钢管桩桩尖在码头工程中的应用

钢管桩桩尖在码头工程中的应用
作者：黄湛勇
来源：《珠江水运》2015年第07期
摘要：桩基础是一种传统古老的基础型式，但其在建筑施工过程中扮演的角色非常重要，是一种发展迅速，生命力很强的施工型式。

文章结合实践经验对钢管桩桩尖在码头工程中的应用情况进行探讨，从而提出解决工程问题的看法与建议，为码头工程采用钢管桩桩尖施工的工作人员提供一定的参考依据。

关键词：桩基础钢管桩码头工程
近几年，随着我国贸易往来的增多，对港口码头的需求增大，钢管桩得到广泛应用，其得天独厚的优势为我国码头工程作出了重要贡献。

1.钢管桩设计要素
1.1桩承载力
施工前，了解桩承载力是基本要求，是桩基结构的基本参数，也是其最重要的参数。

桩承载力不仅包括桩与地基相互作用的承载力，也包括桩身材料的承载力，进行桩基工程施工时，必须了解桩基承载力才能正确设计桩结构。

码头实际施工中，根据公式确定桩基本承载力后，施工前首先进行试桩，以此作为沉桩终锤标准，能保证工程质量。

桩承载力公式为：
1.2桩身结构设计
钢管桩的桩身结构设计主要是其所能承受的弯压组合，根据材料力学方法，验算桩身材料力学。

保证允许应力法与其对应，码头工程对钢材强度的要求较高，按照港口工程规范，严格调整其强度设计值，使其满足施工要求。

1.3材质选择
钢管桩的钢材一般选用Q235、16Mn、15MnV钢，钢管桩对承载力的要求较高，其一定要满足港口码头高强度的运输需求，因此其承载力必须大，锰钢强度设计值与Q235相比，其强度设计值大，采用锰钢较为经济；市场上出现的耐腐蚀的钢材较为昂贵，就其经济性而言，采用防腐蚀性能普通的钢种最合适。

1.4压屈皱问题
使用过程中钢管桩顶与上部结构之间相互连接，发生屈皱现象的机率很小，最容易出现的是锤击沉桩的时候。

根据《港口工程桩基规范》要求，钢管桩打入持力层过程中，如果沉桩遇到一定的困难，桩外径与壁厚的比例控制在70以内最宜。

这是由我国码头工程实际调查和经验总结中得出，能有效地避免沉桩时带来的屈皱问题。

容易出现屈皱问题的还有一种状态，即静载试桩状态。

随着码头的大量使用，对大直径钢管桩设计桩力要求很高，其极限承载力高达10000KN。

做桩极限承载力试验时，要加载到桩破坏状态前或出现不适于承载变形的状态，其加荷量大于检验性试验，由此看来，静载试桩阶段，桩基受到的轴向荷载最大。

试桩时候，试验桩桩顶水平没有足够的约束力，容易出现压屈现象。

因此，采取一定的辅助设施，将试验桩侧向位移限制在一定范围内，提高其抗屈皱能力。

1.5桩顶锚固措施
最难分析的是桩顶锚固受力，绞接结构构造极其复杂，桩顶容易出现腐蚀现象，施工难度大，因此，固结设计使用较为广泛。

桩顶与上部结构的固结采用的钢管桩嵌入上部结构及钢筋伸入上部结构等方式，根据桩顶承受的弯矩、剪应力，验算其承载力。

1.6防腐蚀设计
加强钢管桩抗腐蚀性，使用最多的方法是预留腐蚀裕量厚度、防腐涂层和水下阴极保护等，通过判断各个区域的抗腐蚀能力，采用适当的防腐措施进行防腐工作。

增加预留腐蚀厚度是其中最为简便的方法，由于码头工程桩基结构承载要求高，需要较厚的壁厚，一般投入使用的时间较长，采用此种方法钢管桩壁厚增加，厚板供应困难，其耗钢量大，因此不满足经济要求，采用多种防腐措施，能起到减少腐蚀钢材厚度的情况发生。

对于水下腐蚀区域，由于常年受水侵蚀，其对抗腐蚀的要求更好，因此一般采用阴极保护或涂层与阴极保护联合的方式，增加其抗腐蚀性。

2.钢管桩常见桩尖类型
随着港口码头的大量使用，码头的前沿水深及装卸设备荷载要求也越来越大，其荷载必须满足要求，才能保证运输的顺利进行。

码头前方承台的大直径管桩取代传统预应力混凝土桩，其必须具备穿透力强、耐锤击性强等要求。

布置钢管桩基基础时，基桩的桩长及桩径必须合理选择，发挥其最大桩力。

钢管桩桩尖的闭塞效应使得其容易受天气、地质条件及沉桩能力影响，使得其设计不易把握，容易因为钢桩过长，投资资金增加，或者钢桩过短，承载力太小等情况影响。

国内外关于大直径钢管桩使用不同桩尖之后引起闭塞效应的相关研究不多，通过静载试桩分析其闭塞效应的研究更少。

随着钢管桩应用范围的扩大，地质条件更加复杂，难以预计。

实验证明，采用半封闭桩尖的沉桩实施起来较为困难，软硬交错的土层中，开口型桩尖的弊端是，打桩过程稍不注意，容易穿过透硬层。

常使用的桩尖类型如图1所示：
3.实际案例试桩结果分析
本研究结合某市某码头工程，其钢管桩基础码头增多，码头地质结构最早首层为浅层砂层，其次为粘土及粉质粘土，最后一层为深层砂层，目前地质结构发展成粘土夹砂或粉质粘土夹砂，直至最后发展成更深的砂层。

对其港北港池集装箱码头5#-7#泊位直径的1.2m钢管桩进行静载试桩试验，将桩尖型式优化设计之后，对钢管桩采用不用型式的桩尖进行穿透力试验，研究入土深度不同，钢管桩的承载能力及半封闭桩尖的闭塞情况，为此总结出最合适的桩尖型式，满足施工要求，为钢管桩桩尖的广泛使用提供重要依据。

开口桩尖类型的钢管桩，其桩身长、锤击数高、施工工期长；十字型半封闭桩尖其闭塞效应差别大，有些锤击数低、承载力要求不满意施工要求。

根据本码头实际情况，结合当前最常使用的桩尖结构型式，采用新型六瓣型桩尖和管型开口桩尖，通过一系列静载试验后得知，其闭塞效应得以提高，打桩难度并没有增加，在其安全性得到一定保障的前提下，缩短工期，提高工作效率。

本次采用的桩尖型式如图2所示：
本次新型桩尖静载试验中，S-1采用的管型开口桩尖直径为1.2m，桩底高-42.0m，锤击数为1910击，通过静载试验得知单桩极限承载力为19268kN，桩侧阻力为11922.63kN，桩端阻力为7344.32kN，通过计算得知，桩端为闭塞状态。

S-2采用的开口桩尖直径为1.2m，桩底高-57.0m，锤击数为3049击，通过静载试验得知单桩极限承载力为18554kN，桩侧阻力为17472.5kN，桩端阻力为1081.54kN，其闭塞系数通过计算约为15%。

S-1试桩不考虑增加桩尖材料用量，其总锤击减少1136击，单桩承载力得以提高，提高20%。

从经济效益角度分析，取得的成果较为显著。

静荷载试验中，六瓣型桩尖的直径为1.0m，锚桩桩底高程为-47.0m，锤击数为1270击，单桩极限承载力为12876kN，其锤击能量小，摩阻力大，锤击次数及承载力都偏小。

综合上述可知，地质条件一致的情况下，直径1.2m的管型开口桩尖效果良好，适宜本码头使用。

经过桩基承载力试验，满足设计要求，将其优化之后，钢材用量减少2380t，节省投资金额705万元，不仅提高工程经济效益，更为新型桩尖的推广起到一定的借鉴作用。

4.结束语
随着港口运输的发展，钢管桩桩尖以其优势在码头工程中发挥的作用越来越大。

笔者对钢管桩设计要素加以分析，包括桩承载力、桩身结构设计、材质选择、压屈皱问题、桩顶锚固措施及防腐蚀设计等。

总结钢管桩桩尖常见类型，结合实际案例，通过某市某码头工程中采用的新型六瓣型桩尖和管型开口桩尖两种桩尖，对其进行承载能力分析之后，得知管型开口桩尖更适合本码头采用，为节省打桩时间，保证工程如期完成提供了重要的参考价值。

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