关于某离岸式高桩码头引桥桩基承载力的讨论

陈章宇

（中交四航工程研究院有限公司，广东广州，510230）

引言

高桩码头适用于大水深码头，桩基可达泥面以下数十米深，对地质条件的适应能力较强。在地质良好的情况下，桩基入土十几米即可得到承载要求。在地质软弱的情况下，桩基可穿过表层的软弱土层，直至砂土密实、坚硬的持力层。桩基础对上部结构起到支撑作用，保证上部结构的稳定性。桩基础的重要性不言而喻，也是码头施工过程中最受关注的一部分[1]。桩基施工过程中，常常通过静载试验、高应变试验等方法检测桩基是否符合承载力要求。

1 工程概况

某在建散货船泊位，码头岸线310.1 m，引桥长约880 m，码头、引桥拟采用桩基础。引桥单跨长度16 m，横向由两根预制混凝土桩支撑，桩顶设有桩帽和横梁，跨间设预应力空心板，桥面为150 mm 厚现浇混凝土。预制混凝土桩桩径1 m，泥面标高约1.3 m，设计桩底标高-36.5 m，设计终锤贯入度 6～10 mm。#E58 号桩实际终锤桩底标高-36.6 m，沉桩锤击数109 锤，实际终锤贯入度100 mm，施工桩锤锤型为D-128。设计单位出具的设计报告显示，引桥结构桩顶设计轴向压力为3 608 kN，单桩轴向抗压极限承载力设计值为5 503 kN，满足承载力要求。沉桩十三天之后，进行现场高应变法检测，试验结果显示该桩单桩轴向抗压承载力标准值为5 070 kN，除以1.55 的分项系数得承载力设计值为3 271 kN，小于设计要求。

本文讨论的桩基见图1 中#E58 号桩。同一横梁底下另一侧的桩基编号为#B58，其相邻一跨与#B58号桩同侧的桩基编号为#B57。

图1 引桥局部立面图

2 钻孔资料与桩基设计要求

2.1 钻孔资料

在勘探深度范围内，场地土层自上而下分为8个主层，①、②、③为第四纪全新统（Q4），④、⑤、⑥为第四系下更新统湛江组（Q1z），⑦为上新统南康组上段（Nn2），⑧为新近系中新统南康组下段（Nn1）。

钻孔显示：

②淤泥质砂土（Q4）：标高1.3～-3.95 m，松散～稍密，饱和，夹生物碎屑，石英砂含量为主，淤泥含量约占20 %，级配较差，砂的分选性一般。标贯N=8～10 击。

④粉质黏土（Q1z）：标高-3.95～-8.65 m，饱和，可塑～硬塑，刀切面较光滑，干强度一般，韧性中，无摇震反应，无光泽。标贯N=7～9 击。

⑥粉细砂（Q1z）：标高-8.65～-24.85 m，松散～稍密，饱和，石英粉砂、细砂为主，粘性土颗粒次之，手搓砂感不明显，可塑性低。标贯N=7～13 击。

⑦粉细砂（Nn2）：标高-24.85～-31.65 m，灰绿、墨绿色，稍密～中密，饱和，石英粉砂、细砂为主，含少许粘性土颗粒，手搓有明显砂感。标贯N=13～15 击。

⑧泥岩（Nn1）：标高-31.65～-51.85 m，可塑～硬塑，饱和，以黏性土颗粒含量为主，半成岩结构次之，岩芯多呈长柱状，风干后见岩性结构、裂隙较发育，干强度较高，刀切面光滑，原状样呈黏土状。标贯N=18～26 击，#E58 号桩底标高-36.6 m处标贯约为20 击，#E57 号桩底标高-43.2 m 处标贯约为22 击。

总体而言该处地质较为软弱，钻孔终孔高程-51.85 m，标贯仍小于30 击，设计桩底标高-36.5 m处标贯仅为20 击，泥岩层呈可塑-硬塑状，岩体结构已基本破坏，性质类似于黏性土，该土层无法提供足够的端阻力，桩基承载力主要由侧摩阻力提供。上覆约23 m 厚的粉细砂层，密实度为松散到中密；泥面以下依次为淤泥质砂土与粉质黏土，其中淤泥质砂土松散，级配差，粉质黏土为可塑-硬塑状，标贯均小于10 击。泥面至部分粉细砂层钻芯呈破碎状，深层泥岩完整性差、岩体结构基本破坏，呈黏土状，具有可塑性。

2.2 设计承载力计算

各土层单位面积承载力标准值如表1 所示。

表1 桩的极限端阻力qpk 及极限侧阻力qsik

按《港口工程桩基规范》[2]，预制混凝土管桩轴向抗压承载力设计值按下式计算：

式中：Qd为单桩轴向承载力设计值(kN)；γR为分项系数；U为桩身截面外周长(m)；qfi单桩第i层土的极限侧摩阻力标准值(kPa)；li为桩身穿过第i 层土的长度(m)；η为承载力折减系数；q R为单桩极限端阻力标准值(kPa)；A为桩端外周面积(m2)。

引桥桩顶设计轴压力为3 608 kN，根据表1 取值，基于-36.5 m 的设计桩底标高和6～10 mm 的设计终锤贯入度，计算得桩基单桩抗压极限承载力设计值为5 503 kN。

3 高应变法检测

3.1 高应变检测结果

对四根预制混凝土桩进行了高应变法检测，分别为#E58、#B58、#B57 和#E57，四根桩基的检测信息如表2。

表2 高应变法检测结果

限于篇幅，下文仅列出#E58 号桩实测速度和力曲线（见图2）和桩侧摩阻力和桩端阻力（见图3）。从实测波形看出，#E58 号桩在桩端出现力曲线异相反射和速度曲线同相反射，表明该桩未能进入良好持力层，桩端土层较差。

图2 实测速度和力曲线

图3 桩侧摩阻力和桩端阻力

由表2 可见，#E58、#B58、#B57 三根桩沉桩之后第5～7 天的承载力标准值分别为4 399 kN，4 236 kN 和4 198 kN，较为接近，其中#E58 号桩由于入土稍深结果稍大，此三个试验均可反映钻孔ZK2 的桩基承载力。#E58 沉桩之后第7 天的复打和第13 天的复打，承载力标准值分别为4399kN 和5 070 kN，说明此期间桩基承载力有所恢复。#B57号桩在沉桩26 天之后进行第二次复打，相比#E58号桩第13 天的复打结果其承载力又有相当的增加。#E57 号桩入土较其他桩深约7 m，承载力有明显增加，其第5 天的复打结果显示承载力标准值达到6 924 kN。

3.2 结果分析

为方便讨论，下文均以承载力设计值进行对比，检测结果标准值则除以分项系数1.55 得单桩抗压承载力设计值。

引桥桩基承载力设计值要求达到3 608 kN，检测结果显示#E58 号桩单桩竖向抗压承载力设计值为5 070/1.55=3 271 kN，小于要求承载力，相比设计单位提的承载力设计值5 503 kN 小41 %，偏差较大。而#B57 号桩承载力设计值为5 623/1.55=3 628 kN，勉强满足要求承载力；#E57 号桩6 924/1.55=4 467 kN，满足设计要求承载力。

4 桩基承载力分析

4.1 终锤贯入度

截取各桩沉桩记录中贯入度小于200 mm 的数据进行对比（见图4），可见各桩在沉桩至约-36 m标高（±0.5 m）时，贯入度均约为100 mm（±12 mm），除#E57 号桩外，各桩在此终锤；#E57 号桩桩长为49 m，较其他各桩长6 m，入土深度比其他各桩深约7 m，其终锤底标高为-43.2 m，终锤贯入度为13 mm。

图4 各桩沉桩贯入度

#E58、#B58 和#B57 号桩实际终锤贯入度约为100 mm，该贯入度偏大，一般难以保证桩基有足够的承载能力。按照《港口工程桩基规范》（下文简称桩基规范），设计桩端土层为硬塑状黏性土或粉细砂时，应首先以高程控制，当桩端已打到设计高程而贯入度仍较大时，应继续锤击使其贯入度接近控制贯入度。初步可判断，该四根桩虽已沉桩至设计底标高，但是终锤贯入度与设计要求有较大差距，这是设计单位提供的设计承载力大于高应变检测结果的一个原因。

4.2 按地质土层样本评估设计承载力计算参数

从钻孔资料可知，持力层为泥岩，然而其状态为可塑-硬塑，应已呈全风化状态，不可视为岩，应当成黏性土看待。由勘察报告可知，该泥岩层塑性指数IP=27.7，液性指数IL=0.3，由桩基规范查表可知塑性指数大于17，液性指数0.3 的黏土土层深度30～35 m，打入桩单位面积极限桩端阻力标准值约为1 650 kPa，单位面积极限侧摩阻力标准值（下文简称侧摩阻）为70 kPa。可见设计单位取值（见表1）3 500 kPa 和80 kPa 明显偏大，属于风化程度不高的泥岩承载力取值。

②淤泥质砂土，该层以砂为主，级配较差，密实度较低，在天然状态下具有一定的强度，但一旦扰动，土体结构极易破坏。该层标贯仅为7～10 击，按《岩土工程勘察规范》[5]，标准贯入锤击数小于10 击，可分类为松散砂土，桩基规范中仅给出稍密及以上细砂、粉砂的承载力标准值，笔者按稍小于稍密细砂、粉砂进行取值，考虑到淤泥含量、级配与高灵敏度，取土层深度2～4 m 处淤泥质砂土层侧摩阻为15 kPa。

④粉质黏土，由勘察报告可知，该层塑性指数IP=11.3，液性指数IL=0.56，桩基规范粉质黏土液性指数在0.5～0.75，土层深度6～8 m 处粉质黏土侧摩阻为40～47 kPa，取45 kpa。

⑥粉细砂，该粉细砂层标贯7～13 击，为松散～稍密状态，桩基规范中给出土层深度16～19 m 处稍密细砂、粉砂侧摩阻为44～52 kPa，此处取侧摩阻为32 kPa。

⑦粉细砂，该粉细砂层标贯13～15 击，按《岩土工程勘察规范》可取为稍密状态，按桩基规范取土层深度26～30 m 处粉细砂侧摩阻为50 kPa。

对比表1，可知表1 承载力标准值取值偏大，这是设计单位提供的设计承载力大于高应变检测结果的另一个原因。根据以上承载力参数，按桩基规范预制混凝土管桩轴向抗压承载力设计值计算公式，取分项系数为1.55，桩底标高为第二次复打时的桩底标高-36.72 m，考虑到桩端泥岩软弱，桩端难以形成密实的土塞，桩端承载力折减系数取0.30，得设计承载力为3 290 kN；而高应变检测显示#E58 号桩距离沉桩13 天时单桩竖向抗压承载力设计值3 271 kN，二者均小于要求的承载力设计值3 608 kN。按同样的参数计算入土较深的#E57 号桩，得设计承载力为4 210 kN，计算中其增加的承载力由泥岩层桩侧摩阻力提供。

对于入土较深的#E57 号桩，虽其终锤贯入度仍小于设计终锤贯入度，也小于桩基规范中相应锤型的终锤贯入度，然而重新复核计算的设计承载力与高应变检测结果均显示其可满足设计承载力要求，笔者认为设计单位应根据此桩适当调整引桥设计桩底标高，沉桩以高程控制，并以高应变检测验证承载力。原设计中的设计终锤贯入度要求可适当放宽。

4.3 超静孔隙水压力恢复对承载力的影响

由于桩基所处地质存在软黏土层、黏土状泥岩，沉桩的扰动将引起桩表面的粘土大范围重塑，产生超静孔隙水压力，导致承载力下降。超静孔隙水压力的消散可能持续一二十天至数月[6]，此过程中黏土层排水重固结，承载力将有所提升。

由于#B57、#E57 号桩的沉桩，桩船已无法靠近#E58 号桩进行第三次高应变复打检测；而#B57号桩仅进行了第5 天和第26 天的复打检测。考虑到二者分别在第5 天、第7 天时承载力接近，取#E58、#B57 两根桩基共四次复打数据进行对比（见图5）。

图5 承载力恢复过程

由于样本小，且为不同桩基的数据结合，无法进行定量分析，然而从多项式拟合曲线仍可看出，距离沉桩约两周时，桩基承载力有相当程度的恢复，随后承载力增长速率趋缓，约为三周时，承载力基本稳定。若以#B57 号桩第26 天复打显示的承载力来评估钻孔ZK2 附近桩基的承载力，5 623/1.55=3 628 kN，勉强满足设计要求。但从工程角度上来说，基础的承载力应有充分的富余，以防计算、检测及经验上缺乏对未知因素的考虑或不可预见的偶然荷载的发生，一方面本工程地质极为软弱，另一方面工程经验上未曾有过通过如此长的恢复周期来考虑基础承载力的先例，这样的评估从某种程度上来说是极为激进的。对于打入桩，国标《港口工程桩基规范》中最大取安全系数为1.55，而对于国外标准，如欧标BS EN 1997，由高应变评估压桩力的安全系数约为1.5*1.94/0.85≈2.47，其中1.5为压桩力抗力分项系数，1.94 为相关系数，随高应变检测桩数增加而减少，最小取1.81。0.85 为试验系数，取决于高应变中信号的处理方式，一般可取0.85。可见，国标的分项系数远小于欧标规定。笔者并不认为应采用欧标方法进行校核，仅从分项系数上进行对比，说明1.55 的分项系数并非一个“安全”与“不安全”之间的绝对界限。

4.4 桩基承载力判断与建议

通过分析地质钻芯样本重新计算桩基承载力、对比该钻孔附近桩基的高应变结果可以做出以下判断：#E58 号桩及相似终锤底标高的各桩，即使在孔隙水压力完全消散之后，桩基所能发挥的承载力仍可能小于结构可能承受的极限荷载，如果不采取措施，引桥可能在使用期承受极限荷载，导致桩基下陷失效，进而桥面结构损坏甚至导致人员伤亡。建议设计单位应复核桩基设计承载力，根据沉桩记录与检测结果适当降低设计桩底标高，后续桩基应以重提的设计底标高控制为主，终锤贯入度建议在10～20 mm 之间，以高应变检测作为承载力验证方法，增加桩基检测数量，高应变应以合适的复打天数为准，建议不应超过二周，以确保桩基可达到设计要求承载力。

5 结语

1）#E58 号桩及相似终锤底标高的各桩，桩底标高达设计要求，但终锤贯入度大于设计要求，导致桩周土无法充分发挥承载力；设计单位选取的极限侧摩阻力标准值偏大，这两个因素导致桩的实际承载力小于预想；

2）设计单位在进行桩基承载力设计时，应对土层情况、地质钻孔样本有基本了解，不可脱开地质实际状况进行设计计算，尤其不可见到“岩”就认为该层可提供可观的承载力。

3）沉桩过程中应密切关注终锤要求，不可笼统认为砂性土贯入度控制、黏性土标高控制。当终锤底标高达到设计桩底标高而贯入度仍未达标时，应及时联系设计单位，由设计单位进行评估，并采取相应的后续措施，切勿擅自移船进行其他桩基的沉桩，以免破坏此桩基的可施工条件；

4）在地勘准确、设计合理的情况下，现场试验依然是必不可少的。规范给出的承载力要求为多年来多地区情况总结给出的建议值，固然有较大的可靠性，然而桩土之间的相互作用关系是复杂的、每个实际工程的地质情况都有其特异性，沉桩过程可能对地质本身会产生不利影响，重塑土能否达到原状土的强度，种种因素都可能使得计算得出的设计承载力与实际承载力有一定程度的偏差，这也是规范一再强调静载试验、高应变试验的原因。