天津港大沽口港区东部区域两种桩型承载力对比分析

蔡军，樊士广，刘钊，朱德华

（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

2014年，国务院正式批准天津口岸新一轮扩大对外开放计划，批准天津港新增对外开放水域1 120 km2，新增码头岸线69.1 km，新建对外开放码头泊位71个，这一计划为天津港的新一轮发展建设带来了机遇，天津港大沽口港区是此次新增对外开放的重要区域。大沽口港区在建工程已经很多，但离东部区域较远，对于东部区域工程可借鉴度低。另外，700 mm×700 mm预应力混凝土方桩在天津港的应用刚刚起步，试桩资料还是空白。有鉴于此，在东部区域拟建的某码头工程先期进行了试桩，获取了丰富的试桩资料，为桩基的优化设计及业主决策提供了重要参考资料。

1 试桩工程

1.1 地质条件

以距试桩区域中心最近的钻孔为例，各土层参数如表1。

1.2 桩型选择、锤型选择及停锤标准

本工程区域试验基桩共4根，分为2组，第1组为2根700mm×700 mm预应力混凝土方桩，编号为SF1、SF2；第2组为2根φ1 200mm钢管桩，编号为SG1、SG2。同时还设置了8根锚桩（编号为M1～M8）和 3根基准桩（编号为J1～J3）。

试桩平面布置见图1。

设计要求采用D125锤，施打预应力混凝土方桩时开二档，施打钢管桩时开三档。停锤标准：1）桩尖达到设计标高；2） 钢管桩终锤贯入度不大于3mm，预应力混凝土方桩终锤贯入度不大于7 mm；3）停锤以桩尖达到设计标高为主。实际各桩型沉桩统计结果见表2。

表1 试桩区土层分布和桩基设计参数Table 1 Parametersof soildistribution and pile foundation design in pile trial testarea

图1 试桩平面布置图Fig.1 Layoutof pile trial test

表2 各桩型沉桩统计结果Table 2 Pile-sinking resultsof each type pile

2 主要试验成果

本次试桩得到了一系列试验成果，在此主要介绍两种桩型的单桩轴向抗压极限承载力、单桩在各土层的桩侧摩阻力和桩端阻力、土体恢复系数、钢管桩（开口）桩端承载力折减系数成果，结合各桩型所处土层位置及实测桩身应力，分析两种桩型的极限承载力组成及与规范推荐值的差异。

静载荷试验按JTJ 255—2002《港口工程基桩静载荷试验规程》[1]执行，采用锚桩反力梁法对试验桩分级加载，测试每级荷载作用下桩顶的沉降量和桩身的应变值，根据测试结果经计算、分析

？确定单桩轴向抗压极限承载力、单桩在各土层的桩侧摩阻力和桩端阻力、钢管桩的桩端承载力折减系数。结果汇总见表3。

表3 试验结果汇总表Table 3 Summary of test results

4根试验桩在不同加载级下的沉降量如图2所示。

图2 试验桩荷载-沉降曲线Fig.2 Curveof trailpile loading-settlement

3 极限承载力分析

3.1 预应力混凝土方桩的单桩极限承载力

预应力混凝土方桩的荷载-沉降曲线没有出现可以直接判定极限承载力的特征，但两根桩的最大加载值已经非常接近其极限承载力，原因有：

1） 两根桩分别加载至11 000 kN和11 050 kN时，其桩顶沉降量分别为39.83 mm和34.22 mm（见图2），按照图2所示曲线趋势，SF2加载至下一级（11 700 kN）时的桩顶总沉降量也接近40 mm，即使再加下一级荷载时，曲线还未出现明显的向下弯曲，根据JTJ 255—2002《港口工程基桩静载荷试验规程》[1]规定，取沉降量为40 mm时所对应的荷载值为近似极限承载力。

2）从钢管桩的动、静力试验结果对比看，两种方法检测的极限承载力试验结果非常吻合。而预应力混凝土方桩动力检测方法的极限承载力分别为10 939 kN和11 213 kN。

根据以上两点，认为静载荷试验给出SF1和SF2的近似极限承载力分别为11 000 kN和11 700 kN比较合理。

3.2 动力载荷试验初复打承载力对比

4根试验桩初复打试验结果见表4。结果显示沉桩后经过15～17 d的土体恢复，贯入度显著降低，承载力明显提高。土体恢复系数平均为1.88，相对较高。

表4 初复打结果对比Table 4 Resultscontrastof driving and redriving

3.3 两种桩型的承载力对比

根据JTS 167-4—2012《港口工程桩基规范》[2]，对两种桩型的极限承载力标准值取值如下：

静力载荷试验结果：预应力混凝土方桩为11 350 kN；钢管桩为11 400 kN。

动力载荷试验结果：预应力混凝土方桩为11 076 kN；钢管桩为11 683 kN。

两种试验方法得出的极限承载力结果基本一致，即该区域两种桩型的极限承载力标准值相差无几，钢管桩略高于预应力混凝土方桩（见表5）。

表5 2种桩型承载力结果对比Table5 Resultscontrastof the bearing capacitatesof two type piles

从钢管桩桩端阻力（表3）所占比例看，动力载荷试验结果（平均占18.4%）较静力载荷试验结果（平均占13.2%）高出较多，这是因为动测分析时将开口钢管桩下部的内侧摩阻力转化为端阻力考虑，静载试验的摩阻力为内壁摩阻力与管外摩阻力之和[3]，无法区分内外侧摩阻力，因此动测端阻力高于静载端阻力。

3.4 两种桩型承载机理分析

试验前依据规范[4]在两种桩中分别埋设了应变传感器，静载荷试验过程中对各传感器的应变值进行了测试，得出各级荷载作用下不同土层的侧摩阻力和桩端阻力，现以SG1加载至10 800 kN、SF1加载至11 000 kN时的桩侧、桩端阻力为例（见表6）对桩土作用的分布进行分析。

表6 SG1和SF1试桩的桩侧极限摩阻力测试结果Table 6 Test resultsof the pile skin lim it friction of SG1 pile and SF1 pile

桩基的承载力由桩周土提供的侧摩阻力和桩端土提供的端阻力构成。表3静力载荷试验数据显示钢管桩的极限承载力由87%的桩侧摩阻力和13%的端阻力组成，预应力混凝土方桩的极限承载力由60%的桩侧摩阻力和40%的端阻力组成，两种桩型的侧摩阻力和端阻力的比例有较大差别。从表1和表2的数据看出，预应力混凝土方桩的桩端处于粉砂层（约4 m厚）的顶部，而钢管桩桩端穿越了该层，处于黏土层。表6的数据显示桩在进入标高至-32 m以下后单位面积的侧摩阻力发挥很充分，较规范的设计参数有较大提高。从整体看，预应力混凝土方桩的单位面积侧摩阻力较钢管桩略大，而且桩尖所处土层的端阻力发挥程度较规范的设计参考值有大幅度提高。

4 桩型的选择

经过试桩试验，两种桩型的极限承载力都超过了预估的极限承载力，达到了试验目的。地质勘查报告显示，该区域土层在-40～-44 m范围有一粉砂层，厚度在1～7 m，标贯击数可达55～60击，土质较好，强度较高，可作为桩端持力层。但该粉砂持力层顶面起伏较大，厚度变化也较大。鉴于该土层特点，如果选择预应力混凝土方桩作为工程基桩，必须使桩端正确落于该持力层上，如果选择钢管桩，可以穿透该土层，但工程成本会增大。

5 结语

本次试桩结果表明：

1）在合理、准确选择桩端持力层，充分发挥桩端土持力作用时，700 mm×700 mm预应力混凝土方桩可以应用于该区域，且可打性好；

2）动、静载荷测试结果比较吻合，说明经过15 d的土体恢复期后进行静载荷试验是合理的；

3）实测的桩侧摩阻力标准值、桩端土阻力标准值较规范的设计参数有较大提高，说明了在缺少试桩资料地区进行试桩试验是必要的；

4）桩型的选择需要根据投资成本、区域土层特点、施工控制水平等因素综合确定。

[1]JTJ255—2002，港口工程基桩静载荷试验规程[S].JTJ255—2002,Specification for testingofpileunder static load in harborengineering[S].

[2]JTS167-4—2012，港口工程桩基规范[S].JTS 167-4—2012,Code for pile foundation of harbor engineering[S].

[3] 董淑海.大直径水下钢管桩竖向承载力的现场试验分析 [J].土木工程学报，2007，40（S）：228-231.DONGShu-hai.Field testof the vertical ultimate bearing capacity ofunderwater large-diameter steel pipe piles[J].China Civil Engineering Journal,2007,40(S)：228-231.

[4]JGJ106—2003，建筑基桩检测技术规范[S].JGJ 106—2003，Technical code for testing of building foundation piles[S].