大直徑超長(zhǎng)管樁打樁過程中土塞性狀研究

李 颯，尹蔣松，賈志遠(yuǎn)，張樹德，康思偉，孫振平

(1. 天津大學(xué) 建工學(xué)院巖土所，天津 300350；2. 中海油上海分公司，上海 200032)

大直徑超長(zhǎng)管樁打樁過程中土塞性狀研究

李 颯1，尹蔣松1，賈志遠(yuǎn)1，張樹德2，康思偉2，孫振平2

(1. 天津大學(xué) 建工學(xué)院巖土所，天津 300350；2. 中海油上海分公司，上海 200032)

大直徑超長(zhǎng)樁的可打入分析是海洋平臺(tái)打樁施工順利進(jìn)行的重要保障，土塞是否閉合的判斷對(duì)于樁基可打入性分析具有較大的影響，因此，合理準(zhǔn)確的土塞判斷結(jié)果對(duì)提高樁的可打入分析的準(zhǔn)確性具有重要的意義。以現(xiàn)場(chǎng)靜力觸探(CPTU)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用孔擴(kuò)張理論推導(dǎo)了基于CPTU測(cè)試結(jié)果的樁端土的極限承載力計(jì)算公式；在求解樁端土體承載力時(shí)考慮了管樁與土體的剛度差異，同時(shí)考慮到打樁過程中的土體擾動(dòng)。采用Randolph推薦的方法得到了土塞阻力，將兩者進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷土塞的狀態(tài)。通過實(shí)際工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)各個(gè)土層的土塞狀況進(jìn)行了判別，并根據(jù)判別情況采用波動(dòng)方程的方法對(duì)樁基的可打入性進(jìn)行了分析，將預(yù)測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)的打樁記錄進(jìn)行了比較。計(jì)算結(jié)果顯示，提出的方法與實(shí)測(cè)結(jié)果更為接近，有效地提高了樁的可打入性的預(yù)測(cè)精度。

土塞；靜力觸探；大直徑超長(zhǎng)樁；可打入分析；極限承載力

Abstract: Open-ended pipe piles are often used in offshore engineering. The drivability of large diameter and deep penetration piles is an important problem that many people are concerned with in practice, and is related to the response of the soil plug inside a pipe pile during pile driving. In this paper, firstly, the results of cone penetration test (CPTU) is used to evaluate the bearing capacity of soil based on cavity expansion theory. Secondly, the frictional capacity of soil plug is calculated by the method proposed by Randolph. Finally, the soil bearing capacity is compared with plug capacity to decide whether the soil plug formed inside the piles is plugged or unplugged. According to the data from filed measurement, the soil plug state is evaluated by this method. The results show that it is in accordance with the actual situation.

Keywords: soil plug; CPTU; large diameter and deep penetration pile; pile drivability; ultimate bearing capacity

隨著海洋資源向深海的開發(fā)，大直徑超長(zhǎng)管樁越來越多地投入使用之中。對(duì)于大直徑超長(zhǎng)樁的定義，在《JGJ 94-2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[1]中將直徑大于800 mm的樁定義為大直徑樁，至于超長(zhǎng)樁，目前還未有明確的定義，有的以入泥深度(50 m、60 m)判別，有的以長(zhǎng)細(xì)比(>60)判別[2-3]。在開口樁打入過程中，土體大量涌入樁管內(nèi)，形成土塞。打樁過程中土塞性狀(打樁過程中土塞是否發(fā)生了閉合)對(duì)于樁的可打入分析影響非常大，對(duì)于土塞是否閉合的不同判斷可能會(huì)得到打樁順利和拒錘兩種截然相反的結(jié)果。可見，研究土塞性狀對(duì)于樁的可打入性分析具有重要的影響[4-5]。

20世紀(jì)60年代，國(guó)內(nèi)外便已經(jīng)開始了研究土塞效應(yīng)對(duì)于樁的可打入性的影響。KISHIDA最先通過監(jiān)測(cè)不同直徑中管樁的土塞性狀，并與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比提出，與在黏土層和粉土層中相比，在砂土層中由于土塞的存在，土阻力有顯著的增加[6]。Paik等[7]、Lehane等[8]、Bruce等[9]指出土塞長(zhǎng)度、土塞增量填充率IFR可作為評(píng)價(jià)土塞性狀的指標(biāo)，而IFR與砂土密實(shí)度相關(guān)。李樂銘等[10]提出小直徑鋼管樁(<600 mm)由于閉塞效應(yīng)強(qiáng)可看做閉口樁。但是對(duì)于大直徑開口鋼管樁只在樁端存在明顯的土塞效應(yīng)，且鋼管樁內(nèi)的側(cè)摩阻一般相當(dāng)于外摩阻的30%～50%。宰金璋等[11]總結(jié)出土塞長(zhǎng)度的影響因素主要有土性，樁徑和打樁深度等，且樁徑越大，樁內(nèi)土塞高度越高。Henke等[12]研究了在靜壓、沖擊、振動(dòng)3種打樁方式下土塞機(jī)制，發(fā)現(xiàn)與沖擊樁和振動(dòng)樁相比，靜壓樁形成土塞的可能性更大?？傊?，現(xiàn)有研究表明，影響土塞性狀的因素主要包括，土性，樁基的幾何特征，成樁方法等諸多因素[13]。

目前常用的判斷打樁過程中土塞是否閉合的方法分為兩類：一類是基于內(nèi)部剪切波的判斷方法，Dean等[14]提出軸向壓力波在開口樁中沿鋼管樁樁壁傳遞并且在傳遞至含有內(nèi)部土的區(qū)域產(chǎn)生了徑向的剪切波，以此提出在硬土中的樁-土相互作用關(guān)系。另一類是基于土塞端阻力和慣性力的方法。這一類方法又分為兩種情況，一種是動(dòng)力條件即考慮打樁過程中慣性力的作用，Stevens[15]通過引入慣性力提出在動(dòng)態(tài)情況下依據(jù)靜力平衡分析判斷土塞產(chǎn)生可能性的方法；另一種情況是靜力條件即基于靜力平衡分析樁的土塞性狀判斷方法，主要有山原法、田島法、小泉法、閆澍旺法等[16-17]。由于目前各種方法的準(zhǔn)確性都有其局限性，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)人員需要根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行判斷，因此對(duì)海上項(xiàng)目造成了一定的影響。

隨著海上測(cè)試技術(shù)的提高，靜力觸探方法(CPTU)被廣泛應(yīng)用于海洋工程地質(zhì)勘查。CPTU方法是一種原位測(cè)試方法，與傳統(tǒng)的采用某一參數(shù)描述整個(gè)土層的性質(zhì)相比，CPTU方法的精度大大提高。同時(shí)其測(cè)試過程自動(dòng)化程度高、對(duì)土體擾動(dòng)小、再現(xiàn)性好，重復(fù)性誤差小[18]。測(cè)試結(jié)果具有非常廣闊的應(yīng)用前景，目前已經(jīng)被應(yīng)用于樁基承載力計(jì)算，砂土液化判別等多個(gè)領(lǐng)域。鑒于CPTU方法的以上種種優(yōu)點(diǎn)，基于CPTU的測(cè)試結(jié)果，采用孔擴(kuò)張理論，對(duì)土塞的判別方法進(jìn)行了探討。

1 目前常用的土塞判斷方法

圖1 管樁內(nèi)土塞受力情況Fig. 1 Illustration of vertical forces acting on the soil plug

關(guān)于土塞閉塞效應(yīng)的理論判斷方法目前主要基于靜力平衡法，也就是不考慮慣性力。其中比較常用的有山原法[16]以及改進(jìn)的靜力平衡法[17]?；驹矶际且怨軜秲?nèi)的土塞作為受力分析對(duì)象，通過計(jì)算土塞與管壁的總內(nèi)摩阻力F以及土塞自重G兩者相加形成的土塞阻力P，再與樁端土體的極限承載力Q進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示。即：

若P(F+G)≥Q形成土塞；PF+G

用于計(jì)算土塞阻力P的方法目前常用的是山原法，山原法提出如果管樁所穿越的土層為成層狀土?xí)r，則管內(nèi)土芯一般也是成層狀的， 若第n層為砂類土?xí)r，則

若第n層為黏性土?xí)r，則

式中：pxn，pxn-1分別為第n層和第n-1層的垂直壓應(yīng)力，kPa；γn為第n層土的容重，kN/m3；μn為砂土與管壁的摩擦系數(shù)；A0為管內(nèi)橫截面積，m2；Kn為第n層土的側(cè)向壓力系數(shù)；U為管內(nèi)周長(zhǎng)，m；xn-1，xn分別為土塞中自土塞頂面到第n土層上、下層面的距離；cn為第n層土的黏著力，kN/m2。

當(dāng)土塞閉塞率(PLR)為1時(shí)，土塞阻力P=pxnA0。用于計(jì)算Q的方法，目前常采用的是太沙基或梅耶霍夫承載力公式。其中，太沙基認(rèn)為圓形墩式深基礎(chǔ)底部的極限承載力表達(dá)式[18]：

式中：c為土的黏聚力，γ'為基底以上土的容重，D為基礎(chǔ)的埋深即打樁深度z，R為圓形基礎(chǔ)的半徑即管樁外半徑，Nc、Nq、Nγ為僅與內(nèi)摩擦角φ相關(guān)的承載力系數(shù)，可通過查表得到。則樁端土體極限承載力為Q=quA。

2 土塞判別方法的改進(jìn)

不考慮慣性力的靜力平衡分析法關(guān)鍵在于合理確定土塞阻力P以及土體承載力Q，關(guān)于管樁土塞阻力P的計(jì)算這里采用Randolph等提出的方法，而土體承載力Q的計(jì)算將采用CPTU的測(cè)試結(jié)果確定。

2.1土體承載力的計(jì)算方法

管樁樁端土體極限承載力Q的計(jì)算根據(jù)CPTU的測(cè)試結(jié)果確定。太沙基的方法在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，選用的是土層參數(shù)，而每個(gè)土層的土體參數(shù)只有一個(gè)。CPTU方法計(jì)算時(shí)采用的是計(jì)算點(diǎn)處的參數(shù)，這也是CPTU方法的優(yōu)勢(shì)所在，即可以對(duì)土體進(jìn)行更加準(zhǔn)確的評(píng)估。在這里，采用孔擴(kuò)張理論求解樁端土體極限承載力問題。計(jì)算簡(jiǎn)圖如2所示，圖中豎向壓力下樁端土體的球型小孔周圍形成了塑性區(qū)，塑性區(qū)外則是彈性區(qū)。

圖2 球孔擴(kuò)張及探頭受力示意Fig. 2 Spherical cavity expansion & proposed stresses acting on cone

球孔擴(kuò)張的應(yīng)力平衡方程為：

在砂土中由摩爾-庫倫屈服條件，有σr-σθ=σr+σθsinφ。

結(jié)合式(4)和摩爾-庫倫屈服條件以及邊界條件σrr=Ru=pu可得到

式中：σr，σθ為徑向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力，r為任一點(diǎn)到孔中心的距離，φ為土的內(nèi)摩擦角，Ru為塑性區(qū)半徑，pu為極限擴(kuò)孔壓力。

在球形擴(kuò)孔外圍的塑性區(qū)，有

式中：σ0為八面體正應(yīng)力，且有邊界條件σ0r=Rp=p0。結(jié)合式(5)、式(6)以及摩爾-庫倫屈服條件可得到

由式(8)和式(9)可以看出，Δ和Irr的數(shù)值對(duì)于相同的土體和初始應(yīng)力場(chǎng)是不變的。因此是可以將圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)在貫入過程類比為單樁打入土體過程中樁端球孔半徑從零增大至管樁或探頭的半徑。根據(jù)破壞時(shí)樁靴和探頭上力的平衡可以得到

樁端：

探頭：

式中：σn即為極限擴(kuò)孔壓力pu，qt為修正的錐尖阻力，qb為樁端的承載力。

式中：qc，u為測(cè)量的錐尖阻力和孔壓；η為探頭面積修正系數(shù)，在海洋CPTU中，采用的探頭η=0.75。

結(jié)合式(10)、(11)以及簡(jiǎn)圖2，通過豎向受力分析可以得到以下關(guān)系式：

由此可以看到，當(dāng)樁尺寸、探頭規(guī)格明確后，樁端土體極限承載力承載力和土體的摩擦角有關(guān)。上式可以寫成如下形式

確定上述A值，目前我國(guó)使用的海洋CPTU探頭規(guī)格，即探頭頂角α=60°、圓錐底面積為10 cm2、側(cè)壁摩擦筒表面積為150 cm2的探頭。可得，

對(duì)于開口管樁而言，樁端受力面積由內(nèi)部土塞圓與外部鋼樁圓環(huán)兩部分組成。由于兩者的剛度存在明顯的差異，所以在樁端底面的應(yīng)力分布并不均勻。應(yīng)力在樁端底部會(huì)存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象[20]。兩者應(yīng)力比采用下式表示[21-22]：

其中，qann為樁環(huán)端部應(yīng)力；qc為CPTU試驗(yàn)樁端阻力；D為樁外徑；pa為大氣壓力，100 kPa；δbase為樁端全位移，包括土塞壓縮以及樁端沉降，文中取δbase/D=0.1計(jì)算qann/qc比值。

樁端承載力qb、樁環(huán)端部應(yīng)力qann以及樁端土塞應(yīng)力qplug的關(guān)系式：

考慮到打樁過程中對(duì)周圍土體的擾動(dòng)，引入動(dòng)力效應(yīng)系數(shù)λ，如表1[23]所示，再結(jié)合式(10)～式(17)，可得到管樁端部土體的極限承載力關(guān)系式：

表1 動(dòng)力效應(yīng)系數(shù)λ推薦值Tab. 1 Recommended values of dynamic effect coefficients

2.2土塞阻力P的計(jì)算

土塞阻力P由土塞自重G以及土塞與樁壁的摩阻力F組成。對(duì)于F的求解，采用了Randolph等人提出的計(jì)算方法[24]。這種方法目前被廣泛應(yīng)用于土塞性狀判別和開口管樁承載力的計(jì)算[25-29]。如圖3所示，內(nèi)徑為d長(zhǎng)l的管樁內(nèi)存在高h(yuǎn)的土塞，假設(shè)樁內(nèi)的平均剪應(yīng)力為τi，土塞底部的承載力為qb。在推導(dǎo)F的過程中，Randolph假設(shè)土芯為彈性體，并從具有土芯的樁身部分截取厚dz的微分體，如圖3所示，通過對(duì)土塞的豎向受力分析建立以下關(guān)系式：

圖3 土塞切片的應(yīng)力分析 以及A點(diǎn)的應(yīng)力莫爾圓Fig. 3 Equilibrium of horizontal slice of soil & Mohr’s circle of stress for one point of soil slice

β的取值取決于土塞所受到的水平與豎向有效應(yīng)力的比值，Nicola等人提出β的取值與側(cè)向壓力系數(shù)K以及δ相關(guān)，具體關(guān)系式表示為[21]：

結(jié)合式(19)和式(20)，可以得到土塞阻力P關(guān)系表達(dá)式：

式中：β的取值參照式(21)取均值。

3 實(shí)例驗(yàn)證

根據(jù)以上提出的理論分析方法，結(jié)合工程實(shí)例對(duì)上文提出的利用CPTU試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算樁端土體極限承載力從而判斷土塞的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

選擇某海域以砂土場(chǎng)地為主的采油平臺(tái)的插樁情況進(jìn)行計(jì)算分析。分別采用傳統(tǒng)方法山原法以及本文提出的土塞判斷方法對(duì)插樁過程中是否產(chǎn)生土塞進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果進(jìn)行對(duì)此。

土層分布和物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

表2 土層分布和物理力學(xué)指標(biāo)Tab. 2 The soil distribution and the physical and mechanical parameters

傳統(tǒng)計(jì)算方法這里采用山原法式(1)計(jì)算土塞阻力P與太沙基承載力式(3)計(jì)算樁端土體承載力Q。傳統(tǒng)方法與本文提出的CPTU計(jì)算承載力方法結(jié)果比較如圖4(a)、(b)和表3所示。

表3 土塞判斷計(jì)算結(jié)果Tab. 3 The prediction of soil plug

由圖4(a)、(b)和表3可以判斷出依據(jù)傳統(tǒng)方法土塞判斷計(jì)算結(jié)果在71～76.3 m區(qū)間，Randolph法計(jì)算結(jié)果土塞阻力P是小于太沙基承載力Q的，即該地層并未產(chǎn)生土塞。而依據(jù)本文提出的CPTU試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算承載力的方法得到的樁端土塞承載力Q大于Randolph計(jì)算所得土塞阻力P，即產(chǎn)生了土塞。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，兩者的計(jì)算結(jié)果在數(shù)值上存在較大的差異，這主要是因?yàn)?，?jì)算土塞阻力P的公式里，山原法中土塞阻力P與打樁貫入深度之間呈近似指數(shù)關(guān)系，Randolph法中，在不排水條件下P與打樁貫入深度平方之間呈近似線性關(guān)系。這兩種方法在深度不大時(shí)計(jì)算結(jié)果相近，隨著深度的增加，兩者的差異逐漸明顯。土體承載力Q的計(jì)算公式中，太沙基方法在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，選用的是土層參數(shù)，而每個(gè)土層的土體參數(shù)只有一個(gè)。CPTU方法計(jì)算時(shí)采用的是計(jì)算點(diǎn)處的參數(shù)，這也是CPTU方法的優(yōu)勢(shì)所在，即可以對(duì)土體進(jìn)行更加細(xì)致，準(zhǔn)確的評(píng)估。

按照不同的判別結(jié)果對(duì)該場(chǎng)地的樁基進(jìn)行打樁預(yù)測(cè)，并將預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)得到的打樁記錄進(jìn)行對(duì)比分析，得到的結(jié)果如圖4(c)所示。

從圖4(c)可以看出，在第8層土即71.0 m之前現(xiàn)有方法算的錘擊數(shù)與改進(jìn)方法相同，與實(shí)測(cè)錘擊數(shù)相近，但是在第8層和第9層砂土層采用本文提出的CPTU計(jì)算判斷結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果更加接近，證明本文提出的方法可以較好的進(jìn)行樁的可打入性分析。

4 結(jié) 語

土塞的性狀對(duì)樁的可打入性分析具有較大的影響，通過研究得到如下結(jié)論：

1) CPTU方法作為一種原位測(cè)試方法，對(duì)土體擾動(dòng)小、精度高，再現(xiàn)性好，重復(fù)性誤差小、其測(cè)試結(jié)果與土的工程性質(zhì)及土類具有顯著的相關(guān)性，可以作為計(jì)算土體承載力的計(jì)算依據(jù)。

2) 樁端管樁剛度與土的剛度存在較大差異,采用樁端環(huán)部與樁端土塞應(yīng)力比考慮應(yīng)力集中的影響；同時(shí)，在采用CPTU的結(jié)果計(jì)算土體承載力進(jìn)行打樁過程中的土塞判別時(shí)，需要考慮打樁過程對(duì)樁周土體的擾動(dòng)。

3) 與現(xiàn)有的采用太沙基承載力公式計(jì)算土體承載力的方法相比，依據(jù)CPTU數(shù)據(jù)進(jìn)行求解能更充分的反映土層的不均勻性，對(duì)打樁過程中土塞的連續(xù)判別，相對(duì)精度更高。利用本文提出的方法，對(duì)打樁過程中的土塞性狀的判斷結(jié)果與實(shí)際情況相符，可以有效的提高樁基可打入性分析的精度。

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Study of influence of soil plug on driving for large diameter and deep penetration pipe piles

LI Sa1, YIN Jiangsong1, JIA Zhiyuan1, ZHANG Shude2, KANG Siwei2, SUN Zhenping2

(1. Geotechnical Institute, Civil Engineering Department, Tianjin University, Tianjin 300350, China; 2. China National Offshore Oil Shanghai Branch, Shanghai 200032, China)

TU43

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.04.010

1005-9865(2017)04-0076-08

2016-11-18

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51239008)；國(guó)家自然科學(xué)基金(51379145)

李 颯(1970-)，女，天津人，博士，教授，主要從事海洋土的工程性質(zhì)、土與結(jié)構(gòu)物相互作用以及海洋工程等方面的研究與教學(xué)工作。E-mail: lisa@tju.edu.cn