浅谈钢管桩结构码头的试桩试验技术

袁万成

（中国港湾工程有限责任公司，北京 100010）

钢管桩是钢管桩码头结构的重要组成部分，被广泛应用在地质条件较差的码头港口的基础建设中，对钢管桩码头结构的稳定性和耐久性有着不可或缺的作用，因此钢管桩的桩基试验是码头施工过程中尤为关键的环节。潘世集依据设计需求和地层特征，首次应用了冲击式钻机、旋挖钻机、干法施工等技术手段，成功地实现了海上钢管嵌岩桩的施工。杨森焱通过对埋深较大的钢围堰施工工艺进行对比，分析了锁口钢管桩围堰施工的特点、围堰设计原理、施工方法等。毛远伟等在大吨位高应变试桩中引入桩顶装置测力法新技术，研制小同尺寸的测力装置，进行整体锤现场试验。林国宏阐明桩基工程检测从资料的收集到检测的方法制定、多种检测方法的搭配、相互验证及质量管理的重要性。然而，以上研究均为结合项目实际情况对试桩试验进行深入探讨，因此，本文结合实际工程经验对目前关于试桩试验技术进行了研究。

1 项目概况

1.1 工程概况

某LNG码头新建工程项目由LNG码头和NPT码头组成，其中LNG码头由1个工作平台、3个靠船墩及6个系缆墩组成，均采用高桩墩式结构。工作平台顶高程8.26m，平面尺度为43.025m×42.68m，采用36根钢管桩，其中包含12根斜桩，24根直桩。NPT码头：新客运码头采用16根钢管桩，引桥段包含12根钢管桩，钢管桩桩径609mm；码头采用4根钢管桩，桩径914mm，上部结构采用钢桁架。码头的典型断面结构如图1所示。

图1 某LNG码头新建工程项目典型断面结构图

1.2 地质概况

本项目的施工现场地形开阔，场地较为平整，低潮时，可以观测到部分裸露的原泥面。根据现有的勘探资料，原泥面至-35m～-40m左右，为高塑性软至坚硬的粘土层，天然含水量60%～70%。土层中夹杂着砂层，层厚沿海向陆加厚。其中陆上部分+2～-15m左右均为中密至密实的砂或淤泥质砂层。-40m以下为非常密实的中粗砂，SPT击数从-40m的45击加大至-50m的90击。地质情况详见表1。

表1 地质情况表

2 主要施工工艺及方法

本项目采用的锤击法的施工方法，主要施工流程包括测量定位、吊桩、立桩、插桩、锤击沉桩、停锤。（见图2）

图2 锤击法的施工工艺流程

2.1 测量定位

按照业主提供的首级控制点已知点做附合导线，并采用全站仪加密控制点。陆域附近的桩定位采用RTK—GPS结合全站仪进行平面和高程定位，并控制垂直度；较远的海域桩定位，采用打桩船上的GPS定位系统，通过锚机精确调整船位。

2.2 吊桩

待桩驳驻位后，打桩船松开前进缆的同时绞后锚和一侧边锚使打桩船以最快速度靠近桩驳，船头转到运桩驳一侧，进行吊桩。在起吊、沉桩过程中在接触面、点采取包裹柔性材料等措施，避免钢索、护筒、笼口等部件相互碰撞、摩擦，从而破坏钢管桩。

2.3 立桩

主吊钩上升，副吊钩下降，随着下降程度，副吊钩逐个解去，使管桩成竖直状态，桩架后倾，使管桩与桩架滑道成平行状态，抱桩器合拢抱桩并锁定。替打沿桩架轨道滑移，套住桩顶。

2.4 插桩

本项目选定的试桩桩位均为直桩，需要控制其垂直度。施工人员通过观察打桩船上的2台测距仪和操纵室控制台上的角度测量仪调整桩架的前后倾斜度，以使桩身斜率符合设计要求。再根据预先输入的单桩平面坐标和扭角等参数，依据打桩船上的GPS定位系统，通过锚机精确调整船位。

2.5 锤击桩

解除上吊点，桩锤沿桩架下滑，压锤稳桩，打开离合器，启动起落架，锤击沉桩。沉桩的开始阶段要穿过淤泥层，为防溜桩，先重锤轻打，待贯入度均匀正常后再加大能量至3～2档。在沉桩过程中需要对沉桩进行全过程实时观测，如果出现桩身突然下降、贯入度异常、倾斜超标、偏移等现象，立即停止沉桩并及时汇报，沉桩过程中施工员及测量员要认真及时做好沉桩记录。

2.6 停锤

对桩的自沉、压锤、施打进行全过程监控，随时测定桩尖高程、入土深度及桩顶高程，并测定最后10击平均贯入度及桩尖最终高程。当桩端达到设计标高时，每击贯入度小于3mm，最后10击总贯入度小于3cm；当沉桩贯入度已达到控制贯入度，而桩端未达设计标高时，应继续锤击100mm或30～50击，其平均贯入度不宜大于控制贯入度，且桩端距设计标高不宜超过2～3m。

3 高应变检测试验

本项目进行高应变动力试桩试验是采用重力锤冲击桩顶的试验方式，利用钢管桩与土层之间产生充分的相对位移，从而增加桩表面的阻力和桩底端的承载力，并在桩顶以下桩身两侧的力和加速度传感器，用来实时监测桩周身的应力变化，利用应力波理论分析处理力和速度的变化曲线，由此判定桩的承载力和评价钢管桩的稳定性，从而确定桩的可行性。

试验将钢管桩设定为线性弹性杆，试验桩的桩长为L，横截面积为A，桩材弹性模量为E，密度为ρ，桩身内应力波传播速度（俗称弹性波速）为C（C2=E/ρ），广义波阻抗或桩身截面力学阻抗为Z=AρC；其桩身应力应变关系可写为：

假设土阻力是由静阻力和动阻力2部分组成：

由此可得桩的一维波动方程：

记冲击速度峰对应时间为t1,t2= t1+2L/C为桩底反击对应时间，根据实测的力、速度曲线F（t）、V（t）推导可得Case法判定桩的承载力的计算公式为：

对于等载面桩，桩顶下第一个缺陷对应的完整性系数由下式计算:

其中：Rx—缺陷点X以上的桩周土阻力。

缺陷位置可根据缺陷反射波的对应时间tx由下式确定：

基于桩—土力学模型选择合理的实测曲线拟合法，利用传感器实测的力和速度作为边界条件进行拟合，拟合完成时确保计算曲线和实测曲线基本重合、桩侧阻力与地质资料基本相符，桩的贯入度的计算值与实测值基本吻合，从而确保本工程设计的桩参数满足项目要求。

4 静载荷试验

4.1 竖向抗压静载试验

本工程中的试验桩需进行竖向抗压静载试验，分别位于引桥段、墩台处，其中引桥段为陆上静载试验桩采用直径1067mm的钢管桩，墩台处为海上静载试验桩采用直径1422mm的钢管桩。

试验采用的锚桩法是利用被检测桩周围4根施打的钢管桩作为锚桩并与试验大梁联接组成反力支架。将试验加载所用的千斤顶放置于试验桩顶部，利用旁边的2根独立基桩作为基准桩。观测梁放置在基准桩上，在观测梁上安装百分表测量试桩顶位移。试验过程中需要通过安装在锚桩上的百分表测量锚桩上拔量。试验桩及对应的锚桩和基准桩的静载试验平面布置如图3所示。

图3 试验桩平面图

图4 试验桩抗拔试验设备安装立面图

图5 水平静载试验布置图

4.2 竖向抗拉静载试验

抗拉试验与抗压试验采用相同的反力架，同样包括1根主梁、2根次梁、系梁、拉杆等。唯一的区别在于千斤顶将放在主梁顶部进行加载、卸载。试验前，先在钢管桩桩顶开坡口用于安全固定次梁，将钢管桩桩顶与次梁焊接固定。试验时，利用置于试验主梁上的3台千斤顶进行加载和卸载。试验桩抗拔试验立面图见4。

4.3 水平静载试验

水平静载试验将在竖向抗压抗拉静载试验的平台上进行。在本试验中，将参与静载抗压、抗拔的2根锚桩通过次梁或双拼工字钢联系起来成为一个整体，作为反力结构，用以向试桩提供水平反力。利用静载试验时的观测梁作为水平试验的观测梁，即在2根观测桩上均利用抱箍构成支撑，将足够长的56a工字钢放置牛腿上，两端通过焊接固定。试验桩和作为反力系统的锚桩均需制作观测梁。利用4块百分表，2块正对千斤顶加载方向，对称安装，测量桩顶位移。同时在反力次梁后面安装2块百分表，观测锚桩（反力桩）水平位移。水平静载试验布置图见5。

5 结语

综上所述，通过静载试桩和前几根工程桩进行高应变测试可用于终锤标准验证和优化。根据试桩试验结果分析和试验报告可以确定桩的承载力，为桩基提供设计参数，验证打桩终锤准则，验证桩施工工艺的可行性，为选择桩顶设备和改进桩顶技术提供依据。