大直徑鋼圓筒振動(dòng)下沉可行性分析方法

胥新偉，劉亞平，高潮

大直徑鋼圓筒振動(dòng)下沉可行性分析方法

胥新偉1，劉亞平2，高潮1

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津300461）

港珠澳大橋東、西人工島島壁結(jié)構(gòu)采用直徑22 m的鋼圓筒圍堰構(gòu)成，通過APE600振動(dòng)錘組振沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。為確定鋼圓筒振動(dòng)下沉的可行性，將鋼圓筒視為樁并劃分為單元，確定樁側(cè)動(dòng)摩阻力與樁身振動(dòng)加速度之間的關(guān)系，計(jì)算得到不同入土深度位置的樁側(cè)振動(dòng)加速度，同時(shí)考慮應(yīng)力波在樁身的傳遞，最終獲得樁在不同時(shí)刻的動(dòng)摩阻力，并通過樁端單元的振動(dòng)加速度計(jì)算得到樁端最大振幅，當(dāng)振動(dòng)錘激振力能夠克服樁側(cè)動(dòng)摩阻力及端阻力，且樁端產(chǎn)生的最大振幅大于土體處于彈性階段的最大位移時(shí)樁可繼續(xù)下沉。

鋼圓筒；振動(dòng)下沉；可行性分析；振動(dòng)錘；波動(dòng)方程；動(dòng)土阻力

0　引言

港珠澳大橋東、西人工島島壁結(jié)構(gòu)采用直徑22 m的鋼圓筒圍堰構(gòu)成，通過APE600液壓振動(dòng)錘組成的振動(dòng)錘組振動(dòng)下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。文獻(xiàn)[1]通過日本經(jīng)驗(yàn)公式、法國(guó)PTC經(jīng)驗(yàn)公式、美國(guó)ICE經(jīng)驗(yàn)公式、壓樁系數(shù)法、波動(dòng)方程等多種計(jì)算方法對(duì)鋼圓筒振動(dòng)下沉可行性進(jìn)行分析，最終確定8臺(tái)APE600振動(dòng)錘可滿足工程需要，并在工程應(yīng)用中得到驗(yàn)證。

日本經(jīng)驗(yàn)公式認(rèn)為樁側(cè)動(dòng)摩阻力與樁身振動(dòng)加速度有關(guān)，同時(shí)樁身振動(dòng)加速度在振動(dòng)荷載作用下恒定不變。本文在日本經(jīng)驗(yàn)公式基礎(chǔ)上，認(rèn)為振動(dòng)沉樁過程中由于樁周動(dòng)摩阻力的影響，樁身振動(dòng)加速度隨著入土深度的增加而逐漸減小，動(dòng)摩阻力隨著入土深度的增加而逐漸增大，當(dāng)振動(dòng)錘激振力能夠克服樁側(cè)動(dòng)摩阻力及端阻力，同時(shí)樁端產(chǎn)生的最大振幅能夠克服土處于彈性階段的最大位移后樁可繼續(xù)下沉。

1　樁側(cè)動(dòng)摩阻力計(jì)算

在日本經(jīng)驗(yàn)公式基礎(chǔ)上，將樁進(jìn)行單元?jiǎng)澐?。假設(shè)采用振動(dòng)錘將長(zhǎng)為L(zhǎng)的樁沉入土中，入土深度為Z，將樁劃分為n個(gè)長(zhǎng)度為ΔL的單元組成的模型，如圖1所示。

圖1　振動(dòng)沉樁計(jì)算模型Fig.1 Calculation model of the pile installed by vibratory system

振動(dòng)沉樁過程中，激振力F實(shí)際是隨著時(shí)間變化的正弦函數(shù)，振動(dòng)錘激振力的表達(dá)方式為：

式中：Qsi為單元i承擔(dān)的靜摩阻力，kN。

2　樁端振幅驗(yàn)算

樁側(cè)若產(chǎn)生土體液化，進(jìn)而由極限靜摩阻力轉(zhuǎn)化為動(dòng)摩阻力，則樁身在振動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生的最大位移必須克服土體處于彈性階段中的最大位移，否則振幅較小，樁身無法擺脫土壤，就不會(huì)有動(dòng)摩阻力的產(chǎn)生[2-3]。

樁在振動(dòng)下沉過程中，首先要將樁端附近的土壤液化，將樁端極限靜阻力轉(zhuǎn)化為動(dòng)阻力，因此需要對(duì)樁端所產(chǎn)生的最大振幅進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)式（3），可以求得任一時(shí)刻樁端所產(chǎn)生的加速度比ηn，在某一時(shí)刻可以使其達(dá)到最大，得到ηnmax。假設(shè)樁端單元n在周期荷載的作用下發(fā)生簡(jiǎn)諧振動(dòng)，則振動(dòng)過程中能產(chǎn)生的最大位移計(jì)算公式如下：

式中：An為樁底部編號(hào)為n的單元所產(chǎn)生的最大振幅，m；anmax為樁底部編號(hào)為n的單元所產(chǎn)生的最大振動(dòng)加速度，m/s2；f為鋼管樁或鋼圓筒振動(dòng)主頻率，Hz。

3　港珠澳大橋鋼圓筒算例

分別對(duì)東、西人工島選取2個(gè)土質(zhì)相對(duì)較好，承載力相對(duì)較高的鉆孔資料進(jìn)行分析。對(duì)東、西人工島鋼圓筒振動(dòng)下沉可行性進(jìn)行計(jì)算如表1~表3，得到的振動(dòng)加速度分布及摩阻力降低系數(shù)分布見圖2~圖3。

表1　振動(dòng)錘計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculation parameter of the vibrate hammer

表2　鋼圓筒計(jì)算參數(shù)Calculation parameter of the steel caissons

表3　計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation result

圖2　東人工島μ隨入土深度變化曲線Fig.2 Distribution ofμalong the steel caisson in theeast artificial island

圖3　西人工島μ隨入土深度變化曲線Fig.3 Distribution of μ along the steel caisson in the west artificial island

實(shí)際工程中，東人工島鋼圓筒振沉施工過程比西人工島困難，自沉完成后振動(dòng)下沉所需時(shí)間較長(zhǎng)。西人工島位置的土阻力相對(duì)較差，鋼圓筒在自沉完成后很容易振沉到位，振沉?xí)r間短的僅需十幾分鐘便可至設(shè)計(jì)筒底高程。

4　結(jié)語

港珠澳大橋島隧工程采用美國(guó)APE600液壓振動(dòng)錘8錘聯(lián)動(dòng)工藝，經(jīng)過工程實(shí)際驗(yàn)證，東、西人工島鋼圓筒均順利振沉到位。但實(shí)際上由于計(jì)算理論不完善，鋼圓筒振動(dòng)下沉主要還是依靠經(jīng)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)公式來估計(jì)鋼圓筒所承受的動(dòng)土阻力。

改進(jìn)后的計(jì)算公式認(rèn)為樁在動(dòng)摩阻力的影響下，樁身振動(dòng)加速度隨著入土深度的增加逐漸減小。通過對(duì)樁身劃分單元，求得不同單元?jiǎng)幽ψ枇﹄S時(shí)間的變化，匯總單元?jiǎng)幽ψ枇梢缘玫綐兜目倓?dòng)摩阻力隨時(shí)間的變化。樁受到動(dòng)摩阻力的影響，樁身的振幅隨著入土深度的增加逐漸減小。假設(shè)樁端的振動(dòng)為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其振幅受到樁端單元振動(dòng)加速度以及振動(dòng)頻率的影響。

在進(jìn)行振動(dòng)沉樁可行性計(jì)算過程中，樁靜土阻力計(jì)算的準(zhǔn)確性也是尤為重要，因此需要獲得盡可能準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，同時(shí)在計(jì)算樁的靜土阻力過程中需要考慮鋼圓筒與鋼管樁的不同，對(duì)鋼圓筒內(nèi)側(cè)摩阻力進(jìn)行合理的估計(jì)[4-5]，同時(shí)需要判斷是否存在土塞效應(yīng)及擠土效應(yīng)。

[1]胥新偉，劉亞平，黎雙邵.大直徑鋼圓筒振沉計(jì)算方法[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2014（10）：14-16. XU Xin-wei,LIU Ya-ping,LIShuang-shao.Calculatingmethod for vibro-sinking large diameter steel caissons[J].China Harbour Engineering,2014(10):14-16.

[2]張捷.沉入式大圓筒下沉過程數(shù)值模擬[D].天津：天津大學(xué)，2009：1-6. ZHANG Jie.The numericalmodeling of embedded large-diameter cylinder[D].Tianjin:Tianjin University,2009:1-6.

[3]汪金衛(wèi)，陳福全，簡(jiǎn)洪鈺.高頻液壓振動(dòng)錘打樁的可打入性分析模型[J].福建工程學(xué)院學(xué)報(bào).2009，7（1）：9-15. WANG Jin-wei,CHEN Fu-quan,JIAN Hong-yu.Themodels for vibratory driveability of piles by vibratory hammer[J].Journal of Fujian University of Technology,2009,7(1):9-15.

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[5]滕云楠，李小彭，楊鐸，等.基于振動(dòng)沉樁機(jī)的振動(dòng)摩擦系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，31（7）：10-15. TENGYun-nan,LIXiao-peng,YANGDuo,etal.Dynamic analysis ofvibration-friction system on a vibrating pile driver[J].Journalof Northerneastern University:Nature Science,2010,31(7):10-15.

Feasibility analyzing method of vibration sinking of large diameter steel caissons

XU Xin-wei1,LIU Ya-ping2,GAO Chao1
（1.CCCCTianjin PortEngineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China; 2.CCCCFirstHarbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China）

The eastand westartificial islandsof Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge projectwere formed by 22m diameter steel caissonswhich were installed to design evaluation by vibratory system consistof APE600 vibratory pile driver.To determine the feasibility of steel caisson vibration sinking,we divided the caisson into small units as a pile,determined the relationship between the friction and acceleration of the pile,and calculated the accelerations and dynamic friction ofdifferentunit.And the resistance of the pile in different time and themax amplitude at the end of the pile could be obtained.As the exciting force of the vibratory system was greater than the summary ofdynamic friction force and resistanceat the bottom of the caisson,and the max amplitude at the bottom of the caisson was greater than the elastic disp lacement of the soil,the pile could continue to sinking.

steel caisson；vibration sinking；feasibility analyzing;vibratory hammer;wave equation;resistance of soil

U655.553；TU473.2

A

2095-7874（2016）04-0009-03

10.7640/zggw js201604003

2015-11-11

國(guó)家支撐計(jì)劃課題項(xiàng)目（2011BAG07B02）

胥新偉（1981—），男，河北張家口人，碩士，工程師，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)。E-mail：xxw.350@163.com