PHC鄄鋼管組合樁高應(yīng)變檢測修正方法

王海軍湯 雷官福海胡駿文楊石扣

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇南京 210029;2.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院,江蘇南京 210098)

PHC管樁因其強度高、承載力大、適應(yīng)性強、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點,在國內(nèi)港口和水利工程中的應(yīng)用越來越廣泛[1鄄2]。但是,在一些地質(zhì)條件或樁身較長的情況下,PHC管樁即使配鋼樁靴仍然無法穿透堅硬夾層,導(dǎo)致斷樁、爆頭等而無法沉樁到設(shè)計標(biāo)高[3鄄5]。為解決此問題,近年來出現(xiàn)了一種新樁型——PHC鄄鋼管 組 合 樁[6](PHC鄄steel compound pile,PSC樁),PSC樁上部為PHC管樁,下部為鋼管樁,中間采用法蘭盤焊接。不同于PHC管樁的鋼樁靴,PSC樁中鋼管樁參與承載力設(shè)計,在某些工程中長度超過10 m[6]。除此之外,PSC樁還具有以下優(yōu)點:淤下部鋼管樁能有效減弱打樁過程中樁頂反彈力,減少上部PHC管樁裂縫的生成,有助于提高樁基的施工質(zhì)量;于樁基上部為PHC管樁,和鋼管樁相比,無須刷防腐涂料;盂比鋼管樁節(jié)約工程造價和維護(hù)費用。

極限承載力是否滿足要求是樁基工程設(shè)計及施工中的關(guān)注重點[7鄄8]。研究者針對PHC管樁開展了大量高應(yīng)變動力測樁(PDA)與靜載試驗的比較[7,9鄄12]以及高應(yīng)變曲線擬合法的研究與分析[13鄄14],對于鋼管樁,開展了如常規(guī)鋼管樁樁型高應(yīng)變動力檢測[15鄄16]甚至海上超長大鋼管樁極限承載力的動力檢測研究[17]等。因此,在豎向極限承載力的檢測方面,PHC管樁及鋼管樁積累了較多的工程應(yīng)用經(jīng)驗,JTJ249—2001《港口工程樁基動力檢測規(guī)程》及JTS167鄄4—2012《港口工程樁基規(guī)范》也相應(yīng)給出了參考依據(jù)。PSC樁應(yīng)用時間及范圍與PHC管樁等常規(guī)樁型有較大差距,相關(guān)規(guī)程和規(guī)范尚未對PSC樁給出專門參考依據(jù),相關(guān)研究成果較少,只能參考PHC管樁或鋼管樁等的經(jīng)驗。由于PSC樁上下兩段的樁徑、材質(zhì)、密度、波阻抗差異明顯,且PSC樁存在法蘭盤接樁,接樁部位出現(xiàn)較大錯臺面積[6],因此參考PHC管樁和鋼管樁的檢測依據(jù)得到的PSC樁極限承載力檢測結(jié)果是否可靠就顯得極為關(guān)鍵。

針對PSC樁極限承載力檢測問題,本文通過豎向靜載試驗、現(xiàn)場高應(yīng)變檢測試驗結(jié)合理論分析,提出了PSC樁高應(yīng)變檢測修正方法,為PSC樁極限承載力的檢測提供試驗及理論依據(jù)。

1 工程背景及試驗樁設(shè)計

1.1 工程背景

研究依托鎮(zhèn)江潤華物流通用碼頭工程上游7萬t級泊位高樁碼頭開展。工程位于長江下游泰興水道炮子洲左岸的中段幸福河口處,鎮(zhèn)江港揚中港區(qū)西來橋作業(yè)區(qū)。碼頭平臺長278 m、寬30 m,平臺樁基為PSC樁,每榀排架設(shè)4根直樁和2對4郾5頤1叉樁,樁端進(jìn)入細(xì)砂層中部。

試驗地點位于碼頭引橋喇叭口,地質(zhì)勘查鉆孔ZK11位于此處,有精確地質(zhì)勘查參數(shù)可供參考,避免了局部試驗地點與工程區(qū)域范圍整體地質(zhì)勘查參數(shù)不符的問題,符合規(guī)范要求。試驗地點土層物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)_

1.2 試驗樁設(shè)計制作

PSC試驗樁共設(shè)計制作3根,總長度都為33 m,分別編號為 PSC 樁鄄1、PSC 樁鄄2、PSC 樁鄄3,采用不同的PHC管樁及鋼管樁的長度組合,樁型上粗下細(xì),具體參數(shù)見表2。試驗樁中PHC管樁基本參數(shù)按照《國家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計圖集:預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(10G409)》設(shè)計,采用高速離心、高溫高壓蒸養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)工藝制作(1郾0 MPa,180益)。為保證樁端部在錘擊沉樁下不出現(xiàn)破碎而影響試驗,試驗樁頂部2 m范圍內(nèi)摻加鋼纖維。

表2 試驗樁設(shè)計參數(shù)

表3 錨樁設(shè)計參數(shù)

2 高應(yīng)變試驗

2.1 現(xiàn)場試驗

高應(yīng)變檢測基本原理是采用重錘打擊樁頂,使樁土之間產(chǎn)生一定的相對位移。在距離樁頂約1郾5倍樁徑的兩側(cè)對稱安裝應(yīng)變傳感器和加速度傳感器,如圖1所示。記錄單次錘擊過程中作用在樁上的力波F(t)(由應(yīng)變數(shù)值轉(zhuǎn)換得到)和加速度波a(t)時程曲線,由實測曲線擬合法分析可得到極限承載力。

圖1 現(xiàn)場高應(yīng)變檢測傳感器安裝

此次試驗采用武漢巖?；鶚秳恿z測系統(tǒng),該系統(tǒng)的采集裝置與應(yīng)變、加速度傳感器等測前經(jīng)過檢定,精度完全符合JTJ249—2001《港口工程樁基動力檢測規(guī)程》要求。試驗樁采用錘擊沉樁施工工藝,在沉樁到設(shè)計標(biāo)高時,繼續(xù)錘擊開展試驗樁高應(yīng)變試驗;采用筒式D138柴油錘,錘距1郾8 m。

2.2 實測曲線擬合法結(jié)果

按照J(rèn)TJ249—2001《港口工程樁基動力檢測規(guī)程》,擬合結(jié)果如表4所示。試驗樁PSC樁鄄1、PSC樁鄄2、PSC樁鄄3的實測曲線分別在距底部9m、7m和5 m處存在力曲線(由實測的應(yīng)變曲線得到)反向反射和速度曲線同向反射,即出現(xiàn)“縮頸冶現(xiàn)象,這是因為此處是PHC管樁和鋼管樁的連接部位。雖然鋼管樁的密度和波速都大于PHC管樁,但是其截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PHC管樁,因此其阻抗小于PHC管樁,反應(yīng)在實測曲線上就出現(xiàn)上述的“縮頸冶現(xiàn)象。實測曲線中的這一“縮頸冶現(xiàn)象導(dǎo)致擬合結(jié)果中平均側(cè)摩阻力在PHC管樁和鋼管樁接樁部位存在明顯的減小趨勢,這與地質(zhì)報告中平均摩阻力單調(diào)遞增的趨勢略有差別。

表4 高應(yīng)變試驗極限承載力分析結(jié)果

3 豎向靜載試驗

3.1 現(xiàn)場試驗

為了得到PSC樁極限承載力真實值,開展了組合樁的豎向靜載試驗。采用錨樁反力梁裝置的“四錨一冶形式開展試驗,連接形式如圖2所示。

由于豎向靜載試驗在水上懸空組裝及試驗,且抗拔錨樁采用PHC管樁,試驗難度極大。試驗現(xiàn)場如圖3所示,試驗期間,為避免振動影響,距離試驗平臺50 m范圍內(nèi)全部停止打樁施工作業(yè),同時禁止船舶行駛,避免碰撞試樁平臺。

圖2 豎向極限承載力靜載試驗示意圖(單位:m)

圖3 豎向靜載試驗現(xiàn)場

采用快速維持荷載法開展豎向靜載試驗。每級荷載維持時間為60 min,在第5 min、10 min、15 min、30 min、45 min和60 min進(jìn)行沉降等數(shù)據(jù)測讀,累計1 h以后每隔30 min測讀一次沉降數(shù)據(jù)。每級卸載維持荷載時間為15 min,測讀時間為第 5 min、15 min。試驗終止條件:樁頂總沉降量超過40 mm,且在某級荷載作用下,樁的沉降量為前一級荷載作用下的5倍或q鄄s曲線出現(xiàn)可判定極限承載力的陡降段,認(rèn)為加載已達(dá)到試樁設(shè)備的承載能力。

3.2 試驗結(jié)果

豎向極限承載力判據(jù)采用JTS167鄄4—2012《港口工程樁基規(guī)范》判據(jù),得到結(jié)果如下:試驗樁PSC樁鄄1及PSC樁鄄3極限承載力為3 000 kN,PSC樁鄄2極限承載力為2750 kN。

4 PSC樁高應(yīng)變檢測方法的不足與修正

綜合考慮PSC樁的特殊材質(zhì)及構(gòu)造,在豎向靜載試驗結(jié)果及現(xiàn)行高應(yīng)變實測曲線擬合結(jié)果的基礎(chǔ)上,對高應(yīng)變實測曲線擬合結(jié)果進(jìn)行修正。

本文輸入的評論通過分詞以及提取關(guān)鍵字，最大詞數(shù)為64，為了保證CNN輸入維數(shù)一致，其他評論提取的關(guān)鍵詞詞數(shù)不足64的詞向量全部取0，所以結(jié)合Word2vec得到的400維詞向量，CNN模型初始輸入矩陣為64×400，通過改進(jìn)LeNet-5模型所得到的CNN-3C模型各層具體的的卷積池化范圍特征圖矩陣大小以及特征圖個數(shù)如表3所示。

4.1 高應(yīng)變檢測方法的不足

參考現(xiàn)行的高應(yīng)變檢測方法,計算得到PSC樁鄄1、PSC樁鄄2和PSC樁鄄3極限承載力分別為3304郾2 kN、3442郾3 kN和3480郾6 kN,分別比豎向靜載試驗結(jié)果高出10郾1%、25郾2%和16郾0%。 PSC樁完全不同于一般常規(guī)樁型,實際上是兩種樁拼接而成的,上下兩段的波阻抗明顯不同,是一種非標(biāo)準(zhǔn)樁,而現(xiàn)行的高應(yīng)變實測曲線擬合法都以均質(zhì)材質(zhì)的樁為基礎(chǔ),因此極限承載力檢測難以按照現(xiàn)行規(guī)范執(zhí)行和評定。

4.2 修正方法

根據(jù)高應(yīng)變檢測原理,單樁極限承載力與樁身截面力學(xué)阻抗Z有關(guān),Z符合下式:

式中:A為樁身截面積,m2;C為樁身應(yīng)力波波速,m/s;E為樁材彈性模量,MPa;酌為樁材容重,kN/m3;g為重力加速度,m/s2。

由此,高應(yīng)變實測曲線擬合得到的單樁極限承載力Q可表示為

傳統(tǒng)高應(yīng)變實測曲線擬合法得到的極限承載力實際包含兩部分,一是PHC管樁貢獻(xiàn)的極限承載力,一是下部鋼管樁貢獻(xiàn)的極限承載力。而在實際高應(yīng)變檢測分析中,在采集波形時只能按照一種樁型采集信號,無法考慮接樁部位的端承力,由此得到的高應(yīng)變檢測結(jié)果必然包含下部鋼管樁極限承載力的偏差。

首先,將實測極限承載力中側(cè)摩阻力和端承力分別按照面積進(jìn)行權(quán)重分離。定義上部PHC管樁和下部鋼管樁側(cè)摩阻力權(quán)重系數(shù)分別為姿phc1和姿st1,端承力權(quán)重系數(shù)分別為姿phc2和姿st2,滿足以下關(guān)系式:

式中:Aphc1、Aphc2分別為上部PHC管樁側(cè)表面積和端部面積,m2;Ast1、Ast2分別為下部鋼管樁側(cè)表面積和端部面積,m2。

將實測極限承載力中端承力及側(cè)摩阻力分別進(jìn)行權(quán)重分離后,對鋼管樁貢獻(xiàn)的極限承載力進(jìn)行修正。定義PHC管樁參數(shù)下測定的鋼管樁極限承載力修正系數(shù)為漬,由式(1)~(6),可得到修正系數(shù)漬近似符合:

式中:Aphc、酌phc、Cphc分別為 PHC 管樁樁身截面積、樁材容重和樁身應(yīng)力波波速;Ast、酌st、Csth分別為鋼管樁樁身截面積、樁材容重和樁身應(yīng)力波波速。

由式(3)~(7)可得到PSC樁在PHC管樁參數(shù)下的高應(yīng)變實測曲線擬合法實測極限承載力的修正公式:

式中:Q為極限承載力修正值,kN;Qg1為高應(yīng)變試驗實測側(cè)摩阻力,kN;Qg2為高應(yīng)變試驗實測端承力,kN。

4.3 結(jié)果對比

通過式(8)對高應(yīng)變試驗下PSC樁極限承載力進(jìn)行計算,結(jié)果如表5所示。

表5 PSC樁極限承載力修正結(jié)果與豎向靜載試驗結(jié)果對比

由表5可知,高應(yīng)變實測曲線擬合法結(jié)果經(jīng)過修正計算之后,誤差有了明顯降低。PSC樁鄄1、PSC樁鄄2 及 PSC 樁鄄3 誤差分別由 10郾1%、25郾2% 及16郾0%降低為 2郾7%、13郾8% 及 5郾5%,修正結(jié)果與豎向靜載試驗得到的極限承載力相差不大但仍比實際豎向靜載試驗結(jié)果略微偏高。

5 結(jié) 論

a.高應(yīng)變檢測方法作為一種快速、經(jīng)濟(jì)的方法,可以應(yīng)用于PSC樁的極限承載力檢測,但是參考JTS167鄄4—2012《港口工程樁基規(guī)范》高應(yīng)變實測曲線擬合法得到的極限承載力值比豎向靜載試驗下的極限承載力值高出10郾1%~25郾2%。

b.式(8)充分考慮了PHC管樁和鋼管樁差別及對極限承載力貢獻(xiàn)的權(quán)重系數(shù),修正計算結(jié)果精度明顯提高,與豎向靜載試驗結(jié)果基本一致但仍略高,本次試驗樁條件下高出2郾7%~13郾8%。

c.提出的修正方法及公式以現(xiàn)行高應(yīng)變檢測儀器、設(shè)定及分析系統(tǒng)為基礎(chǔ),無須開發(fā)新的硬件平臺及軟件分析系統(tǒng),作為一種建立在通用的軟硬件產(chǎn)品基礎(chǔ)上的修正方法,精度可以滿足施工過程中對極限承載力高效、精確的檢測要求。

[1]施峰,郝世龍.PHC管樁水平承載力試驗研究[J].巖土力學(xué),2015,36(增刊 2):617鄄622.(SHI Feng,HAO Shilong.Field test for horizontal bearing capacity of PHC pipe piles[J].Rock and Soil Mechanics,2015,36(Sup2):617鄄622.(in Chinese))

[2]寇海磊,張明義.基于樁身應(yīng)力測試的靜壓PHC管樁貫入機制[J].巖土力學(xué),2014,35(5):1295鄄1302.(KOU Hailei,ZHANG Mingyi.Penetration mechanism of jacked PHC pipe piles based on pile stress measurement[J].Rock and Soil Mechanics,2014,35(5):1295鄄1302.(in Chinese))

[3]劉欣良,戴洪軍,韋華.PHC樁樁端改進(jìn)后的沉樁與承載力探討[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2008,41(增刊1):161鄄164.(LIU Xinliang,DAI Hongjun,WEI Hua.Discussion on pile鄄driven and bearing capacity of PHC pile with improved bottom[J].Engineering Journal of Wuhan University,2008,41(Sup1):161鄄164.(in Chinese))

[4]蔡小紅,黃松濤.大直徑PHC樁沉樁過程中常見工程質(zhì)量問題及對策[J].水運工程,2015(10):177鄄181.(CAIXiaohong,HUANG Songtao.Common quality problems and countermeasures of large鄄diameter PHC piles driving[J].Port&Waterway Engineering,2015(10):177鄄181.(in Chinese))

[5]王國輝,周文龍.PHC管樁穿越軟弱夾層樁身破損及施工對策[J].施工技術(shù),2009,38(9):95鄄97.(WANG Guohui,ZHOU Wenlong.Damage of PHC pipe pile in penetrating soft soil interlayer and construction countermeasures[J].Construction Technology,2009,38(9):95鄄97.(in Chinese))

[6]胡駿文,鄒玉光,湯雷,等.PHC鄄鋼管組合樁豎向荷載傳遞機理研究[J].南水北調(diào)與水利科技,2016,14(1):136鄄142.(HU Junwen,ZOU Yuguang,TANG Lei,et al.Investigation of vertical load transfer mechanism for PHC鄄steel composite pile[J].South鄄to鄄North Water Transfers and Water Science&Technology,2016,14(1):136鄄142.(in Chinese))

[7]李宇,張勤.高應(yīng)變動力測試技術(shù)在樁基工程檢測中的應(yīng)用[J].水利水電科技進(jìn)展,2005,25(增刊1):121鄄123.(LI Yu,ZHANG Qin.Applicatin of high strain dynamic measurement technique to pile foundation detection[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2005,25(Sup1):121鄄123.(in Chinese))

[8]彭吉力,施建勇,黃剛.考慮擠土效應(yīng)的樁基承載力分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2002,30(2):105鄄108.(PENG Jie,SHI Jianyong,HUANG Gang.Analysis of bearing capacity of pile foundation in consideration of compaction effect[J].Journal of Hohai University(NaturalSciences) 2002,30(2):105鄄108.(in Chinese))

[9]李錫昌.高應(yīng)變法在PHC管樁樁身質(zhì)量檢測中的應(yīng)用優(yōu)勢[J].廣東土木與建筑,2009(7):57鄄59.(LI Xichang.Advocating high鄄strain test to detect integrity of PHC pile[J].Guangdong Architecture Civil Engineering,2009(7):57鄄59.(in Chinese))

[10]黃良機,林奕禧,蔡健,等.超長PHC管樁樁頂沉降特性的動靜對比分析[J].巖土力學(xué),2008,29(2):507鄄511.(HUANG Liangji,LIN Yixi,CAI Jian,et al.Dynamic and static comparative analyses of settlements of overlength PHC pipe piles[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(2):507鄄511.(in Chinese))

[11]邢皓楓,趙紅崴,葉觀寶,等.PHC管樁工程特性分析[J].巖土 工程 學(xué)報,2009,31(1):36鄄39.(XING Haofeng,ZHAO Hongwei,YE Guanbao,et al.Analysis of engineering characteristics of PHC pipe piles[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2009,31(1):36鄄39.(in Chinese))

[12]鄭澤香.預(yù)應(yīng)力管樁高應(yīng)變法與靜載試驗結(jié)果對比分析[J].土工基礎(chǔ),2006,20(4):94鄄97.(ZHENG Zexiang.Comparison between high strain dynamic test and static loading test of prestressed pipe piles[J].Soil Engineering and Foundation,2006,20(4):94鄄97.(in Chinese))

[13]馮天偉.高應(yīng)變曲線擬合法在PHC管樁檢測中的研究[D].福州:福州大學(xué),2014.

[14]中國生,劉定環(huán).基于高應(yīng)變動測法惠州地區(qū)樁基承載力試驗研究[J].惠州學(xué)院學(xué)報,2017,37(3):86鄄91.(ZHONG Guosheng,LIU Dinghuan.Experimental study on bearing capacity of pile in Huizhou area based on dynamic testing method of high strain[J].Journal of Huizhou University,2017,37(3):86鄄91.(in Chinese))

[15]滕驊,俞小光.鋼管樁高應(yīng)變沉樁監(jiān)測與單樁極限承載力的確定[J].浙江建筑,2012,29(8):39鄄42.(TENG Hua,YU Xiaoguang.Monitoring pile鄄sinking process and determining single pile ultimate bearing capacity for steel pipe pile foundation[J].Zhejiang Construction,2012,29(8):39鄄42.(in Chinese))

[16]林高杰,徐滿意,孫百順,等.高應(yīng)變動力測試技術(shù)在鋼管樁檢測中的應(yīng)用[J].水道港口,2006(增刊1):49鄄51.(LIN Gaojie,XU Manyi,SUN Baishun,etal.Application of high strain dynamic method in steel pile dynamic test[J].Journal of Waterway and Harbour,2006(Sup1):49鄄51.(in Chinese))

[17]劉萬恩,蔡克儉,夏吉祥.海上超長大鋼管樁的高應(yīng)變動力檢測[J].上海地質(zhì),2005(3):35鄄37.(LIU Wanen,CAI Kejian,XIA Jixiang.High鄄strain dynamic testing for super鄄length and super鄄diameter steel pile s in the ocean[J].Shanghai Geology,2005(3):35鄄37.(in Chinese))