海上打入式钢管嵌岩桩卷边及处理措施探究

杨春玲 天津中北港湾工程建设监理有限公司

倪萍 天津铭睿管理咨询有限公司

马宏梅 天津天保人力资源股份有限公司

1.工程地质

1.1 根据工程地质勘察报告，拟建场地主要地层

（1）海积堆积：淤泥①，层厚0.5～6.4.2m。为场区主要地层之一；粉细砂②，层厚1.2～6.0 m，为场区主要地层之一；泥质中粗砂②-1，层厚2.4m；粉质粘土③，层厚2.8m～17.25m；中粗砂④，局部含少量淤泥，层厚4.5～11.8m；泥质中细砂④-1，层厚0.9～4.9m；粉质粘土⑤，最大揭示层厚8.2m；淤泥⑥，层厚3.8m；泥质中粗砂⑦，以粗砂为主，层厚3.1m。

（2）燕山期花岗岩：按风化程度分为：全风化花岗岩⑧，母岩结构尚存，长石大部风化成高岭土，层厚3.1m；散体状强风化花岗岩⑨，原状样具有花岗结构，岩芯片呈砂土状，最大揭示厚度19.9m，层顶高程-18.05～-44.45m；碎裂状强风化花岗岩⑨-1，岩石节理、裂隙发育，岩芯呈碎裂状，揭示厚度为2.6m，层顶高程-33.55m；弱风化花岗岩⑩，岩石新鲜，坚硬，岩芯多呈短柱状，最大揭示厚度为3.5m，层顶高程-32.27～-42.35m。

1.2 按岩性及风化程度分述其特性

全风化花岗岩：灰黄色，原岩结构尚可见，矿物基本风化成土状，手捏易碎，遇水软化崩解；散体状强风化花岗岩：灰黄色，原岩结构可见，矿物大多风化成砂土状；碎裂状强风化花岗岩：灰黄色，原岩结构可见，岩芯主要呈碎块状，手掰易碎，遇水易软化；弱风化花岗岩：灰白色，岩芯多呈长柱状，局部为短柱状，锤击易碎，裂隙较发育，个别钻孔裂隙不发育。

2.设计要求及施工工艺

2.1 设计要求

风机基础多采用高桩承台钢管桩嵌岩基础，嵌岩钢管桩（护筒）采用6根直径1900 mm、壁厚28mm、桩端2m加强段壁厚为40mm、斜率为6:1的钢管桩以圆形布置。桩尖标高需进入散体状强风化岩层不少于8-10m，嵌岩钻进弱风化花岗岩层不少于5.1m（嵌岩灌注桩桩孔直径1700mm）。停锤标准定为：贯入度不大于3mm。对于极少数超浅覆盖层地质采用重力式基础或植入式钢管桩基础。

表1 55号机位沉桩记录及高应变初打检测结果

2.2 施工工艺

根据设计要求，经过可打性分析，现场采用带桩架的专用打桩船及IHC公司的S-800大型液压锤实施沉桩施工。

3.沉桩卷边分析

复杂地质环境导致的卷边风险的存在给设计和施工增加了很大难度。对设计来说，若发生卷边后沉桩无法继续，必然导致桩顶标高超高较多而割桩较长，造成钢材浪费，且原定的桩身防腐长度因入土深度变化导致沉桩后桩身防腐位置是个变量，割桩后桩顶段入混凝土承台部分需打磨去防腐层，而水下区防腐原定长度不够，无法提前准确预判入土深度给设计对桩长优化及防腐长度的确定带来相当大的困难。对施工来说，后续桩顶段去除防腐层与卷边处理亦相当困难，对工期、费用影响较大。

桩在不同种类的地层中对卷边起主导作用的为：散体状强风化花岗岩层、碎裂状强风化花岗岩层、夹层与孤石。

散体状强风化花岗岩最显著的特征为岩层较厚、连续分布并且强度极不均匀，标贯击数的变化范围为50～750，标贯击数过大时容易导致卷边的发生；碎裂状强风化花岗岩呈灰白色，原岩结构可见，主要矿物为石英、长石、云母，岩芯主要呈碎块状，层位起伏变化较大，岩石基本质量等级为Ⅴ类，力学性质好锤击难以进入，由于其层面起伏变化大的特征，钢管桩桩尖较容易误入，加上其强度绝对值较高，一旦桩尖误入即发生卷边；孤石基本质量等级以Ⅱ类为主，锤击反弹且斜桩桩端为单点受力易造成卷边发生。

根据沉桩监测数据结合地勘图统计分析，卷边发生时通常有以下几个方面风险存在：

（1）散体状强风化层内遇到连续标贯大于200的区域或岩层标贯值突变大的区域；

（2）当贯入度小于5mm时仍提高锤击能量继续锤击时且锤击能量己超过500KJ；

（3）当桩身应力通过全程高应变检测显示己超过220MPa或桩身应力发生突变时；

（4）高应变检测显示桩端静土阻力值达超25000KN时。

以55号机位沉桩示例卷边发生原因：发生卷边的55-1、55-2、55-6三根钢管桩均处于标贯大于200的区域或岩层标贯值突变大的区域，锤击能量最高达560KJ，高应变显示桩端静土阻力最大为26986KN，最终贯入度己低于4mm/击。见表1。

4.防卷边控制措施

4.1 沉桩停锤标准优化

通过以上卷边原因分析结合现场实际情况研判，钢管桩沉桩停锤以贯入度控制为主，最大锤击能量宜控制在550KJ以内，锤击能量每级加载后，如果贯入度比较上一级锤击能量对应的贯入度有增大，则保持正常锤击沉桩直至贯入度再次降低到5mm/击时，继续逐级加载锤击能量进行钢管桩沉桩；如果贯入度比较上一级锤击能量对应的贯入度没有增大甚至更低，分以下两种情况制定沉桩停锤控制标准如下：

（1）如果贯入度还有5mm/击或6mm/击，继续锤击直至贯入度降低到最后3阵4mm/击或3mm/击，则可以停锤。

（2）如果贯入度只有4mm/击或3mm/击，则通过2阵锤击验证一下贯入度，如果还是4mm/击或3mm/击，则可以停锤。

4.2 增设桩外破土环

变更桩端2m加强段40mm壁厚的钢板，由内侧变径对接焊为外侧变径焊接，起到沉桩时桩端的破土作用，可在同等锤击能量和贯入度标准下有效增加桩尖入土深度，尽量达到防卷边的贯入度标准与设计标高双控要求的统一。

4.3 特殊情况停锤标准

当遇到标贯大于200的区域沉桩时贯入度己达到5mm/击或高应变检测显示桩身应力超200MPa，桩端静土阻力值达超25000KN时及时联系设计确认停锤。

4.4 控制桩尖标高入土深度

一桩一议，根据散体状强风化层厚度与设计最终嵌岩孔底标高计算的桩尖入土深度，即使进入散体状强风化岩层未达到设计要求的深度，当贯入度减至5mm/击时为防止卷边只需出护筒嵌岩段长度12-15m可停锤。极端情况遇沉桩困难，标高超高过多，无法实现嵌岩长度保证时，可通过后注浆工艺在桩端与桩侧注浆法达到设计承载力和抗拔力要求。

5.结语

通过对钢管桩在沉桩嵌岩桩尖产生卷边原因的分析，制定有效的防卷边措施，可有效控制工程中沉桩嵌岩卷边的发生。根据工程实例统计，卷边发生率从开始的8.33%降低到1.09%，切实提高了后续的施工工效、节约了施工成本，减少了卷边处理可能存在的安全风险。同时对卷边后处理措施进行经验总结，为卷边发生后快速处理提供了解决方案。本文提出的防卷边控制标准也为桩长设计的相对优化提供了切实的参考依据。