海洋浅水地质钢管桩锤击沉桩要素控制

2023-07-29袁春进,张显雄

工程建设与设计 2023年13期

1 引言

桩基础是海洋浅水环境（水深≤60 m）中各种工程结构常用的一种基础形式。相比于混凝土桩基自重大、制作周期长、抗弯性能差、沉桩难度大等缺陷，钢管桩具有刚度大、弹性好、抗倾覆性能强、施工便捷等优势，广泛应用于海上风电、桥梁码头等工程领域[1-2]。目前，海洋浅水环境的钢管桩基础通常采用锤击沉桩，然而，钢管桩沉桩质量受海洋环境的影响十分明显。一方面，准确探测海洋环境具有诸多不确定性，使锤击沉桩过程始终伴随着一定程度上难以控制的意外因素；另一方面，海洋环境本身难以预测的固有属性进一步加剧了实际沉桩质量大幅度偏离预定质量标准的风险。因此，掌握海洋环境对钢管桩沉桩质量控制起着重要的保障作用。

与陆地环境相比，海洋环境钢管桩沉桩质量主要受水深、海底地质、海床地形及风浪流等一系列因素影响。在近岸浅水环境中，海底地质对钢管桩沉桩质量的影响尤为突出。海底地质通常可分为以砂土、风化岩为代表的硬土及以黏土、淤泥为代表的软土。砂土呈单粒结构，土粒间联结微弱，具有压缩性低、抗剪强度高、无塑性等特点[3-4]；黏土含砂粒少，与水混合后有黏性和可塑性，具有流变性高、触变敏感、抗剪强度低等特点[5]。在锤击沉桩过程中，钢管桩周边土体易发生液化现象及挤土效应[6-7]，导致土体产生较大的超静孔隙水压力和挤压应力。超静孔隙水压力的增大，使土粒间承担、传递的压力减小，降低了土体抵抗剪切变形的能力；挤压应力的增加，扩大了土体横向有效应力并减小了孔隙率，使土体强度有所提高。与砂土层相比，黏土层黏聚力大，液化程度低，但黏土层本身强度低且结构易被破坏，在荷载作用下，承载力进一步降低减小。因此，钢管桩进行锤击沉桩的质量控制侧重点受海底地质的影响。

分析在海洋浅水环境中钢管桩锤击沉桩的过程，归纳出影响钢管桩沉桩质量的主要因素，总结出不同海底地质条件下提高钢管桩沉桩质量的关键要素，对于加强海洋浅水环境中各种工程结构的稳定安全起着促进作用，同时，有效控制钢管桩锤击沉桩质量，对于降低施工风险，提高施工效率，节约施工成本有着明显的指导意义，并可为以后同类工程设计与施工提供实践参考。

2 砂土地质沉桩要素

2.1 不同锤击能量下砂土层的响应

1）在砂土层中进行锤击沉桩，锤击能量随着钢管桩入土深度的增加而增加，即打桩阻力与入土深度呈正相关。当采用较大锤击能量进行沉桩时，钢管桩对周围土体产生扰动和破坏作用，土体中孔隙水压力逐渐增大，土粒所承受的有效应力逐渐减小。有效应力降为零时，超静孔隙水压力最大，此时土体抗剪强度丧失，沉桩贯入度骤增且难以控制。

2）采用大能量连续锤击沉桩，土体强度下降迅速，因砂土渗透性较强，超静孔隙水压力可在较短时间内消散，土体强度恢复较快。当采用小能量进行锤击沉桩时，土体阻力过大，钢管桩贯入度小，能量转化成钢管桩动能的效率较低，部分能量反弹至锤体，易造成打桩锤损伤。长时间采用小能量进行锤击沉桩，使沉桩后期阻力过大，且影响施工效率。

3）沉桩过程中，土体阻力与土层性质及入土深度密切相关，为确保锤击能量的选择合理有效，需结合地质资料进行分析。砂土属于摩擦桩应用的有利地质条件，土体阻力普遍较大。当砂土层密实度、标准贯入度较大时，可采用较大的锤击能量，并根据下一层土体的性质提前进行调整。

4）地质资料对实际所在位置土层的描述并不完全真实，仅根据地质资料难以对锤击能量进行精确控制。实际锤击沉桩施工过程中，应结合钢管桩的贯入度进行相应调整，确保沉桩过程中钢管桩贯入度维持在一个较为稳定的数值，使钢管桩贯入度不发生大的波动。

2.2 溜桩与砂土层性质变化的关系

1）在钢管桩沉桩施工过程中，溜桩现象较为常见，常见情况有两种。第一种情况为锤击沉桩前或刚开始锤击时发生的溜桩，土体未受较大的扰动，砂土层强度下降较小，提供的阻力与静摩擦阻力相差无几。溜桩产生主要可能原因是土体存在硬土层，钢管桩自沉深度不足，当钢管桩穿过硬土层后，土体阻力骤然下降，此时发生溜桩对于初始沉桩质量的控制造成了极大的风险。

2）第二种情况为锤击沉桩过程中发生的溜桩，主要产生原因是锤击沉桩能量过大，土体发生液化现象，抗剪强度丧失，钢管桩在土体中所受阻力小于桩锤的总重量。溜桩情况发生突然，产生的瞬时冲击力可能对打桩锤、船舶及其他各种工程结构造成损伤。

3）为降低溜桩风险，确保沉桩过程可控，应先数值模拟锤击沉桩过程，并根据数值模拟结果确定锤型，针对可能存在溜桩的土层进行分析，提前采取预防措施。实际沉桩过程中，初始采用点动锤击的方式，避免对钢管桩造成冲击；在桩尖到达溜桩时，提前降低锤击能量及锤击速率。

4）若发生溜桩，溜桩结束后，静置观察一段时间，同时检查各个沉桩设备是否出现损伤。钢管桩稳定后，再次进行锤击沉桩，并采用小能量进行锤击，钢管桩贯入度较小且变化不明显时，逐渐增加锤击能量。

2.3 砂土层沉桩质量控制

1）海洋浅水环境中部分工程结构对桩基的桩身垂直度及桩顶标高有着较高的要求，且钢管桩锤击沉桩以桩顶标高作为停锤的控制标准。砂土层压缩性低，沉桩过程中，钢管桩所受水平阻力大，钢管桩垂直度调整困难，且随着钢管桩入土深度的增大，垂直度调整难度加剧。

2）钢管桩在砂土层所承受的侧摩阻力及桩端阻力较大，需采用较大的锤击能量进行沉桩，当临近设计标高时，易出现钢管桩贯入度过大难以控制的情况，桩顶标高超出设计所要求的范围。

3）对于桩身垂直度，应加强初始沉桩阶段的控制，降低后续桩身垂直度调整的难度；实际锤击沉桩过程中，可采取边沉桩边测量的方式，确保钢管桩垂直度在控制范围之内；若钢管桩垂直度发生倾斜，停止沉桩，根据桩身倾斜方向立即对钢管桩施加顶推力以调整桩身垂直度。

4）桩顶标高的控制主要在沉桩最后阶段。沉桩前，可根据沉桩设备的标高及桩身刻度线推算沉桩至设计标高时桩身刻度线的位置；当桩顶标高距实际标高1~2 m 时，使用全站仪全程观测，实时显示桩顶标高，并适当降低锤击能量；若桩顶标高与设计标高相差较小，可采用点动锤击的方式，以确保沉桩质量在可控范围之内。

5）在砂土层进行沉桩施工，沉桩阻力大，应一次连续锤击至设计标高，避免土体强度恢复发生拒锤现象。

3 黏土地质沉桩要素

3.1 不同锤击能量下黏土层的响应

1）在黏土层中进行锤击沉桩，随着钢管桩入土深度的增加，可能出现锤击能量反而减小的情况。黏土在颗粒组成、力学性质及孔隙水运动规律等方面与砂土存在较大的差异，在荷载作用下，土体中超孔隙水压力的增长和消散速度相对缓慢。若采用较大能量进行锤击沉桩，黏土结构被破坏，强度损失大。

2）黏土具有较强的结构性，使土体的强度显著增强，但结构易受扰动，即使采用小能量锤击，土体结构破坏所损失的强度仍较大。

3）在黏土层中沉桩，地质资料对锤击沉桩能量控制的参考作用较小。实际沉桩过程中应尽可能采用较小的能量进行锤击，以减小对土体结构的破坏，当贯入度偏小时，锤击能量应缓慢进行增加，避免土体强度损失较大，钢管桩贯入度长时间处于一个偏大的情况。

3.2 溜桩与黏土层性质变化的关系

1）钢管桩整个沉桩过程都会对黏土造成扰动，破坏土体原有的结构。钢管桩自沉完成后发生的溜桩，可能为土体存在硬土层及结构强度下降共同作用的结果。

2）锤击沉桩过程中发生溜桩，一方面因土体发生液化现象，抗剪强度下降，另一方面土体结构被破坏，土体强度下降。扰动后的黏土强度损失较大，且土体液化恢复缓慢，土体强度需要较长时间恢复，以满足各种工程结构对承载力的要求。

3）通过数值模拟沉桩过程，以便于锤击能量及锤击速率的控制，实际沉桩过程中，应保持钢管桩贯入度在一个偏小值的范围；若发生溜桩，不仅需对各设备进行检查，还应静置一段时间，且套锤过程中缓慢压载，避免发生二次溜桩。

3.3 黏土层沉桩质量控制

1）在黏土层进行沉桩，若钢管桩桩身发生倾斜，对钢管桩垂直度进行调整时，钢管桩垂直度回弹明显。为确保沉桩质量符合设计要求，过程中应加强观测，且在钢管桩垂直度调整过程中，持续施加顶推力。

2）桩顶标高的控制主要在于沉桩最后阶段的实时观测及锤击能量的调整，合理有效地控制钢管桩贯入度是确保沉桩质量的关键。

3）黏土层结构性强，结构被破坏后强度损失大，沉桩施工过程中可短暂中止锤击，避免钢管桩贯入度过大，发生桩顶标高及桩身垂直度难以控制的情况。

4 浅水地质船舶定位要素

船舶安全与波浪关系密切，在不同波浪作用下，船舶姿态呈现不同变化[8-9]。在海洋浅水环境中，为确保顺利锤击沉桩，保持船舶抛锚状态的稳定是施工过程中的关键，而船舶定位锚泊能力受地质影响较大。

1）表征波浪的主要特征值有波向、波高、周期及波长等，其对船舶的影响体现在多个方面。船舶横向受浪时，船身横摇明显，若横摇周期与波浪周期接近，横摇幅度加剧，易造成船舶倾覆。船舶顶浪时，因船舶纵向稳性较大，受波浪作用所产生的纵摇摆幅小于横摇，若船长小于波长，船舶尾部振动强烈，易造成船舶尾轴断裂；船长接近波浪波长，船舶可能承受多个波峰作用，发生中拱现象，使船体发生变形。

2）为减小波浪对船舶的影响，船舶应结合波浪情况进行抛锚进位，同时根据不同的地质选择合适的抛锚方式，以确保船舶的稳定安全。在砂土地质中进行抛锚，因地质较硬，落锚贯入深度小，影响锚的抓地力，当涌浪较大时，易发生船舶走锚的情况。对于砂土地质，在落锚过程中选择合适的松锚速度，尽可能增加船锚触底动能，同时调整好船锚触底倾角，减小船锚贯入海床时的阻力，以增加船锚贯入土体的深度；适当增加船舶抛锚的长度，以增加船锚抓地力，使船舶能在较大涌浪下维持稳定。

3）黏土地质抗剪强度低，船锚在土体中贯入深度大，土体可以为船锚提供较大抓力，在船舶抛锚过程中，选择合适正确的抛锚方法，可以有效保障船舶的稳定安全。