近年来,随着国民经济建设的快速发展,港口工程建设向外海、深水区域发展,跨海、跨江大桥朝着大型化迈进。而钢管桩由于具有自重轻、抗弯能力强、吊装和运输方便、抗锤击能力强、可根据需要做成不同斜率的斜桩等优点,因此钢管桩的应用越来越广泛 ^[1,2]。目前,杭州湾跨海大桥、金塘大桥、宁波象山港大桥、东海大桥、洋山港三期水工码头、镇江大港深水码头等工程均大量使用超长大直径钢管桩 ^[3]。上述文献涉及工程项目对钢管桩性能进行的阐述,均基于桩长和桩径性能,而基于钢管桩壁厚对沉桩性能的对比分析较为缺乏。

　　 JGS 167—4—2012《港口工程桩基规范》 ^[4]规定钢管桩的外径与厚度之比宜≤100,钢管桩沉桩困难时,规范也给出最小壁厚的估算公式。然而,对钢管桩壁厚的选择及珊瑚礁灰岩地区不同壁厚钢管桩的沉桩性能对比,却少有报道。本文从基桩贯入度、承载力、桩身应力和承载力多角度进行对比,分析不同壁厚钢管桩的承载力特性和沉桩规律。

　　 工程位于印度洋西海岸,共建设3个泊位,单个泊位的码头岸线长400m,采用钢管桩作为基础形式,为全直桩码头,每个泊位分16个结构段,每个结构段共5轴,3个泊位共240轴,相邻结构段间钢管桩间距4m,单个结构段内部平行于码头岸线方向轴间的钢管桩间距5.25m,垂直于码头岸线方向排架间距为6.1m,共6排,中间4排基桩壁厚为12mm,前沿线基桩壁厚为24mm,岸侧基桩壁厚18mm。前3个结构段的基桩桩位平面布置如图1所示。

　　 根据设计要求,钢管桩设计桩尖标高为全风化岩层底部、强风化珊瑚礁灰岩层顶部,设计要求不同壁厚的钢管桩均沉桩至设计标高,不能达到设计标高的基桩,采用钻孔施工,引孔后继续沉桩。根据钻孔柱状图,在2号泊位后半段和3号泊位有较多的地质钻孔存在夹硬层,部分钻孔夹杂风化珊瑚礁灰岩,壁厚12mm的基桩可能无法穿透该夹硬层,基桩难以仅靠锤击沉桩至设计标高,须采用引孔施工的方式后再进行施工,考虑引孔施工需要的机械设备较多且须从国内调遣,会增加工期,因此根据试桩结果,采用贯入度作为终锤控制,且要满足最小入土深度12.0m的要求,不同壁厚基桩参数如表1所示。

　　 由表1可知,3种壁厚基桩单桩容许承载力为4 000,5 000,6 200kN,单桩极限承载力标准值为10 000,12 500,15 500kN,基桩承载力安全储备系数为2.5。静荷载试验要求最大试验荷载是容许承载力的2.0倍。

　　 项目共施打1 440根钢管桩,采用BSP CG300锤,锤芯重20t,终锤采用锤芯跳高为1.2m。12,18,24mm壁厚基桩的终锤贯入度为12～18mm/击、7～10mm/击和4～8mm/击。

　　 基桩总锤击数如图2所示。12mm壁厚钢管桩的总锤击数主要分布在300～700击,平均锤击数为587.6击;18mm壁厚钢管桩的总锤击数主要分布在700～1 000击,平均锤击数为929.6击;24mm壁厚钢管桩的总锤击数主要分布在400～800击,平均锤击数为728.3击。总锤击数最高为18mm壁厚基桩,总锤击数平均值比24mm壁厚基桩高27.6%、比12mm壁厚基桩总锤击数平均值高58.2%。

　　 3种壁厚基桩进入珊瑚礁灰岩强风化岩层深度如图3所示。图3a为12mm基桩进入强风化岩层深度统计,其中负值为桩尖距离强风化珊瑚礁灰岩层顶面值,共960根基桩,持力层为强风化珊瑚礁灰岩,共826根,占比86.0%。12,18,24mm壁厚基桩进入强风化珊瑚礁灰岩深度平均值分别为6.47,16.56,16.65m,18,24mm壁厚基桩数量均为240根,平均进入强风化珊瑚礁灰岩深度值仅相差0.5%。最大值分别为22.66,32.74,41.27m,相当于18.8,27.3,34.4倍桩径。

　　 桩顶标高为5.000m,桩顶标高以下部分为实际桩长,实际桩长与设计桩长差值如图4所示。12mm壁厚基桩有899根桩长实际值比设计值长,占比93.6%,而18,24mm壁厚基桩桩长实际值均比设计值长,平均差值分别比设计值长6.34,12.52,15.28m。基于上述分析,1 440根基桩按贯入度进行控制的实际桩长长度比设计值长8.86m,若按原设计标高进行收锤,大部分基桩承载力无法满足要求,且存在夹硬层地质情况下,难以沉桩至设计标高,因此珊瑚礁灰岩地区沉桩收锤标准应采用贯入度进行控制,而不适于桩尖标高控制。

　　 项目共6根静载试验桩,其中3根试验桩,在桩位上进行地质钻孔,地质钻孔土层情况如表2～4所示。从3根试验桩的钻孔情况来看,主要土层分别为砂层、硬黏土层、珊瑚礁灰岩残积土、全风化珊瑚礁灰岩层、强风化珊瑚礁灰岩层。岩样如图5所示。

　　 3根试验桩在沉桩过程中进行基于光纤光栅的应力测试和高应变动力测试。立桩稳定后,实时监控基桩在沉桩过程中的桩身应力、桩身能量和基桩承载力。采用珏光琥珀^TM(Copal)便携式光纤光栅解调仪采集数据,沉桩施工40击/min,光纤光栅应变测试的采样频率为每次锤击采集2次信号,0.75s采集1次。

　　 3根试验桩S1,S2,S3壁厚分别12,18,24mm,沉桩参数如表5所示,施工桩长分别为59.64,70.46,71.17m,均比设计值大,超值分别为18.9,35.4,34.1m,试验桩持力层均为强风化珊瑚礁灰岩层。18,24mm壁厚基桩高应变承载力分别为15 638.1,16 395.4kN,相差仅4.8%。

　　 以3根试验桩各2个光纤光栅传感器应力测试结果为分析对象,1号传感器位于桩顶以下15.8～19.4m,沉桩完毕时,此传感器位于水中,尚未达到疏浚面高程,测试沉桩过程中桩身材料的应力变化;2号传感器位于桩尖以上1.5m,测试沉桩过程中桩尖部位应力的变化。S1,S2,S3试验桩应力测试值变化分别如图6～8所示。正值表示拉应力,负值表示压应力。

　　 当S1试验桩桩尖进入标贯值为40击以上的密实中砂层及强风化珊瑚礁灰岩层时,2个传感器的桩身拉、压应力测试值均>250MPa,最大可达286.5MPa。进行常规的高应变检测,共测试10锤信号,从测试结果看,桩身最大拉应力为206.7MPa,压应力为278.5MPa,此时桩尖已进入强风化珊瑚礁灰岩层,薄壁钢管桩对于桩尖土层的硬度较敏感,进入岩层时,其桩身应力值,特别是压应力值较大,容易>250MPa。

　　 S2试验桩壁厚为18mm,当桩尖进入40级的密实中砂层时,应力值略有提高,但大多数锤击数下,拉、压应力值在150～200MPa,对比相同地质情况,S1的桩身应力值小。

　　 S3试验桩壁厚24mm,整个沉桩过程桩身应力值均较小,为80～100MPa,比S2和S1试验桩应力测试值明显小很大。

　　 3根试验桩不同土层贯入度变化如图9所示,试验桩S1壁厚12mm,桩尖进入密实砂层时贯入度为37.1～54.3mm/击,进入珊瑚礁灰岩残积土时贯入度为55.8～78.3mm/击,进入全风化珊瑚礁灰岩层时贯入度为12.6～26.3mm/击,进入强风化珊瑚礁灰岩持力层时贯入度为0.8～8.7mm/击。

　　 当桩尖进入珊瑚礁灰岩层7.2m时,贯入度迅速变小,桩船剧烈振动,桩锤出现1次敲击2次声响的拒锤现象,这种现象在12mm壁厚基桩沉桩中,桩尖进入强风化珊瑚礁灰岩地层一定深度时常有发生,而其他壁厚的基桩均没有发生此现象。

　　 试验桩S2壁厚18mm,进入珊瑚礁灰岩残积土时贯入度为28.6～40.4mm/击,桩尖进入中密砂层～硬黏土层时贯入度为18.6～33.9mm/击,进入强风化珊瑚礁灰岩层时,贯入度为7.8～19.8mm/击。

　　 试验桩S3壁厚24mm,进入珊瑚礁灰岩残积土最下面5m时,贯入度为38.6～51.3mm/击,桩尖进入全风化珊瑚礁灰岩时贯入度为25.6～33.2mm/击,进入强风化珊瑚礁灰岩层时,贯入度为4.5～19.7mm/击。

　　 1)珊瑚礁灰岩地区钢管桩均宜采用贯入度作为收锤控制,不宜采用桩尖标高控制。

　　 2)12,18,24mm壁厚基桩进入强风化珊瑚礁灰岩深度平均值为6.47,16.56,16.65m。18,24mm壁厚基桩强风化珊瑚礁灰岩穿透性能力相差不大,均比12mm基桩穿透力强。12mm钢管桩桩尖位于强风化珊瑚礁灰岩层时,到某一深度常出现贯入度迅速降低、拒锤的现象,而18,24mm壁厚基桩均未发生。

　　 3)24mm壁厚基桩的材料成本、运输费、吊桩设备要求与18mm壁厚基桩相差巨大,而基于穿透性能、总锤击数、承载力等考虑,珊瑚礁灰岩地区可以采用18mm壁厚基桩。