大直径钢管桩承载力时间效应现场试验研究

钟世心，胡兴昊，桑登峰，王　湛*

（1.中交四航局第二工程有限公司，广东广州510300；2.中交四航工程研究院有限公司，广东广州510230）

大直径钢管桩承载力时间效应现场试验研究

钟世心1，胡兴昊2，桑登峰2，王湛2*

（1.中交四航局第二工程有限公司，广东广州510300；2.中交四航工程研究院有限公司，广东广州510230）

依据深圳盐田港西作业区集装箱码头、珠海高栏港集装箱码头、福建罗源湾货运码头等工程中大量钢管桩的施工实践，结合现场相关资料，通过高应变动测试桩和静载试桩资料的统计、对比分析，对钢管桩承载力随时间变化的规律进行研究。通过对3个项目现场试验结果分析，大直径钢管桩的承载力恢复系数的取值范围大致为1.2～1.4之间。钢管桩承载力恢复系数与挤土效应明显的PHC桩相似，挤土效应并非是决定钢管桩承载力时效性的关键因素。持力层地质越好，沉桩时对桩端和桩侧土的强度影响较小，桩的承载力恢复系数越小。

钢管桩；承载力；时间效应；高应变动测；恢复系数

0　引言

预制桩被打入土后，随着时间增长，其承载力将不断增加，最后达到一个极限值，这种现象被称为打入桩承载力的时效性问题[1-3]。时效性问题一直是桩基工程研究中的重点与难点，姚笑青[4]、王伟[5]、郭进军[6]等提出的打入桩承载力随时间的增长，主要是由于孔隙水应力消散引起土体再固结，导致桩侧土有效应力增加所产生，并分别通过理论计算与试验，研究了桩间土中超孔隙水压力的分布及消散规律，从而预估桩承载力的增长规律，具有代表性。据此理论，高子坤[7]，曹权[8]等利用圆孔扩张及固结理论，对单桩从沉桩到使用全过程进行了理论研究，得到其数学表达。而张明义[9]则提出土体的触变恢复性质是造成承载力随时间变化的重要因素。

但迄今为止，业界对打入桩承载力时效性的研究，大多都集中在混凝土方桩或PHC管桩等直观为横截面积大、挤土效应明显的桩型，而对大直径钢管桩这类管壁较薄、挤土较小桩型的研究却较少。目前，钢管桩在大型深水港码头、跨海大桥中的应用已越来越广泛。因而，对大直径钢管桩承载力时效性的研究，将有助于对钢管桩承载力发挥性状的了解，对帮助工程各方确定桩基最终承载力以及指导施工，具有重要意义。

笔者结合在不同项目工程中获得的相关钢管桩现场沉桩资料，以及对在同一根桩上进行高应变初打、复打试桩和静载试验数据进行统计、分析，对钢管桩承载力时效性问题进行了较为深入的研究，期待通过以上研究，有助于相关工程设计人员对大直径钢管桩承载力时效性问题的深入理解，也便于施工检测技术人员对同类工程中的相似问题进行经验判断。

1　工程实例介绍

1.1盐田港集装箱码头工程

深圳盐田港西作业区集装箱码头工程位于深圳市盐田区，由4个10万吨级泊位组成，其结构为高桩梁板式。桩基采用钢管桩结构，整个工程共沉桩1 830根。根据施工阶段地质勘测报告，该工程区域主要的岩土地质层有：上部覆盖层为第四系海相沉积层（Q4m）①1淤泥；中部为海陆交互相（陆相为主，夹杂海相）沉积层（Q3m+c）②1黏土，②2粉质黏土和②3粗砾砂；③残积土（Qel）；下部为侏罗系（J3）风化岩。

该工程钢管桩采用1.0m和1.2m两种规格的桩径，桩基入土深度大多数在10～20 m之间，桩尖均打入风化岩层，当桩基贯入度满足停锤要求时，进行高应变动测，以校核桩的承载力是否到达设计标准，否则，继续锤击至单桩的承载力达标。该工程中共有377根桩在初打动测结束后，进行复打动测。为研究休止时间对承载力影响，初打与复打的时间间隔最少为1 d（24 h），最多达109 d。由此，可以根据初、复打时间间隔天数，对复打、初打得到的单桩极限承载力的比值K（即极限承载力恢复系数）进行列表统计，结果如表1所示。

同时盐田西作业区码头工程还进行了10根桩的静载试验，G11为嵌岩桩，极限承载力大于14 400 kN，满足设计要求，9根工程桩上进行的静载试验都达到了设计要求。9根桩的动、静平均恢复系数大于1.02。考虑到静载试验的9根桩尚未达到极限值，因此，可以判断，采用361根桩的平均恢复系数1.09是可信的。

表1　盐田港集装箱码头工程桩基承载力恢复系数Table 1 Recovery coefficient for bearing capacity of steelpipe piles for Yantian Container Term inal

1.2珠海高栏港国际集装箱码头二期工程

珠海高栏港国际集装箱码头位于珠海金湾区，二期工程由2个5万吨级泊位组成。根据地质钻探资料揭示，该区域的上履土层为第四系全新统至晚更新统淤泥类土或黏性土，下履土层为燕山期细粒花岗岩风化残积层，全风化花岗岩、强风化岩。

该工程桩基采用1.0m和1.1m两种规格的钢管桩，桩的入土深度多数在20～30 m之间，桩尖均打入风化岩中。使用高应变动测方法初打桩63根，复打桩76根，其中，在同一根桩上进行动测初打和复打的共有15根（其中有3根桩复打入土深度超过0.5m以上，复打值视作初打值）。动测初打极限承载力有30%的桩达到设计要求。高栏港集装箱码头二期工程桩的初、复打极限承载力恢复系数见表2。

表2　高栏港集装箱码头工程桩基承载力恢复系数Table2 Recovery coefficient for bearing capacity of steelpipe piles for Gaolan Container Term inal

码头工程进行了2根桩的静载试验，验证其承载力。1.0 m钢管桩极限承载力≥9 200 kN，1.1 m钢管桩极限承载力为9 167 kN。2根桩的动、静平均恢复系数为1.20，与动测初、复打的平均恢复系数1.19很接近。可认定采用动测初、复打平均恢复系数1.19是可信的。

1.3福建罗源湾货运码头

罗源湾货运码头位于福建省罗源县。根据勘察报告显示，该工程码头区域的地质情况由上至下依次为①淤泥，②中砂，③1淤泥质土，③2粉质黏土，④1粗砂，④2碎砾石混黏性土，⑤全风化花岗岩，⑥强风化花岗岩，⑦中风化花岗岩，⑧全风化辉绿岩。

该工程均采用桩径为1.5 m的钢管桩，桩长在72～92 m之间，入土深度在48～63 m之间。各桩桩尖分布在黏土层、风化岩中。该工程桩基高应变动测21根，每组试桩先锤击至要求的贯入度，再安装力和加速度传感器进行高应变动测，部分桩基隔一定时间再进行复打高应变动测。本试验承载力恢复系数与时间、土层的关系如表3。结果表明，钢管桩桩尖所在位置（岩层或黏土层）会对桩基承载力的恢复速度及效果产生影响。

表3　罗源湾码头桩基承载力恢复系数Table3 Recovery coefficient for bearing capacity of steelpipe piles for LuoyuanwanW harf

2　承载力时效性分析

2.1通过高应变初、复打测试所得钢管桩承载力恢复系数的合理性

深圳盐田港西作业区集装箱码头工程与珠海高栏港国际集装箱码头工程，均在进行大量高应变测试的基础上，又分别在高应变试桩上进行了10根、2根静载抗压试验。试验结果表明：各桩动测、静载恢复系数与动测初打、复打恢复系数十分接近。

通过盐田港、高栏港等工程的静载抗压试验验证可知：通过部分桩高应变初、复打动测对比试验，获得恢复系数的方法是可行的，得到的承载力恢复系数是合理的。由此可知，在其他类似工程中建议尽量以高应变动测为主，减少昂贵繁杂的静载试验，如此既能达到目的，又经济合理。

2.2钢管桩单桩恢复系数的可推广性

通过对3个工程中各桩初、复打动测试验的恢复系数的对比分析，可证明：同一工程中，在地质条件及施工条件都相似的情况下，各钢管桩承载力恢复系数差距不大。但不同工程中的承载力恢复系数相差却很大。

钢管桩单桩恢复系数的确定，在实际工程中意义重大。在沉桩施工的过程中，会受到水上施工特点和施工工期的限制。除前排桩之外，其他排架的沉桩次序，受到打桩船位置的影响限制，高应变动测试桩不可能都满足复打与复打桩间隔时间的要求。所以绝大多数的高应变动测试桩，测出的都是初打桩时的单桩极限承载力。

因此，可在施工前期，通过同一根桩上高应变初、复打对比试验，给出相应地质条件下的单桩承载力恢复系数，为同类地质及施工条件下，由初打承载力推算单桩极限承载力提供依据。

2.3钢管桩桩尖所在位置（黏土层或岩层）对承载力时效性的影响

从上述实例钢管桩承载力与时间关系表中可看出，打入风化岩（主要是强风化岩）的钢管桩，土体强度恢复很快。有的在数小时，甚至数十分种内就基本恢复。同时，间隔时间在1 d或1～3 d进行复打高应变检测，单桩承载力几乎没有变化；间隔时间4 d以上，桩基承载力就会趋于稳定。

而桩尖在黏土层中的钢管桩（表3中E40，E38），则表现出休止时间越长，承载力恢复系数越大的现象。原因在于桩基承载力的增长，是由于桩周土有效应力增加、超孔隙水压力的消散所引起。当桩尖停留在黏土层时，与桩体相互作用的黏土层越厚，其排水路径较长，排水就较慢；当桩尖停留在岩层时，由于排水边界条件改变，超孔隙水压力消散更快，抗剪强度提高所需时间更短，导致其单桩承载力增长速度相对较快。

另外，通过将罗源湾码头工程中E40，E38号桩与G38、H37、D38号桩资料进行对比分析，可看出，打入风化岩的钢管桩，其端阻及侧阻的恢复系数，都较以黏土层为持力层的桩小；这也表明了持力层的改变，不单会影响桩端阻力的恢复，还将对侧摩阻力的恢复系数产生影响。

2.4钢管桩恢复系数取值的探讨

文献[10]、[11]中给出了打入PHC桩承载力恢复系数的取值范围大致为1.2～1.4之间。不难看出，PHC管桩的承载力恢复系数与深圳盐田及珠海高栏港码头工程以及罗源湾码头工程中钢管桩的取值范围相差不大。钢管桩管壁较薄，挤土能力相对较弱，但承载力、恢复能力却并不比PHC这类挤土效应明显的桩型差。可见挤土效应并非是决定钢管桩承载力时效性的关键因素。适用于PHC桩承载力时效性的圆孔扩张理论并不一定适用于钢管桩，同时，还应考虑沉桩时的振动效应。对其机理的解释还有待于进一步试验和研究。

3　结语

本文以深圳盐田集装箱码头、珠海高栏港集装箱码头，福建罗源湾码头3个相关工程实例，从实践的角度研究了钢管桩承载力时效性的问题。本文所介绍工程实例，均是地区乃至国家的重点项目，其设计施工要求严格，数据真实可靠，其规律及结论具有一定的代表性和权威性。

1）大直径钢管桩的承载力恢复系数的取值范围大致为1.2～1.4之间。通过静载试验，验证本研究提出高应变初、复打动测试验所得钢管桩承载力恢复系数的可靠性。且在同一工程中的同一地质条件及施工条件下，由单桩初复打试验所测得的恢复系数具有可推广性。

2）打入风化岩层的开口钢管桩，沉桩时对桩端和桩侧土的强度影响较小，土的强度恢复较快。桩尖在黏土层中的钢管桩，承载力恢复的速度较在岩层中的要慢得多，承载力的恢复程度比桩端在岩层中的要大。

3）钢管桩承载力恢复系数与挤土效应明显的PHC桩相似，挤土效应不是决定钢管桩承载力时效性的关键因素。钢管桩承载力时间效应与振动作用所产生超孔隙水压力有密切的关系。

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Field test and study of time effect on ultimate bearing capacity of large diam eter steel pipe pile

ZHONGShi-xin1,HUXing-hao2,SANGDeng-feng2,WANGZhan2*
（1.Second Engineering Company of CCCCFourHarbor EngineeringCo.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong 510300,China; 2.CCCCFour Harbor Engineering Institute Co.,Ltd.,Guangzhou,Guangdong510230,China）

Based on a great deal of practice in construction with steel pipe piles in Shenzhen Yantian third phase container term inal project,Zhuhai Gaolan container term inal project,and Fujian Luoyuan Bay freight term inal project.The rules of development of the ultimate bearing capacity of steel pipe piles over time were studied with field data and the statistics and contrast analysis of the results of high strain dynam ic tests and static compression load tests.With an analysis of the field test results of the three projects,the recovery coefficient for the bearing capacity of large diameter steel pipe piles is between 1.2 and 1.4,which is similar to that of PHC pileswith significantpushing effect.But the effectof pushing against soil isnot the key factor deciding the time dependenceof the bearing capacity of steel pipe piles.The better the bearing strata are,the smaller the influence of pile driving upon the strength of pile tips and soils around a pile is,and the smaller the recovery coefficient of the bearing capacity ofa pilewill be.

steel pipe pile;bearing capacity;time effect;high strain dynamic test;recovery coefficient

U655.544

A

2095-7874（2016）06-0044-04

10.7640/zggw js201606011

2015-12-15

钟世心（1966—），男，浙江杭州市人，工程师，主要从事桩基工程、水运工程的项目管理和研究工作。

王湛，E-mail：290713193@qq.com