挤密砂桩复合地基中钢管桩沉桩方法分析

樊文策，李文祥，孙庆发

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300456）

0 引言

码头基础及海上桥梁等工程中，开口钢管桩以其承载力强、规格种类多、工程适用性好、施工速度快等优点得到广泛应用。然而钢管桩实际施工中，受地质情况影响，不同的施工方法成桩效果有所不同。本文就挤密砂桩加固后地基中，采用不同沉桩方法进行开口钢管桩施工实际情况进行分析[1]，论证锤击沉桩及振动沉桩两种方法的适用性及控制规律。

1 概况

1.1 工程概况

深中通道非通航孔桥临时钢栈桥、箱梁支架基础及隔离挡墙均采用不同桩径的开口钢管桩基础，受地质条件、机械设备、作业空间等因素影响，钢管桩沉桩采用锤击沉桩及振动沉桩。钢管桩施工区域受前期地基加固影响，原地质土层发生极大变化；主要为表层淤泥层覆盖厚度锐减，表层淤泥层换填为中粗砂；砂层以上部分采用挤密砂桩进行地基加固，整体地基承载能力有较大提升。其中，挤密砂桩复合地基对钢管桩沉桩桩尖标高及成桩后竖向抗压承载力产生较大影响。

1.2 地质情况

施工区域原地质土层分布较均匀，原泥面标高-15 m。地层分布自上而下为淤泥、粉质黏土、粉砂、中粗砂、砾砂及岩层，局部地区黏土层间夹有厚度不均的中粗砂层，地层承载力逐级提升。

施工区域先后进行2次地基处理，第1次为中粗砂换填，换填标高-17～13 m；第2次为挤密砂桩地基加固[2]，砂桩桩径1.6 m，标高-13～-31 m，桩间距采用2.4 m×2.4 m及2.7 m×2.14 m两种布置形式，置换率为35%。挤密砂桩桩身标准贯入度检测结果如图1所示。

图1 挤密砂桩桩身标准贯入度检测结果Fig.1 Results of standard penetration test of compacted sand piles

1.3 钢管桩施工标准

非通航孔桥临时工程钢管桩全部采用开口钢管桩。其中，栈桥及箱梁支架钢管桩规格为φ1 000 mm×12 mm，桩长随地质起伏动态设计，单桩竖向抗压承载力要求如表1所示。防护工程隔离挡墙钢管桩规格为φ1 200 mm×16 mm开口钢管桩，以桩尖标高为主要控制标准，需保证足够的嵌固深度[2-4]，无竖向承载力要求。

表1 临时结构钢管桩竖向抗压承载力设计值Table 1 Design value of vertical compressive bearing capacity of temporary structure steel pipe pile

1.4 沉桩机具选择

施工前期，结合地质参数，对挤密砂桩复合地基中沉桩可行性进行分析[5-9]。分析结果表明，D100柴油冲击以及APE600和永安YZ-400L两种液压振动锤进行钢管桩振沉均可行。施工锤型参数见表2。

表2 施工锤型参数表Table 2 Performance parameters of hammer

2 沉桩过程分析

2.1 柴油锤锤击沉桩分析

工程施工区域挤密砂桩布置密集，部分钢管桩无法避开砂桩桩位。结合锤击沉桩施工过程，对桩间土及桩位上钢管桩沉桩贯入度变化趋势进行分析，总结砂桩对管桩沉桩的影响。

1）对于桩间土位置上施工的桩位，通过施工贯入度随桩尖高程变化曲线对照地勘土层性质进行分析，如图2所示。

图2 桩间土层多根钢管桩贯入度曲线Fig.2 Penetration curve of multiple steel pipe piles in soil layer between compacted sand piles

分析结果表明，挤密砂桩桩间土随深度变化承载能力逐级增强，在桩间土位置施工的钢管桩沉桩贯入度与同土层标准贯入度检测结果较吻合，并能有效穿透复合地基加固地层。分析贯入度变化趋势发现，随标贯击数增大钢管桩贯入度逐渐减小并在接近岩面处贯入度快速降低至较低值。

2）挤密砂桩桩位上锤击沉桩，施工过程贯入度衰减速度较快（图3）。随桩尖标高降低，土层标贯击数逐渐升高，贯入度逐渐趋于一低值。其中砂桩标贯在20击左右时，钢管桩沉桩贯入度基本低于100 mm/击。桩尖穿过挤密砂桩桩尖标高后，贯入度仍较低且未发生明显变化，应与砂桩对桩底土层加固以及砂桩内钢管桩桩身侧摩阻力加大有直接关系。

图3 挤密砂桩上多根钢管桩贯入度曲线Fig.3 Penetration curve of multiple steel pipe piles on compacted sand pile

3）钢管桩施工完成后进行高应变动力检测，验证其竖向抗压承载力。选择4组钢管桩高应变检测结果进行对比，结果表明挤密砂桩加固的地层，钢管桩桩尖标高以及地基承载力与砂桩关系密切，数据对比见图4。4组数据最终检测承载力值均为2 100～2 300 kN，其中D4-27及10E位于原状土地质区域；其桩尖位于风化岩层，总计锤击数约100击，竖向抗压承载力主要为桩端阻力；8H及Z3-1位于挤密砂桩上，沉桩过程中贯入度锐减，最终停锤阶段桩尖未进入岩层。分析其端阻力占比较低，竖向抗压承载力主要为桩周侧摩阻力。因此，对于中密或密实砂层，采用锤击沉桩法贯入度可作为判断钢管桩承载力的典型指标；对于未进行地基加固地层或常规非密实砂层，采用锤击沉桩法应以标高控制为主，确保桩端进入持力层。

图4 钢管桩贯入度曲线Fig.4 Penetration curve of steel pipe pile

2.2 复合地基中振动沉桩分析

隔离挡墙钢管桩沉桩时，分别采用了APE600及永安YZ-400L液压振动锤进行振沉。由于沉桩区域地质条件基本相似，振动锤激振力等相关参数差别不明显，采用上述设备进行沉桩的规律总体一致。同时，施工情况表明，在挤密砂桩复合地基地层采用振动沉桩法，按照相同的停锤标准，钢管桩桩尖标高离散性较明显，平均贯入深度难以达到预期，桩尖标高最大高差接近13 m。图5为采用2种振动锤最终停锤桩尖标高分布图。具体表现为，在类似地质条件下，钢管桩桩尖标高在采用振动沉法时普遍低于采用同级别柴油振动锤锤击沉桩法。

图5 APE600及YZ-400L振动锤施工桩尖标高变化曲线Fig.5 Pile tip elevation change curve of APE600 and YZ-400L vibration hammer construction

振动沉桩时，振动锤偏心块竖向往复运动，带动桩身及振动锤整体在土层中竖向振动，引起土层共振。当组合体系（振动锤+钢管桩）振动幅度超过土体振动幅度时，两者发生相对位移，管桩开始下沉。激振频率及振动幅度达到土体液化要求，土体加速液化，桩周由静摩阻变化为动阻力主导，沉桩阻力降低。在砂桩复合地基条件下，砂土密实度愈高，对土体液化的激振频率和振幅要求越高。同时，振动锤与钢管桩组合体自重对配合激振下切土体起到较为关键的作用。同时，长时间激振引起的土体液化或颗粒重新排列，对桩周土体力学特性存在加强和削弱相互背离的特性。因此，对于挤密砂桩加固地基，采用振动沉桩法不利于桩端进入设计标高，在满足抗倾覆要求的前提下，应以贯入度进行停锤控制为主。

2.3 不同沉桩方法在复合地基中沉桩的适应性

结合西人工岛非通航孔工程地质、钢管桩沉桩过程及沉桩机理，对不同沉桩方法适应性进行对比分析。结果表明，在挤密砂桩加固地基进行钢管桩沉桩作业，不同的沉桩方法表现出不同的沉桩效果。其共性均表现为，沉桩深度及桩尖标高较离散。具体标高离散性及平均沉桩桩尖标高对比如图6所示。

图6 不同锤型施工桩尖标高离散性数据表Fig.6 Discrete data table of pile tip elevation for different hammer construction

柴油锤锤击法沉桩，相对具有更加稳定的沉桩效果。无论挤密砂桩加固桩位或桩间土，钢管桩沉桩桩尖标高均穿透砂桩加固地层，并进入原地质土层，能够较好地匹配沉桩可行性计算结果。

振动沉桩施工过程中，部分桩难以穿透挤密砂桩复合地基，可能与桩内土芯闭塞效应、液压振动锤液化土体性能、桩间挤土效应等存在关联，实际施工效果与理论计算结论存在较大出入。

3 结语

深中通道西人工岛非通航孔桥临时工程钢管桩沉桩选用了多型设备进行沉桩施工，施工情况表明：

1）采用柴油锤锤击法沉桩其结果与理论计算结果基本一致，但在挤密砂桩加固地层或密实砂层，停锤标准应以贯入度控制为主，标高控制为辅，可确保桩基承载力满足要求。对于无密实砂层等地质，应采用标高控制为主。

2）采用液压振动锤振动沉桩法，其施工实际情况与理论计算存在较大差异，类似地质条件下钢管桩沉桩桩尖标高离散程度较高，振沉机理有待进一步深入研究。具体施工时，保证抗倾覆嵌固深度前提下，可采用贯入度为主进行停锤控制。