風(fēng)化粉砂巖類地層鋼板樁振動(dòng)沉樁可行性分析

王 湛，呂述暉

（1.廣州市中心區(qū)交通項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，廣東 廣州 510030；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引 言

振動(dòng)錘沉樁是目前鋼板樁施工最常采用的工藝，其具有沉樁效率高、適用性強(qiáng)、環(huán)境振動(dòng)相對(duì)較小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。振動(dòng)錘沉樁研究可追溯到 20 世紀(jì) 30 年代，最早被前蘇聯(lián)和德國(guó)應(yīng)用于板樁的沉樁施工，并從 60 年代開(kāi)始逐漸得到廣泛應(yīng)用。振動(dòng)錘沉樁過(guò)程中，樁周土體發(fā)生振動(dòng)液化同時(shí)受迫振動(dòng)過(guò)程中土顆粒之間的相互作用力被一定程度抵消，土阻力降低，樁體沉入地基土中。由于振動(dòng)沉樁依賴于振動(dòng)過(guò)程對(duì)土阻力的有效消減作用，通常認(rèn)為其較適合于砂質(zhì)地基和黏土質(zhì)地基中的沉樁施工，已有關(guān)于振動(dòng)錘沉樁的工程案例［1-2］以及研究成果［3-4］同樣多數(shù)針對(duì)砂質(zhì)地基和黏土質(zhì)地基，對(duì)于風(fēng)化巖層，一般認(rèn)為采用振動(dòng)錘沉樁相對(duì)較為困難，工程經(jīng)驗(yàn)和研究均較缺乏。

此外，鋼板樁橫向剛度相對(duì)較小，沉入風(fēng)化巖層這類較堅(jiān)硬地層時(shí)，可能由于施加的沉樁力較大出現(xiàn)如下問(wèn)題：樁身應(yīng)力水平較高，鋼板樁發(fā)生變形破壞或者咬合鎖口脫開(kāi)；鋼板樁橫向振動(dòng)明顯，環(huán)境影響大，沉樁效率降低。上述問(wèn)題最終將影響鋼板樁的成樁質(zhì)量。

鑒于此，本文考慮不同能量大小的振動(dòng)錘，通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)比分析風(fēng)化粉砂巖類地層中鋼板樁的沉樁入土深度、貫入度、樁身應(yīng)力等沉樁參數(shù)，為振動(dòng)錘選型及沉樁工藝優(yōu)化提供依據(jù)，保障成樁質(zhì)量。

1 工程概況

廣州如意坊放射線是廣州市內(nèi)環(huán)路七條放射線之一，一期工程位于廣州市荔灣區(qū)，北起內(nèi)環(huán)路如意坊立交，經(jīng)如意坊隧道過(guò)江后與芳村大道相接，止于芳村大道，與芳村大道成 T 型交叉。主線全長(zhǎng) 2 394.834 5 m，由主線隧道、兩端連接線道路及如意坊立交組成。隧道主線全長(zhǎng) 1 511 m，其中岸上段 893 m，沉管段 618 m。本工程黃沙端圍堰采用組合圍堰支護(hù)體系（隔水圍堰+堰內(nèi)基坑支護(hù)），具體圍堰支護(hù)結(jié)構(gòu)為雙排鋼板樁圍堰+（堰內(nèi)帶鎖扣鋼管樁+多道內(nèi)支撐）體系。

圍堰支護(hù)鋼板樁擬采用振動(dòng)錘沉樁，設(shè)計(jì)要求鋼板樁進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化或中風(fēng)化粉砂巖類持力層一定深度。本文針對(duì)風(fēng)化粉砂巖類地基中鋼板樁振動(dòng)沉樁可行性問(wèn)題進(jìn)行分析。

2 鋼板樁、地質(zhì)及振動(dòng)錘計(jì)算參數(shù)取值分析

2.1 鋼板樁計(jì)算參數(shù)取值分析

本工程采用拉森IV型鋼板樁，其斷面參數(shù)如表1 所示。

表1 拉森 IV 鋼板樁斷面參數(shù)

考慮鋼板樁入風(fēng)化巖深度、入土深度越大，沉樁愈困難，選取黃沙端圍堰支護(hù)橫斷面 B-B 外側(cè)（1#）（見(jiàn)圖1）、橫斷面 D-D 內(nèi)側(cè)（2#）（見(jiàn)圖2）的鋼板樁作為典型分析對(duì)象，對(duì)應(yīng)的鋼板樁設(shè)計(jì)參數(shù)如表2 所示。

圖2 黃沙端圍堰支護(hù)橫斷面 D-D（2#鋼板樁）（單位：mm）

2.2 地質(zhì)參數(shù)取值分析

根據(jù)圖1 和圖2 的地質(zhì)剖面，并參考工程勘察資料及工程設(shè)計(jì)說(shuō)明列出的土層分類及物理力學(xué)參數(shù)，確定 1# 和 2# 鋼板樁的主要分析地質(zhì)參數(shù)分別如表3 和表4 所示。

鋼板樁沉樁過(guò)程中，除受到樁周土層的動(dòng)土阻力外，鋼板樁之間鎖口咬合產(chǎn)生的阻力也是影響其沉樁可行性的重要因素，影響咬合阻力的因素包括鎖口摩阻力、鎖口幾何形狀和尺寸、鎖口制造誤差、鎖口內(nèi)充填土顆粒、沉樁工藝等。盡管沉樁時(shí)通常采用預(yù)涂潤(rùn)滑劑減少鎖口摩擦，但鎖口咬合阻力仍然存在，且咬合阻力值尚未有確定的計(jì)算方法。國(guó)外 Ferron 和 Vanden Berge 等依托鋼板樁生產(chǎn)廠商 ProfileARBED 積累試驗(yàn)數(shù)據(jù)建議鋼板樁鎖口咬合阻力取值為 1～20 kN/m。當(dāng)然，由于鋼板樁施工精度不夠、制造誤差較大、變形等極端工況，鎖口咬合阻力可能遠(yuǎn)大于上述建議值，導(dǎo)致沉樁困難。本次分析，鎖口咬合阻力僅考慮一般情況，分別取如下兩種工況進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。

表2 鋼板樁設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 1# 鋼板樁的主要分析地質(zhì)參數(shù)

表4 2# 鋼板樁的主要分析地質(zhì)參數(shù)

工況1：鎖口咬合阻力取 1 kN/m，即正常鎖口咬合，但咬合阻力較?。ㄏ鄬?duì)于樁側(cè)土摩阻力）；

工況2：鎖口咬合阻力取 20 kN/m，即正常鎖口咬合，但咬合阻力較大（相對(duì)于樁側(cè)土摩阻力）。

2.3 振動(dòng)錘參數(shù)分析

考慮不同的錘能量，振動(dòng)錘參考采用 HMC 13+200、HMC 51+335、APE 100 三種錘型，具體錘參數(shù)如表5 所示。

3 分析方法原理

振動(dòng)錘沉樁可行性的分析模型主要可以分為以下幾類：①力平衡模型；②能量平衡模型；③動(dòng)量守恒模型；④運(yùn)動(dòng)規(guī)律的積分模型。相較于前 3 類，基于運(yùn)動(dòng)規(guī)律的積分模型能夠較好地考慮復(fù)雜錘-樁-土體系的耦合振動(dòng)，模擬振動(dòng)錘沉樁全過(guò)程，主要包括 Vibdrive 模型、Karlsruhe 模型、Vipere 模型、縱向一維振動(dòng)模型[5]。其中，前 3 種模型一般假設(shè)樁為剛體，而縱向一維振動(dòng)模型將樁簡(jiǎn)化為一維粘彈性桿件，與實(shí)際樁體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)更為相符。本文分析計(jì)算采用美國(guó) PDI 公司的 GRLWEAP 樁基可打性分析程序，該程序基于縱向一維振動(dòng)模型模擬振動(dòng)錘沉樁過(guò)程樁的動(dòng)力響應(yīng)行為。樁周土對(duì)樁的作用則分為兩部分：靜土阻力部分采用 Smith 方法模擬，相當(dāng)于彈塑性模型；動(dòng)土阻力部分 Smith-viscous 模型模擬，即考慮動(dòng)土阻力與極限靜土阻力和振動(dòng)速度的乘積成正比，比例系數(shù)為 Smithviscous 土阻尼系數(shù)。根據(jù) PDI 公司的分析參數(shù)取值建議，對(duì)于不同土性，分析計(jì)算涉及的土彈限、土 Smithviscous 阻尼系數(shù)取值如表6 所示。

表5 分析振動(dòng)錘參數(shù)

表6 土彈限、土Smith-viscous阻尼系數(shù)取值

已有研究表明，振動(dòng)沉樁的機(jī)理可解釋為兩方面：①樁體振動(dòng)帶動(dòng)土體振動(dòng)并產(chǎn)生一定程度液化效應(yīng)降低土阻力；②樁體振動(dòng)帶動(dòng)土顆粒豎向振動(dòng)，土顆粒間的相互作用力與振動(dòng)力抵消，土阻力減弱。無(wú)論振動(dòng)沉樁過(guò)程中樁-土體系如何反應(yīng)，宏觀上即表現(xiàn)為土阻力的衰減效應(yīng)，反之也即沉樁后土阻力的恢復(fù)效應(yīng)。對(duì)于端土阻力，振動(dòng)沉樁過(guò)程一般不考慮衰減效應(yīng)，但對(duì)于水位以下的砂土，恢復(fù)系數(shù)可取為 2.0。對(duì)于風(fēng)化粉砂巖類，考慮土阻力衰減較?。ㄒ夯赡苄缘汀⑼令w粒膠結(jié)強(qiáng)），對(duì)于強(qiáng)風(fēng)化砂巖側(cè)土阻力恢復(fù)系數(shù)取 1.2，對(duì)于中風(fēng)化砂巖側(cè)土阻力恢復(fù)系數(shù)取 1.1。

表7 1# 鋼板樁計(jì)算結(jié)果

表8 2# 鋼板樁計(jì)算結(jié)果

4 分析結(jié)果數(shù)據(jù)

根據(jù)上述錘-樁-土參數(shù)分工況 1 和工況 2 計(jì)算得到 1# 和 2# 鋼板樁的沉樁參數(shù)分別如表7 和表8 所示。

根據(jù)美國(guó)休斯敦大學(xué) Rao 的試驗(yàn)研究成果，采用振動(dòng)錘沉樁，沉樁的難易程度可根據(jù)其貫入速率vp（mm/s）劃分：vp＜22 mm/s，沉樁較難；60 mm/s＞vp＞22 mm/s，沉樁相對(duì)容易；vp＞60 mm/s，沉樁容易。根據(jù)歐洲板樁技術(shù)協(xié)會(huì)手冊(cè)，振動(dòng)錘沉樁貫入速度一般不應(yīng)低于 8 mm/s。由上述判斷依據(jù)并結(jié)合表8 和表9 分析可知。

1）兩種工況下 1# 鋼板樁和 2# 鋼板樁采用 HMC 13+200 振動(dòng)錘（150 kW）均無(wú)法沉樁至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高。

2）工況 1 下，1# 鋼板樁（設(shè)計(jì)要求入強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖類 3 m）采用 APE 100（200 kW）和 HMC 51+335（250 kW）可沉樁至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高；工況 2 下，1# 鋼板樁采用 APE 100（200 kW）無(wú)法沉樁至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高，采用 HMC 51+335（250 kW）可沉樁至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高。

3）工況 1 下，2# 鋼板樁（設(shè)計(jì)要求入中風(fēng)化粉砂巖類 1.5 m）采用 APE 100（200 kW）和 HMC 51+335（250 kW）無(wú)法或很難沉樁至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高；工況 2 下，2# 鋼板樁采用 APE 100（200 kW）和HMC 51+335（250 kW）無(wú)法沉樁至設(shè)計(jì)樁底標(biāo)高。

4）1 # 鋼板樁和 2# 鋼板樁采用 HMC 51+335（250 kW）振動(dòng)錘沉樁均可進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖類層一定深度，但此時(shí)樁身承受的軸向動(dòng)荷載較大（最大壓應(yīng)力 123~196 MPa）。由鋼板樁自由段屈曲臨界壓力隨自由段長(zhǎng)度的變化規(guī)律可知，鋼板樁較長(zhǎng)導(dǎo)致泥面以上仍有較長(zhǎng)的自由段時(shí)，鋼板樁橫向剛度偏小，鋼板樁橫向穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)較大。

5 結(jié)論及建議

1）采用振動(dòng)錘在風(fēng)化粉砂巖類持力層施打鋼板樁時(shí)，鋼板樁能夠進(jìn)入一定深度持力層，但所需的振動(dòng)錘能量較一般的黏性土和砂性土明顯增大。分析振動(dòng)沉樁可行性時(shí)應(yīng)考慮錘參數(shù)于樁土參數(shù)的匹配程度。

2）對(duì)于鋼板樁這類橫向剛度相對(duì)較小的樁，當(dāng)導(dǎo)向架至振動(dòng)錘之間的自由段長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，不僅要考慮沉樁力足以克服土阻力，還應(yīng)考慮沉樁力過(guò)大導(dǎo)致的橫向失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，已有研究表明，即使尚未發(fā)生屈曲失穩(wěn)，但沉樁力過(guò)大導(dǎo)致鋼板樁的橫向振動(dòng)將很大程度降低沉樁效率，同時(shí)引起更為顯著的環(huán)境振動(dòng)。

3）設(shè)計(jì)入土深度范圍內(nèi) ⑤2b為碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖類，沉樁過(guò)程局部較完整巖塊可能導(dǎo)致板樁偏移變形及沉樁困難。