海洋平臺(tái)大直徑鋼管樁溜樁區(qū)間計(jì)算方法

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(1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266590)

海洋平臺(tái)作為提供生產(chǎn)與生活設(shè)施于一體的構(gòu)筑物，集鉆井、運(yùn)輸、施工、觀測(cè)、導(dǎo)航于一身。其樁基施工一般使用大直徑超長(zhǎng)鋼管樁，通過液壓打樁錘將管樁沿導(dǎo)管打入海底土層。打樁過程中，當(dāng)鋼管樁遇到海洋土層中的軟弱土層時(shí)，由于樁端阻力與樁側(cè)摩阻力減小，經(jīng)常會(huì)發(fā)生溜樁現(xiàn)象。溜樁不僅影響成樁質(zhì)量與樁基承載力，而且還會(huì)使樁的實(shí)際貫入度與樁基的設(shè)計(jì)高程產(chǎn)生較大誤差。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)溜樁問題開展了一系列研究。郭生昌等[1]結(jié)合工程實(shí)際分析了溜樁原因，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施；孫立強(qiáng)等[2]考慮樁周土體的強(qiáng)度折減和超孔壓等因素，提出了溜樁長(zhǎng)度的計(jì)算方法；尹漢軍等[3]采用靜力平衡法對(duì)溜樁區(qū)間進(jìn)行了估算；Dover等[4]提出了一種溜樁預(yù)測(cè)方法，并對(duì)26根管樁的溜樁可能性進(jìn)行了預(yù)測(cè)；閆澍旺等[5]分析了大直徑鋼管樁的溜樁機(jī)理，并提出了溜樁長(zhǎng)度的計(jì)算方法。以上研究大多是針對(duì)鋼管樁溜樁過程中樁側(cè)摩阻力的折減和溜樁長(zhǎng)度的計(jì)算開展的，很少考慮溜樁過程中不同深度樁側(cè)摩阻力的變化，且沒有針對(duì)實(shí)際工程情況采用不同的溜樁計(jì)算方法。

針對(duì)以上問題，首先對(duì)海洋平臺(tái)大直徑鋼管樁的溜樁原因進(jìn)行了分析，然后考慮溜樁對(duì)不同深度樁側(cè)摩阻力的影響，計(jì)算得到地基極限承載力與樁端阻力的關(guān)系，進(jìn)而采用靜力平衡與功能原理建立了大直徑鋼管樁溜樁區(qū)間的新計(jì)算方法，并通過工程實(shí)例進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了計(jì)算方法的合理性和可靠性。

1 溜樁原因分析

工程實(shí)踐[6]表明，溜樁通常會(huì)在以下兩種情況下發(fā)生：一是當(dāng)海洋土體表層為承載力較弱的軟土層；二是樁從承載力較高的土層打入承載力較小的土層時(shí)。由于海洋土體的性質(zhì)，每根鋼管樁在打樁過程中溜樁發(fā)生的次數(shù)會(huì)在0到3次之間。

當(dāng)鋼管樁剛進(jìn)入海洋表面土層時(shí)，由于土層承載力較弱，在樁錘未錘擊的情況下，樁自由貫入土層一定深度。當(dāng)樁進(jìn)入硬質(zhì)土層時(shí)，樁端阻力與側(cè)摩阻力變大，鋼管樁在錘擊作用下逐漸貫入土中。當(dāng)樁進(jìn)入軟黏土層中，樁端阻力減小，樁側(cè)摩阻力不足以承受樁與樁錘的質(zhì)量，此時(shí)樁會(huì)在未錘擊的情況下貫入土層，即樁體發(fā)生溜樁。當(dāng)樁進(jìn)入硬質(zhì)土層或樁側(cè)摩阻力增加到一定值時(shí)，溜樁停止。當(dāng)樁繼續(xù)貫入時(shí)，雖然側(cè)摩阻面積增加，但由于土體的重塑，樁側(cè)摩阻力實(shí)際上是不斷減小的。所以當(dāng)再次進(jìn)入軟土層中，會(huì)發(fā)生二次溜樁現(xiàn)象。圖1為溜樁現(xiàn)象示意圖。

圖1 溜樁現(xiàn)象示意圖

當(dāng)樁體受到的總土阻力滿足以下條件之一時(shí)便有可能發(fā)生溜樁：①總土阻力小于樁身自重；②總土阻力小于樁與樁錘的重力；③總土阻力小于樁與樁錘的慣性力。

2 沉樁阻力計(jì)算

2.1 樁端阻力的計(jì)算

對(duì)于溜樁過程中大直徑鋼管樁受到的樁端阻力，可以通過求環(huán)狀樁端受到的土阻力得到。砂土層中的環(huán)狀樁端阻力采用別列柴策夫公式[7]計(jì)算，將計(jì)算得到的樁的環(huán)形端部截面的極限承載力視為樁端阻力。

根據(jù)別列柴策夫計(jì)算公式，砂土層中樁端阻力

qu=qDNq+γBNr。

(1)

式中：qu為樁端阻力，kPa；Nq，Nr為地基極限承載力系數(shù)，通過土體的內(nèi)摩擦角φ確定；qD為地基處的超載，kPa；B為鋼管樁的直徑，m；γ為土層浮容重，kN/m3。地基極限承載力系數(shù)見表1。

表1 地基極限承載力系數(shù)表

對(duì)于鋼管樁在黏性土中受到的環(huán)狀樁端阻力，可通過qu=Nrcu進(jìn)行計(jì)算，cu為黏土的不排水抗剪強(qiáng)度，kN/m2。Som等[8]通過實(shí)驗(yàn)和分析提出在黏性土中Nr取9比較合適，因此黏性土中樁端阻力為：

qu=9cu。

(2)

2.2 樁側(cè)摩阻力的計(jì)算

通過對(duì)溜樁現(xiàn)象的分析[9]可以得到，在樁貫入土體的過程中，樁底部土體會(huì)發(fā)生剪切破壞，土體形成重塑區(qū)，土體強(qiáng)度也隨之改變。這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致土體重塑強(qiáng)度低于原土體強(qiáng)度，側(cè)摩擦系數(shù)減小，因此樁土之間的靜態(tài)摩阻力并不適用于樁側(cè)摩阻力，需要計(jì)算樁土之間的動(dòng)側(cè)摩阻力。

Dover和Davidson[4]通過實(shí)驗(yàn)與分析認(rèn)為，鋼管樁在砂土中受到的動(dòng)側(cè)摩阻力可以將靜側(cè)摩阻力折減0.7到0.9倍得到；張海山等[10-12]認(rèn)為沉樁過程中，大直街鋼管樁內(nèi)會(huì)形成10倍于樁徑的土塞，樁壁內(nèi)側(cè)摩阻力是樁外側(cè)摩阻力的50%。因此在考慮樁壁內(nèi)側(cè)摩阻力的基礎(chǔ)上，對(duì)樁土之間的靜態(tài)摩阻力使用折減因子進(jìn)行折減，得到鋼管樁在砂土層中的動(dòng)側(cè)摩阻力fs為：

fs=αkp0tanδ。

(3)

圖2 單位側(cè)摩阻的變化

式中：α為砂土動(dòng)摩側(cè)阻力折減系數(shù)，海洋巖土中α取0.75比較合理；k為地基壓力系數(shù)；p0為土層上覆壓力，kN；δ為土體外摩擦角。

對(duì)鋼管樁在黏土層中樁側(cè)摩阻力的計(jì)算，同樣需要對(duì)土體強(qiáng)度進(jìn)行折減。李颯等[13-15]通過分析與實(shí)驗(yàn)得出土體表面以下不同位置處的樁側(cè)摩阻力受溜樁影響程度不同，將樁的入土深度劃分為3個(gè)影響區(qū)，圖2為不同影響區(qū)單位側(cè)摩阻力的變化。

如圖2所示，曲線a表示在溜樁結(jié)束時(shí)各深度處的單位側(cè)摩阻力；曲線b表示了在打樁結(jié)束時(shí)各深度處的單位側(cè)摩阻力，z為土體在泥面以下的深度，H為溜樁結(jié)束時(shí)的深度。根據(jù)土體在泥面以下的深度z與管樁溜樁結(jié)束時(shí)的深度H之間的比值，將管樁入泥土層分為完全影響區(qū)、不完全影響區(qū)和不影響區(qū)。

結(jié)合以上考慮，當(dāng)鋼管樁發(fā)生第一次溜樁時(shí)，樁動(dòng)側(cè)摩阻力可采用修正的API法來計(jì)算，計(jì)算公式為：

fd=0.3βcu。

(4)

式中：β為黏著系數(shù)，cu為不排水抗剪強(qiáng)度，kN/m2。當(dāng)cu≥72 kPa時(shí)，β=0.5，當(dāng)24 kPa≤cu<72 kPa時(shí)，β值在[0.5,1]區(qū)間內(nèi)線性增加。

對(duì)于鋼管樁發(fā)生二次溜樁的情況，計(jì)算樁在黏土層中的動(dòng)側(cè)摩阻力時(shí)，需要考慮第一次溜樁對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響，并根據(jù)影響程度的不同將樁基入泥深度區(qū)間分成三個(gè)影響區(qū)，分別是完全影響區(qū)、半完全影響區(qū)和無影響區(qū)。

1) 完全影響區(qū)

當(dāng)z/H<0.5時(shí)，溜樁結(jié)束時(shí)的側(cè)摩阻力與打樁結(jié)束時(shí)的側(cè)摩阻力基本相同，且數(shù)值很小，這部分土體是受溜樁影響最為嚴(yán)重的區(qū)域，稱其為完全影響區(qū)。將樁受到的動(dòng)側(cè)摩阻力通過折減成靜摩側(cè)阻力的0.075倍得到，計(jì)算公式為：

fd=0.075f。

(5)

式中：fd為黏土層中的動(dòng)側(cè)摩阻力，kN，f為靜側(cè)摩阻力，kN。

2) 半完全影響區(qū)

當(dāng)0.50.44，即設(shè)計(jì)入泥深度較小，溜樁后，后續(xù)打樁距離設(shè)計(jì)入泥深度較小，后續(xù)打樁對(duì)土體性質(zhì)影響較小，仍可采用修正的API法進(jìn)行計(jì)算；②如果z/Hend<0.44即溜樁后，設(shè)計(jì)入泥深度較大時(shí)，后續(xù)打樁對(duì)土體性質(zhì)影響較大，此時(shí)動(dòng)側(cè)摩阻力

fd=0.075f。

(6)

3) 無影響區(qū)

當(dāng)z/H>0.8時(shí)，該區(qū)域溜樁對(duì)土體的擾動(dòng)小，樁體側(cè)摩阻力受溜樁的影響忽略不計(jì)，樁體動(dòng)側(cè)摩阻力仍可用修正的API法計(jì)算方法，則該區(qū)域側(cè)摩阻力

f=0.3βcu。

(7)

式中：當(dāng)cu≥72 kPa時(shí)，β=0.5；當(dāng)24 kPa≤cu<72 kPa時(shí)，β值在[0.5,1]區(qū)間內(nèi)線性增加。

3 溜樁區(qū)間計(jì)算方法

通過對(duì)溜樁機(jī)理的分析，針對(duì)現(xiàn)有的溜樁區(qū)間算法的計(jì)算過程進(jìn)行了改進(jìn)。首先采用別列柴策夫公式得到樁端阻力，再考慮溜樁對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響，將黏性土分成不同影響區(qū)并使用不同的折減因子計(jì)算摩阻力，砂質(zhì)土中則通過常規(guī)方法計(jì)算樁側(cè)摩阻力，并基于溜樁這一動(dòng)態(tài)過程，采用靜力平衡與功能原理建立大直徑鋼管樁溜樁區(qū)間的新計(jì)算方法。

當(dāng)鋼管樁貫入海洋土層中時(shí)，樁體會(huì)受到液壓錘的錘擊力、自身重力、浮力、樁端阻力及樁側(cè)摩阻力的作用。根據(jù)動(dòng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)，在液壓錘錘擊管樁時(shí)，管樁與液壓錘的動(dòng)力視為1.2倍的樁與液壓錘的重力之和(G1+G2)，所以管樁受力條件滿足式(8)時(shí)會(huì)發(fā)生溜樁。通過式(8)～(9)即可計(jì)算出溜樁發(fā)生時(shí)管樁入泥深度L。

1.2(G1+G2)=f外+qu+F，

(8)

(9)

式中：F為管樁受到的浮力，kN；B為鋼管樁直徑，m；γs為海水的容重。

隨著溜樁的進(jìn)行，鋼管樁的速度會(huì)在土阻力與浮力的作用下逐漸減小至零，即樁的動(dòng)能在克服土阻力與浮力的做功中耗散，因此可根據(jù)功能原理列出能量方程，求出溜樁長(zhǎng)度l。溜樁過程中樁側(cè)摩阻力所做功的計(jì)算公式為:

(10)

式中：W1為樁側(cè)摩阻力做的功，kJ；B為鋼管樁直徑，m；x為開始溜樁時(shí)的土層數(shù)；fmj為溜樁發(fā)生位置前第i層土的摩擦力，kN；y溜樁區(qū)間的土層數(shù)；fmj為溜樁區(qū)間內(nèi)的第j層土的摩擦力，kN，v為樁在溜樁區(qū)間內(nèi)的每層土中的滑動(dòng)距離，m。

由積分學(xué)方法可得，fmj在溜樁區(qū)間為分段函數(shù)，故在溜樁區(qū)間內(nèi)黏土層與砂土層的動(dòng)摩擦阻力通過如下兩式計(jì)算：

(11)

(12)

式中：fmd為溜樁區(qū)間內(nèi)第j層黏土的摩擦力，kN；t為相應(yīng)土層的厚度，m；fms為溜樁區(qū)間內(nèi)第j層砂土的摩擦力，kN；pj-1為第j-1層土的上覆土壓力，kN；γj為第j層砂土的重度，kN/m3；pj為第j層土的上覆土壓力，kN。

對(duì)于溜樁過程中樁端阻力做的功，可通過對(duì)別列柴策夫公式積分得到，計(jì)算公式為：

(13)

式中：W2為樁端阻力做的功，kJ；t′為溜樁結(jié)束時(shí)鋼管樁在所停留土層的插入長(zhǎng)度，m。

鋼管樁所受到浮力Ff會(huì)隨著溜樁的進(jìn)行逐漸增大，因此浮力所做的功

(14)

式中：ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

當(dāng)液壓錘對(duì)鋼管樁進(jìn)行錘擊時(shí)，會(huì)有能量耗散，通常使用η系數(shù)進(jìn)行修正，因此樁與錘在溜樁開始時(shí)具有的能量為ηE。綜合以上考慮，根據(jù)能量守恒可得出樁的能量方程滿足：

ηE=(G1+G2)l+W1+W2+W3。

(15)

根據(jù)式(15)即可求出溜樁長(zhǎng)度l，結(jié)合溜樁發(fā)生時(shí)管樁入泥深度L，即可得到鋼管樁的溜樁區(qū)間。

4 工程實(shí)例驗(yàn)算

根據(jù)南海荔灣樁基平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)采集的工程數(shù)據(jù)，選取合理的土體參數(shù)，使用新計(jì)算方法求出鋼管樁的溜樁區(qū)間，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程中的溜樁區(qū)間進(jìn)行比對(duì)分析，驗(yàn)證新計(jì)算方法的合理性。

該樁基平臺(tái)共有16根鋼管樁，平均分布在樁基平臺(tái)的四個(gè)角上，每根鋼管樁重643.9 kg，直徑2.74 m，樁長(zhǎng)為158 m。液壓錘的型號(hào)為MHU1200S，額定輸出能量1 200 kJ。為保證鋼管樁周圍土層性質(zhì)相同，選取了平臺(tái)一個(gè)角上的四根鋼管樁進(jìn)行計(jì)算分析。通過對(duì)土體參數(shù)分析可知，鋼管樁所在土層軟硬土層交替，土體淺層具有較長(zhǎng)的黏土層，極易發(fā)生溜樁，并且在58.8 m和108 m的土體深度時(shí)，土體再次出現(xiàn)軟黏土層，此時(shí)很大可能會(huì)發(fā)生二次溜樁乃至三次溜樁，鋼管樁所在土層的土體參數(shù)列于表2。

結(jié)合實(shí)際工程選取的土體參數(shù)，使用式(1)～(7)計(jì)算得到鋼管樁打樁過程中每層土的樁端阻力，砂土動(dòng)側(cè)摩阻力以及黏土的靜摩擦阻力。由表2的計(jì)算結(jié)果可知，砂土層中樁體受到的樁端阻力較大，樁側(cè)摩阻力較小，黏土層中樁端阻力較小，樁側(cè)摩阻力較大，而在管樁剛貫入土層時(shí)，主要是通過樁端阻力承受樁與樁錘重力，由此也驗(yàn)證了溜樁產(chǎn)生的原因。

將表2的各土層阻力代入式(8)～(15)，求出溜樁發(fā)生時(shí)管樁的入泥深度與溜樁長(zhǎng)度,得到了三個(gè)溜樁區(qū)間，分別為13.3～27 m、38.0～60 .5 m和64.9～84.0 m。通過理論溜樁區(qū)間與實(shí)際工程的溜樁區(qū)間的比對(duì)，得到了如圖3所示的比對(duì)結(jié)果。

由比對(duì)結(jié)果可知，溜樁發(fā)生時(shí)樁的入泥深度及前兩次溜樁區(qū)間與實(shí)際工程情況基本一致。對(duì)于第三次溜樁區(qū)間的計(jì)算有些偏差，這是由于第二次溜樁同樣對(duì)土體產(chǎn)生了影響，使樁側(cè)摩阻力發(fā)生變化，但第三次溜樁區(qū)間比理論計(jì)算的區(qū)間長(zhǎng)度小，處于樁基工程安全范圍內(nèi)，故理論溜樁區(qū)間仍可為樁基設(shè)計(jì)提供參考。同時(shí)說明溜樁區(qū)間的計(jì)算需要考慮溜樁對(duì)土體產(chǎn)生的影響，新計(jì)算方法得到的溜樁區(qū)間與實(shí)際溜樁區(qū)間基本吻合，新計(jì)算方法的合理性得到驗(yàn)證。

表2 各土層土體參數(shù)與土阻力計(jì)算結(jié)果

圖3 理論溜樁區(qū)間與實(shí)際溜樁區(qū)間的比對(duì)

5 結(jié)論

通過對(duì)溜樁過程及產(chǎn)生原因的分析與研究，主要結(jié)論如下：

1) 當(dāng)鋼管樁發(fā)生二次溜樁時(shí)，考慮溜樁對(duì)樁側(cè)摩阻力影響程度的不同，將黏土層中樁的側(cè)摩阻力分為三個(gè)影響區(qū)，分別是完全影響區(qū)、半影響區(qū)和無影響區(qū)，對(duì)不同影響區(qū)的樁側(cè)摩阻力使用不同的折減因子計(jì)算，新計(jì)算方法得到的溜樁區(qū)間更接近工程實(shí)際。

2) 計(jì)算鋼管樁溜樁區(qū)間時(shí)，利用靜力平衡原理，求出在溜樁開始時(shí)管樁的入泥深度，使用積分學(xué)方法列出不同影響區(qū)的樁側(cè)摩阻力與樁端阻力所做功的表達(dá)式，再結(jié)合功能原理列出管樁的能量方程，即可求出溜樁長(zhǎng)度，進(jìn)而得出鋼管樁溜樁區(qū)間。

3) 通過工程實(shí)例驗(yàn)核，新計(jì)算方法的第一、二次溜樁區(qū)間的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況誤差范圍為8%～16%，具有較高的準(zhǔn)確度；第三次結(jié)果雖有所偏差，理論溜樁區(qū)間小于實(shí)際溜樁區(qū)間，仍處于樁基工程安全范圍內(nèi)，仍可供海洋平臺(tái)樁基設(shè)計(jì)及施工提供參考。