钢管桩与大管桩在相似地质条件下的应用

钢管桩与大管桩在相似地质条件下的应用

[摘要]桩基础是工业与民用建筑工程一种常用的基础形式，是深基础的一种，按材料可分为钢筋混凝土桩、钢桩、木桩等。选择合理的桩基础形式，对于保证结构的安全、节约投资、降低造价起着举足轻重的作用。钢管桩、大管桩因其优越的性能在港口水工建筑物中得到广泛使用。本文结合某十万吨级集装箱码头桩基情况，对钢管桩、大管桩在相近地质条件下的使用进行比较分析。

[关键字]钢管桩 大管桩 相似 地质

1工程概况

某十万吨级集装箱码头，码头总长479.84m，结构为高桩梁板式。该码头共分7个结构段，其中第1～3段为钢管桩结构，共193根（含40根前期预留桩）；第4～7段为高性能预应力混凝土大管桩（以下简称大管桩）结构，共256根。本工程合同开工日期为2003年12月18日，合同竣工日期为2004年12月28日。因码头工程桩基的设计变更等原因，全部工程于2005年3月31日完工。

2地质条件

该泊位地质条件较复杂，经基槽挖泥回填砂后从上至下依次为：回填振冲砂、细砂、粗砂、淤泥质粘土、粉质粘土、砾砂、砂质粘土、花岗岩全风化、花岗岩强风化、花岗岩中风化、花岗岩微风化共11层，结构中存在软弱夹层粉质、砂质粘土层，砾砂层较厚且分布不均，最厚达13.5米，贯入击数达52击，持力层分布不均。

本工程桩基设计为端承磨擦桩，设计桩尖标高持力层处于强风化花岗岩、N≥100击深度以下。代表性地质剖面图见图1。

3码头桩基结构与布置形式

本码头桩基采用钢管桩和大管桩两种形式。第一结构段桩基为钢管桩，桩径有Ф1000mm、Ф1100mm、Ф1200mm三种，每排架设8根基桩，其中6根直桩，1对叉桩，前后轨下双直桩。

第四～七结构段桩基为预应力砼大管桩，桩径有Ф1200mm、Ф1400mm两种，每排架设8根基桩，为全直桩，前后轨下为双桩。

4设计停锤标准及桩基设计承载能力

4.1钢管桩沉桩停锤标准

本工程以贯入度控制为主，标高作校核，采用D—125锤二档能量进行连续沉桩，最后一阵100㎜的平均贯入击数不大于4㎜/击时，可以停锤；如果桩顶标高超过设计标高2m，且锤击数小于1500锤，则要求最后一阵的平均贯入击数不大于3㎜/击。

4.2砼大管桩沉桩停锤标准

沉桩以贯入度控制为主，标高控制为辅。

（1）Ф1200大管桩沉桩控制标准：采用D-125锤一档能量进行连续沉桩，最后一阵100mm的平均贯入击数不大于4mm/击时，可以停锤；如果桩顶标高超过设计标高3m，

且锤击总数小于1500锤，则要求最后一阵的平均贯入击数不大于3mm/击。

（2）Ф1400大管桩沉桩控制标准：采用D-125锤二档能量进行连续沉桩，最后一阵100mm的平均贯入击数不大于4mm/击时，可以停锤；如果桩顶标高超过设计标高3m，且锤击总数小于1500锤，则要求最后一阵的平均贯入击数不大于3mm/击。

4.3设计承载能力

单桩设计极限承载力为：钢管桩Ф1000单桩承载力须大于8000kN、Ф1100单桩承载力须大于9500kN、Ф1200单桩承载力须大于10000kN；大管桩Ф1200单桩承载力须大于8000kN、Ф1400单桩承载力须大于10000kN。

5沉桩效率比较

钢管桩施工有效施工为30天，按153根桩30天沉完计算，有效施工日效率为5.1根/天。大管桩沉桩参考邻近4个泊位同桩型1606根大管桩平均有效施工日效率约为3.34根/天。钢管桩施工效率明显高于大管桩。

6锤击数比较

由沉桩资料分析显示：（1）钢管桩锤击数略少于大管桩。193根钢管桩平均锤击数为1778击，256根大管桩平均锤击数为1861击。（2）钢管桩锤击数分布收敛快于大管桩。钢管桩最大锤击数为2881击，最小锤击数为743击；大管桩最大锤击数为3626击，最小锤击数为619击，大管桩沉桩锤击数分布的离散性大于钢管桩。（3）钢管桩、大管桩锤击分布共性：锤击数在1000到2500之间的钢管桩、大管桩占总数的85%以上，且锤击

数为1500锤左右的桩所占比例最大。约90%的钢管桩、大管桩在2500锤以下都达到停锤标准。

7入土深度及有效桩长比较

根据沉桩资料分析显示：（1）钢管桩入土深度和有效桩长明显大于大管桩。根据沉桩资料显示：钢管桩平均实际桩长为48.42米，平均入土深度为28.21米；大管桩平均实际桩长为40.80米，平均入土深度为19.36米。（2）钢管桩、大管桩有效桩长呈正态分布。

8收锤贯入度比较

90%的钢管桩、近80%的大管桩都可按贯入度标准达到停锤标准。钢管桩收锤贯入度集中在1～2mm，此区间比例高达84%；大管桩的收锤贯入度相对较为分散。钢管桩平均收锤贯入度为2.9mm，大管桩平均收锤贯入度为3.4mm，钢管桩收锤贯入度小于大管桩。

9承载能力及桩身完好性比较

本工程共进行钢管桩大应变检测7根，试验结果如下。

（1）直径1000mm的桩、直径1100mm的桩、直径1200mm桩的承载力，都超过了设计极限承载能力要求。

（2）对两根1200mm桩进行了复打试验，经过6天和17天，桩承载力的恢复系数分别为1.24和1.20，桩承载力达到了设计承载能力要求。

（3）由于钢管桩有良好的弹性，各桩均有很好的完整性，均属于Ⅰ类合格桩。

（4）钢管桩桩端阻力占总承载能力的39.38%，侧摩阻力占总承载能力的60.62%。（5）钢管桩内混凝土小应变检测193根，其中Ⅰ类桩191根，占98.96%，Ⅱ类桩2根，占1.04%。

本工程工进行大管桩大应变检测17根，试验结果如下。

（1）直径1400mm桩的初打、复打都达到了设计极限承载能力要求。

（2）直径1200mm的桩只试了一根，达到了设计承载能力要求。桩的承载力随着时间的延长而会有所恢复，共对3根桩同时进行了初复打对比试验，平均承载力恢复系数为1.27，略大于钢管桩。

（3）各桩均有很好的完整性，均属于Ⅰ类合格桩。

（4）大管桩桩端阻力占总承载能力的52.22%，侧摩阻力占总承载能力的47.78%。

（5）大管桩内混凝土小应变检测42根，其中Ⅰ类桩41根，占97.62%，Ⅱ类桩1根，占2.38%。

10正位率比较

设计文件要求钢管桩直桩偏位≤15cm、斜桩偏位≤20cm；大管桩直桩偏位≤20cm。钢管桩沉桩中超过标准值的桩共12根，占6.22%，最大偏位为47cm，桩正位率达93.78%；大管桩沉桩中超标准桩共6根，占2.34%，最大偏位为24cm，桩正位率达97.66 %。大管桩沉桩正位率略大于钢管桩。

11经济比较

（1）钢管桩每米造价高于大管桩。每米大管桩造价仅约为钢管桩的70%，后期沉桩费用相差不大，大管桩经济效益显著。

（2）钢管桩入土深度高。钢管桩端阻力在总体承载能力中所占比例小于大管桩端阻所占比例，为满足设计承载能力，钢管桩需打入更深土层，其有效桩长大于大管桩。

（3）钢管桩桩芯混凝土量大于大管桩。本工程钢管桩现浇钢筋砼桩芯底标高为-9.5米，大管桩现浇钢筋砼桩芯底标高 为+0.26米（前轨）、+0.16米（后轨）、+0.46米（中间）。钢管桩桩芯混凝土长度远大于大管桩。

（4）后期维护费用钢管桩远大于大管桩。钢管桩需做防腐处理，大多采用牺牲阳极保护法，因施工、丢失或其他原因，每隔几年均须重新检查补换，对阳极块进行检查、补换时，因安全需要码头一般都会停止使用，因此产生的维护费用及因停止运营的损失费用较高，而大管桩基本不用做防腐处理。

12对不良地质的适应性

钢管桩对不良地质的适应性优于大管桩。

由于本地区地质条件较复杂，地层结构中存在软弱夹层粉质、砂质粘土层，基槽换填砂并振冲密实（N≥15），加上地层原有的砾砂层，沉桩过程中，第1～3段钢管桩沉桩较顺利，基本达到设计的桩底标高，且贯入度均满足设计要求。但是第4～7段大管桩沉桩施工却遇到了困难。

施打大管桩时，出现了一根沉桩过程断桩、一根桩顶严重破碎、多根达不到设计标高的情况。由于大管桩穿透硬砂层的能力较弱，实际施工中有46%的桩底标高高于设计标高3米以上，其中相对较大的有5根。经设计单位验算确认，对其中两根桩采取了桩内钻孔灌注桩补强措施。断桩桩位改用Ф1200钢管桩替代。桩顶破碎的桩经第二次桩顶修补好后再次沉桩又发生桩顶破碎，而该桩仅入土深度不能满足设计要求，后经业主和设计协商，该桩在设计桩顶位置截除，在其旁边补打1根Ф1200钢管桩加强。

13小结

钢管桩、大管桩为高桩结构港口水工建筑物中运用最广泛的两种基础，其二者各具特点，可根据工程特点和建设需要选用。

（1）桩基受力形式：钢管桩一般须设一对叉桩以承受水平荷载，大管桩可依靠自身抗弯能力承受水平荷载而设全直桩。

（2）沉桩施工参数：钢管桩有效施工日效率明显高于大管桩。钢管桩锤击数略少于大管桩。钢管桩穿透能力远大于大管桩，相近地质情况钢管桩打得比大管桩深。不过近年来研发的钢桩靴或钢管桩-大管桩组合桩增强了大管桩的土层穿透能力。钢管桩收锤贯入度小于大管桩。

（3）承载能力及恢复系数：钢管桩、大管桩都能达到设计承载能力，钢管桩承载能力恢复系数小于大管桩，钢管桩侧摩阻力占管桩承载能力比例较大，大管桩不明显。

（4）适用情况：钢管桩适应能力强于大管桩。钢管桩对桩锤、桩垫、施工环境等要求低于大管桩，对地质条件变化的敏感度也低于大管桩，必要的时候钢管桩可成为大管桩的

补救措施。大管桩在施工过程不可预料因素较多，其确定性不如钢管桩，对地质条件差、工期要求高的项目宜优先选用钢管桩。

（5）后期维护：钢管桩必须做防腐处理，且防腐效果受施工工艺、所处环境、使用情况影响较大；大管桩基本不用做防腐处理，耐久性好。

（6）经济效益：钢管桩大管桩施工及维护费用远低于钢管桩，经济效益显著。