test resultsof steel pipe pile

由表5可知，各试打桩在贯入度满足停锤标准后，承载力均满足设计要求。且振动下沉速度、锤击效率、桩身最大应力等均与可打性分析差距不大，证明了可打性分析结果的合理性。而后将可打性分析及试桩成果随打入桩施工方案一同提交，得到了工程各方的一致认可。

3 PHC桩可打性分析工程案例

3.1 工程及地质概况

坦桑尼亚某港口改扩建项目，桩基形式为B型PHC桩，桩径分别为800 mm和1 000 mm，有直桩和斜桩两种形式，工程参考欧洲标准。项目地质情况如表6所示，可见各层土标贯击数均较高，预估可能会给PHC桩的沉桩施工带来困难。

表6 地质情况Table 6 Geological conditions

3.2 PHC桩可打性分析

3.2.1 桩锤及桩端形式确定

根据施工资源及现场要求，有2种冲击锤可供选择。依规范要求采用打桩分析软件GRLWEAP对2种锤型进行了可打性分析，计算桩均为桩径800 mm的直桩，但依据桩端有无钢桩靴设置2种计算桩型，以考察本项目PHC桩是否需要设置钢桩靴，入土深度为22 m。经分析可知，在任一桩锤施工时，无桩靴PHC桩在入土3～5 m左右即出现拒锤，同时桩身应力超过正常范围，因此本项目PHC桩桩端应设置成钢桩靴形式。表7为不同桩锤条件下PHC直桩和钢桩靴的组合形式桩的可打性结果。

表7 桩锤资料及可打性分析结果Table 7 Hammer data and drivability analysis results

由表中可知：1）两桩锤均能将带钢桩靴的PHC桩打至计算标高，且贯入度均在正常范围内，但桩身最大拉、压应力较大，需引起重视；2）锤重的减小对桩身拉压应力影响不大，但会减小贯入度，令总锤击数明显增加，将增加施工风险。综上建议选用YC30锤，采用重锤低击方法沉桩，以避免桩身损坏。

3.2.2 可打性分析及桩身应力

在选定桩锤后，为考察在低跳高时PHC桩，特别是斜桩的穿透能力以及桩身应力情况，对不同桩径直桩、斜桩进行了可打性分析。分析结果表明：1）斜桩可沉桩至设计标高，但锤击数较多；2）桩身拉应力随入土深度增加逐渐减小，压应力则逐渐增大，但打桩过程桩身拉压应力都在安全范围；3）在沉桩初期，桩身拉应力较大，应予以关注，降低跳高；4）当未到设计标高，出现贯入度＜3 mm/击时，承载力即能满足设计要求。具体计算结果见表8。