擠密砂樁復(fù)合地基中鋼管樁沉樁方法分析

樊文策，李文祥，孫慶發(fā)

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

碼頭基礎(chǔ)及海上橋梁等工程中，開口鋼管樁以其承載力強、規(guī)格種類多、工程適用性好、施工速度快等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。然而鋼管樁實際施工中，受地質(zhì)情況影響，不同的施工方法成樁效果有所不同。本文就擠密砂樁加固后地基中，采用不同沉樁方法進行開口鋼管樁施工實際情況進行分析[1]，論證錘擊沉樁及振動沉樁兩種方法的適用性及控制規(guī)律。

1 概況

1.1 工程概況

深中通道非通航孔橋臨時鋼棧橋、箱梁支架基礎(chǔ)及隔離擋墻均采用不同樁徑的開口鋼管樁基礎(chǔ)，受地質(zhì)條件、機械設(shè)備、作業(yè)空間等因素影響，鋼管樁沉樁采用錘擊沉樁及振動沉樁。鋼管樁施工區(qū)域受前期地基加固影響，原地質(zhì)土層發(fā)生極大變化；主要為表層淤泥層覆蓋厚度銳減，表層淤泥層換填為中粗砂；砂層以上部分采用擠密砂樁進行地基加固，整體地基承載能力有較大提升。其中，擠密砂樁復(fù)合地基對鋼管樁沉樁樁尖標(biāo)高及成樁后豎向抗壓承載力產(chǎn)生較大影響。

1.2 地質(zhì)情況

施工區(qū)域原地質(zhì)土層分布較均勻，原泥面標(biāo)高-15 m。地層分布自上而下為淤泥、粉質(zhì)黏土、粉砂、中粗砂、礫砂及巖層，局部地區(qū)黏土層間夾有厚度不均的中粗砂層，地層承載力逐級提升。

施工區(qū)域先后進行2次地基處理，第1次為中粗砂換填，換填標(biāo)高-17～13 m；第2次為擠密砂樁地基加固[2]，砂樁樁徑1.6 m，標(biāo)高-13～-31 m，樁間距采用2.4 m×2.4 m及2.7 m×2.14 m兩種布置形式，置換率為35%。擠密砂樁樁身標(biāo)準(zhǔn)貫入度檢測結(jié)果如圖1所示。

圖1 擠密砂樁樁身標(biāo)準(zhǔn)貫入度檢測結(jié)果Fig.1 Results of standard penetration test of compacted sand piles

1.3 鋼管樁施工標(biāo)準(zhǔn)

非通航孔橋臨時工程鋼管樁全部采用開口鋼管樁。其中，棧橋及箱梁支架鋼管樁規(guī)格為φ1 000 mm×12 mm，樁長隨地質(zhì)起伏動態(tài)設(shè)計，單樁豎向抗壓承載力要求如表1所示。防護工程隔離擋墻鋼管樁規(guī)格為φ1 200 mm×16 mm開口鋼管樁，以樁尖標(biāo)高為主要控制標(biāo)準(zhǔn)，需保證足夠的嵌固深度[2-4]，無豎向承載力要求。

表1 臨時結(jié)構(gòu)鋼管樁豎向抗壓承載力設(shè)計值Table 1 Design value of vertical compressive bearing capacity of temporary structure steel pipe pile

1.4 沉樁機具選擇

施工前期，結(jié)合地質(zhì)參數(shù)，對擠密砂樁復(fù)合地基中沉樁可行性進行分析[5-9]。分析結(jié)果表明，D100柴油沖擊以及APE600和永安YZ-400L兩種液壓振動錘進行鋼管樁振沉均可行。施工錘型參數(shù)見表2。

表2 施工錘型參數(shù)表Table 2 Performance parameters of hammer

2 沉樁過程分析

2.1 柴油錘錘擊沉樁分析

工程施工區(qū)域擠密砂樁布置密集，部分鋼管樁無法避開砂樁樁位。結(jié)合錘擊沉樁施工過程，對樁間土及樁位上鋼管樁沉樁貫入度變化趨勢進行分析，總結(jié)砂樁對管樁沉樁的影響。

1）對于樁間土位置上施工的樁位，通過施工貫入度隨樁尖高程變化曲線對照地勘土層性質(zhì)進行分析，如圖2所示。

圖2 樁間土層多根鋼管樁貫入度曲線Fig.2 Penetration curve of multiple steel pipe piles in soil layer between compacted sand piles

分析結(jié)果表明，擠密砂樁樁間土隨深度變化承載能力逐級增強，在樁間土位置施工的鋼管樁沉樁貫入度與同土層標(biāo)準(zhǔn)貫入度檢測結(jié)果較吻合，并能有效穿透復(fù)合地基加固地層。分析貫入度變化趨勢發(fā)現(xiàn)，隨標(biāo)貫擊數(shù)增大鋼管樁貫入度逐漸減小并在接近巖面處貫入度快速降低至較低值。

2）擠密砂樁樁位上錘擊沉樁，施工過程貫入度衰減速度較快（圖3）。隨樁尖標(biāo)高降低，土層標(biāo)貫擊數(shù)逐漸升高，貫入度逐漸趨于一低值。其中砂樁標(biāo)貫在20擊左右時，鋼管樁沉樁貫入度基本低于100 mm/擊。樁尖穿過擠密砂樁樁尖標(biāo)高后，貫入度仍較低且未發(fā)生明顯變化，應(yīng)與砂樁對樁底土層加固以及砂樁內(nèi)鋼管樁樁身側(cè)摩阻力加大有直接關(guān)系。

圖3 擠密砂樁上多根鋼管樁貫入度曲線Fig.3 Penetration curve of multiple steel pipe piles on compacted sand pile

3）鋼管樁施工完成后進行高應(yīng)變動力檢測，驗證其豎向抗壓承載力。選擇4組鋼管樁高應(yīng)變檢測結(jié)果進行對比，結(jié)果表明擠密砂樁加固的地層，鋼管樁樁尖標(biāo)高以及地基承載力與砂樁關(guān)系密切，數(shù)據(jù)對比見圖4。4組數(shù)據(jù)最終檢測承載力值均為2 100～2 300 kN，其中D4-27及10E位于原狀土地質(zhì)區(qū)域；其樁尖位于風(fēng)化巖層，總計錘擊數(shù)約100擊，豎向抗壓承載力主要為樁端阻力；8H及Z3-1位于擠密砂樁上，沉樁過程中貫入度銳減，最終停錘階段樁尖未進入巖層。分析其端阻力占比較低，豎向抗壓承載力主要為樁周側(cè)摩阻力。因此，對于中密或密實砂層，采用錘擊沉樁法貫入度可作為判斷鋼管樁承載力的典型指標(biāo)；對于未進行地基加固地層或常規(guī)非密實砂層，采用錘擊沉樁法應(yīng)以標(biāo)高控制為主，確保樁端進入持力層。

圖4 鋼管樁貫入度曲線Fig.4 Penetration curve of steel pipe pile

2.2 復(fù)合地基中振動沉樁分析

隔離擋墻鋼管樁沉樁時，分別采用了APE600及永安YZ-400L液壓振動錘進行振沉。由于沉樁區(qū)域地質(zhì)條件基本相似，振動錘激振力等相關(guān)參數(shù)差別不明顯，采用上述設(shè)備進行沉樁的規(guī)律總體一致。同時，施工情況表明，在擠密砂樁復(fù)合地基地層采用振動沉樁法，按照相同的停錘標(biāo)準(zhǔn)，鋼管樁樁尖標(biāo)高離散性較明顯，平均貫入深度難以達到預(yù)期，樁尖標(biāo)高最大高差接近13 m。圖5為采用2種振動錘最終停錘樁尖標(biāo)高分布圖。具體表現(xiàn)為，在類似地質(zhì)條件下，鋼管樁樁尖標(biāo)高在采用振動沉法時普遍低于采用同級別柴油振動錘錘擊沉樁法。

圖5 APE600及YZ-400L振動錘施工樁尖標(biāo)高變化曲線Fig.5 Pile tip elevation change curve of APE600 and YZ-400L vibration hammer construction

振動沉樁時，振動錘偏心塊豎向往復(fù)運動，帶動樁身及振動錘整體在土層中豎向振動，引起土層共振。當(dāng)組合體系（振動錘+鋼管樁）振動幅度超過土體振動幅度時，兩者發(fā)生相對位移，管樁開始下沉。激振頻率及振動幅度達到土體液化要求，土體加速液化，樁周由靜摩阻變化為動阻力主導(dǎo)，沉樁阻力降低。在砂樁復(fù)合地基條件下，砂土密實度愈高，對土體液化的激振頻率和振幅要求越高。同時，振動錘與鋼管樁組合體自重對配合激振下切土體起到較為關(guān)鍵的作用。同時，長時間激振引起的土體液化或顆粒重新排列，對樁周土體力學(xué)特性存在加強和削弱相互背離的特性。因此，對于擠密砂樁加固地基，采用振動沉樁法不利于樁端進入設(shè)計標(biāo)高，在滿足抗傾覆要求的前提下，應(yīng)以貫入度進行停錘控制為主。

2.3 不同沉樁方法在復(fù)合地基中沉樁的適應(yīng)性

結(jié)合西人工島非通航孔工程地質(zhì)、鋼管樁沉樁過程及沉樁機理，對不同沉樁方法適應(yīng)性進行對比分析。結(jié)果表明，在擠密砂樁加固地基進行鋼管樁沉樁作業(yè)，不同的沉樁方法表現(xiàn)出不同的沉樁效果。其共性均表現(xiàn)為，沉樁深度及樁尖標(biāo)高較離散。具體標(biāo)高離散性及平均沉樁樁尖標(biāo)高對比如圖6所示。

圖6 不同錘型施工樁尖標(biāo)高離散性數(shù)據(jù)表Fig.6 Discrete data table of pile tip elevation for different hammer construction

柴油錘錘擊法沉樁，相對具有更加穩(wěn)定的沉樁效果。無論擠密砂樁加固樁位或樁間土，鋼管樁沉樁樁尖標(biāo)高均穿透砂樁加固地層，并進入原地質(zhì)土層，能夠較好地匹配沉樁可行性計算結(jié)果。

振動沉樁施工過程中，部分樁難以穿透擠密砂樁復(fù)合地基，可能與樁內(nèi)土芯閉塞效應(yīng)、液壓振動錘液化土體性能、樁間擠土效應(yīng)等存在關(guān)聯(lián)，實際施工效果與理論計算結(jié)論存在較大出入。

3 結(jié)語

深中通道西人工島非通航孔橋臨時工程鋼管樁沉樁選用了多型設(shè)備進行沉樁施工，施工情況表明：

1）采用柴油錘錘擊法沉樁其結(jié)果與理論計算結(jié)果基本一致，但在擠密砂樁加固地層或密實砂層，停錘標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以貫入度控制為主，標(biāo)高控制為輔，可確保樁基承載力滿足要求。對于無密實砂層等地質(zhì)，應(yīng)采用標(biāo)高控制為主。

2）采用液壓振動錘振動沉樁法，其施工實際情況與理論計算存在較大差異，類似地質(zhì)條件下鋼管樁沉樁樁尖標(biāo)高離散程度較高，振沉機理有待進一步深入研究。具體施工時，保證抗傾覆嵌固深度前提下，可采用貫入度為主進行停錘控制。