珊瑚礁地層橋梁基礎(chǔ)鋼管打入樁承載特性

袁立斌， 邱 敏， 宋友建， 萬 猛

(1.中交二航局, 武漢 430040； 2.長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430040；3.交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心, 武漢 430040； 4.公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心, 北京 100011;5.武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司, 武漢 430022)

珊瑚礁在巖石學(xué)上統(tǒng)稱礁灰?guī)r,作為一種具有特殊工程性質(zhì)的巖土體,珊瑚礁灰?guī)r具有密度低、孔隙大、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)、脆性大、強(qiáng)度各向異性等特點(diǎn)[1-2],表現(xiàn)出極為復(fù)雜的巖土力學(xué)特性,從而使它具有明顯不同于陸源土層的巖土工程特性[3-4]。

對(duì)于跨海橋梁工程,施工臨時(shí)棧橋、平臺(tái)結(jié)構(gòu)一般以鋼管樁作為支撐,其打入深度、承載力影響工程施工進(jìn)度及成本[5]。目前針對(duì)鋼管樁承載力的規(guī)范及公式僅適用于陸源巖土體,鋼管樁打入過程中,珊瑚礁灰?guī)r結(jié)構(gòu)容易發(fā)生破壞,進(jìn)而影響鋼管樁承載力[6-7]?；诖?迫切需要提出新的公式或經(jīng)驗(yàn)算法,以評(píng)估珊瑚礁地層打入鋼管樁承載力。

總體來說,中外學(xué)者針對(duì)鋼管樁承載性能已開展了大量的研究[8-12],也取得了豐富的研究成果。但珊瑚礁地質(zhì)條件的復(fù)雜性導(dǎo)致珊瑚礁地質(zhì)鋼管樁承載特性尚未明確?；诖?開展珊瑚礁地質(zhì)鋼管樁承載特性研究,進(jìn)一步揭示珊瑚礁地質(zhì)鋼管樁承載機(jī)理,為珊瑚礁地質(zhì)區(qū)域的工程建設(shè)提供理論支撐。

現(xiàn)采用數(shù)值計(jì)算、試驗(yàn)研究,對(duì)珊瑚礁地質(zhì)鋼管打入樁豎向承載性能進(jìn)行研究,定量分析鋼管樁樁側(cè)阻力、樁端阻力分布規(guī)律及荷載分?jǐn)偙?揭示珊瑚礁地質(zhì)條件下鋼管樁側(cè)摩阻力恢復(fù)系數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系。

1 工程簡(jiǎn)介

中馬友誼大橋項(xiàng)目位于馬爾代夫北馬累環(huán)礁,跨越Gaadhoo Koa海峽,連接環(huán)礁上馬累島、機(jī)場(chǎng)島和胡魯馬累島3個(gè)相鄰島嶼。路線全長(zhǎng)2.0 km,其中橋梁長(zhǎng)度為1.39 km,主橋?yàn)?60 m長(zhǎng)6跨組合混合梁V型墩剛構(gòu)橋。引橋?yàn)?30 m長(zhǎng)預(yù)應(yīng)力混凝土I型梁橋,總體布置如圖1所示。

圖1 中馬友誼大橋線路布置

2 鋼管樁豎向承載性能試驗(yàn)

2.1 試樁工程概況

試驗(yàn)鋼管樁GGZ1位于馬累島靠近橋位起點(diǎn)位置,采用Q345C材質(zhì),樁長(zhǎng)18.2 m,樁徑1.5 m,泥面標(biāo)高+0.5 m,樁頂標(biāo)高+5.1 m,樁底標(biāo)高-13.1 m。GGZ1所在位置土層分布如圖2所示。

圖2 GGZ1所在位置土層分布

2.2 高應(yīng)變檢測(cè)方法及試驗(yàn)設(shè)備

L為鋼管樁傳感器與樁頂間的距離；D為樁徑

首先,在樁頂以下1.5倍樁直徑處對(duì)稱地安裝一對(duì)應(yīng)變器和加速度,如圖3所示。然后,錘擊樁頂使樁土間產(chǎn)生位移,記錄力F(t)和加速度a(t),由主機(jī)初步計(jì)算結(jié)果。

2.3 試驗(yàn)工況

基于中馬友誼大橋現(xiàn)場(chǎng)施工,分別對(duì)試驗(yàn)鋼管樁、主橋鋼護(hù)筒等共計(jì)28根進(jìn)行高應(yīng)變檢測(cè)試驗(yàn)。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.4.1 鋼管樁試驗(yàn)

實(shí)測(cè)沉樁樁身的完整性系數(shù)為1.0,最大壓應(yīng)力為105.4 MPa、最大拉應(yīng)力16.3 MPa,均小于樁身材料345 MPa的設(shè)計(jì)強(qiáng)度,表明樁身均處于安全狀態(tài)。對(duì)試驗(yàn)鋼管樁GGZ1初打、休止期1、3、8、23 d共計(jì)進(jìn)行5次動(dòng)力測(cè)試,基于Capwapc法得到GGZ1高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果如表1所示,承載力隨時(shí)間變化如圖4所示。

表1 高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果

圖4 GGZ1承載力隨時(shí)間變化曲線

由圖4可知,GGZ1承載力恢復(fù)比例呈遞減趨勢(shì),其中承載力休止期23、8 d的增加比例≤1%且變化曲線基本趨于水平,可認(rèn)為承載力增長(zhǎng)已趨于結(jié)束。總體來說,打入鋼管樁后土體經(jīng)過一段時(shí)間的恢復(fù)后,復(fù)打時(shí)GGZ1的承載力有一定幅度的提升。對(duì)比GGZ1初打與休止期23 d后復(fù)打結(jié)果,GGZ1總承載力恢復(fù)系數(shù)為1.11,側(cè)阻力恢復(fù)系數(shù)1.187,端阻力恢復(fù)系數(shù)1.016?？梢钥闯?珊瑚礁地質(zhì)條件下鋼管樁承載力恢復(fù)以側(cè)阻力為主,端阻力變化較小。

相比中國(guó)常規(guī)土層,珊瑚礁地質(zhì)條件下鋼管樁承載力恢復(fù)系數(shù)較低,其原因如下。

(1)對(duì)于松散未膠結(jié)或弱膠結(jié)的珊瑚礁土(巖)層,在鋼管樁施沉過程中,樁周土產(chǎn)生擾動(dòng),導(dǎo)致初打時(shí)的承載力偏低,隨著時(shí)間增長(zhǎng)鋼管樁承載力隨之增大。

(2)對(duì)于膠結(jié)性較好的珊瑚礁灰?guī)r地層,鋼管樁沉樁中,珊瑚礁灰?guī)r顆粒的體積收縮和膠結(jié)體破壞大于樁-土擠密程度,樁側(cè)向壓力減小,珊瑚礁灰?guī)r地層鋼管樁承載力恢復(fù)系數(shù)總體偏低。

2.4.2 主橋鋼護(hù)筒

中馬友誼大橋19#～23#主墩鋼護(hù)筒施沉過程中,選取其中27根進(jìn)行高應(yīng)變檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)變形和缺陷。實(shí)測(cè)的27根樁身應(yīng)力,除22-5實(shí)測(cè)樁身最大壓應(yīng)力略大(354 MPa)外,其余樁身實(shí)測(cè)最大應(yīng)力均小于樁身材料345 MPa的設(shè)計(jì)強(qiáng)度,表明樁身均處于安全狀態(tài)。

基于Capwapc法,對(duì)中馬友誼大橋主橋19#～23#墩共計(jì)27根鋼護(hù)筒進(jìn)行高應(yīng)變檢測(cè),并明確19#～23#主墩側(cè)阻力、端阻力分擔(dān)比,如圖5所示。由圖5可知,對(duì)于19#、23#主墩(φ3 200 mm),側(cè)阻力分擔(dān)比最大值39.33%,最小值19.47%,平均值為27.59%。對(duì)于20#～22#主墩(φ3 600 mm),側(cè)阻力分擔(dān)比最大值37.18%,最小值17.99%,平均值為25.95%。

圖5 鋼護(hù)筒側(cè)阻力分擔(dān)比

3 鋼管樁豎向承載性能數(shù)值分析

3.1 波動(dòng)方程理論

圣維南于1865年分析了細(xì)長(zhǎng)彈性桿件一端撞擊后的應(yīng)力傳播規(guī)律,提出了著名的波動(dòng)方程理論。Isaacs于1931年運(yùn)用應(yīng)力波理論描述打樁撞擊應(yīng)力波在樁中的傳播過程，如圖6所示，將一維波動(dòng)方程考慮樁周阻力的參數(shù)R表示為

(1)

圖6 樁單元受力示意圖

打樁過程不確定性因素多,直接求解式(1)難以實(shí)現(xiàn)。Smith[13]于1960年利用差分法構(gòu)建了錘-樁-土系統(tǒng)離散模型,簡(jiǎn)稱Smith法，將錘、墊層、樁帽和樁作為質(zhì)量-彈簧系統(tǒng),用黏彈塑性模型描述樁身土阻力。錘為剛體W1、墊層為彈簧K1、樁帽W2。假設(shè)樁身為重塊-彈簧小單元組成的可壓縮的彈性體。在圖7中,Wm表示樁身單元重量,m=3,4,…；Km表示彈簧剛度,m=1,2,…；Rm表示樁單元的土阻力,R12是樁尖土阻力。

圖7 樁-錘-土系統(tǒng)離散學(xué)模型示意圖

3.1.1 土阻力模型

如圖8所示,采用理想彈塑性模型,計(jì)算樁周土/樁尖土靜阻力。土發(fā)生彈性變形的最大彈性位移值為q。土體位移d大于q,產(chǎn)生極限靜阻力,用Ru表示。土體靜阻力計(jì)算式為

(2)

圖8 土阻力模型示意圖

土動(dòng)阻力Rd服從牛頓黏滯定律,阻力與質(zhì)點(diǎn)速度成正比,即

Rd=JvRs

(3)

式(3)中:J為阻尼系數(shù)；v為質(zhì)點(diǎn)速度。

打樁土體阻力分為靜、動(dòng)阻力(Rs與Rd),可表示為

R=Rs+Rd

(4)

瞬時(shí)土動(dòng)阻力Rd無靜承載力貢獻(xiàn)。樁側(cè)、樁尖土分別為剪切、壓縮變形,樁側(cè)和樁端阻力參數(shù)取值不同。

3.1.2 墊層模型

墊層的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖9所示,可知沖擊力作用下,墊層變形沿直線OA。其中,A點(diǎn)卸載,沿AB恢復(fù),殘余變形為OB。E和Eu分別表示加載及卸載模量。墊層與錘和樁帽之間不傳遞拉力。△BAC與△OAC面積之比為卸載與加載能量比，即

(5)

圖9 墊層應(yīng)力-應(yīng)變示意圖

式(5)中：e為墊層恢復(fù)系數(shù)。滯后回線OABO包圍的面積代表能量損耗?；謴?fù)系數(shù)e越大,能量損耗越小。

3.1.3 波動(dòng)方程的數(shù)值解法

建立錘-樁-土系統(tǒng)離散力學(xué)模型,差分求解波動(dòng)方程,計(jì)算打樁應(yīng)力波的傳播。樁身隨時(shí)間間隔分成眾多重塊-彈簧空間小單元。假設(shè)位移、速度、力等在時(shí)間間隔內(nèi)恒定。

Smith基本方程為

(6)

式(6)中：d為位移；v為速度；s為彈簧的壓縮量；f為彈簧作用力；R為土阻力；g為重力加速度；n為時(shí)間間隔號(hào)；m為重塊、彈簧和樁單元土阻力號(hào)。

初始條件t=0,位移、速度、加速度、彈簧力、土阻力為0。邊界條件是錘心沖擊速度,根據(jù)錘的額定能量計(jì)算錘的沖擊速度。按時(shí)間間隔Δt逐步計(jì)算5個(gè)基本方程。

3.2 打樁分析

打樁分析的波動(dòng)方程分析軟件采用Grlweap,其成樁反演及承載力預(yù)測(cè)原理如圖10所示。

圖10 GRLWEAP軟件承載力預(yù)測(cè)原理

Grlweap的分析類型包括以下3方面。

(1)承載圖分析(bearing graph)：記錄打樁過程中的沉降量和錘擊數(shù),然后使用承載圖算樁體承載力,反之亦然。

(2)檢測(cè)圖分析(inspector’s chart)：不同錘落高水平下,承載力對(duì)應(yīng)最小錘擊數(shù)及樁中應(yīng)力水平。

(3)可打入性分析(drivability)：可打入性分析能判斷打樁系統(tǒng)性能,優(yōu)化打樁系統(tǒng)。并且能分析計(jì)算打樁過程中樁身最大應(yīng)力。

3.3 數(shù)值計(jì)算與檢測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

中馬友誼大橋19#～23#主墩鋼護(hù)筒作為永久結(jié)構(gòu),除參與主墩樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力外,施工期還需承擔(dān)鉆孔平臺(tái)等臨時(shí)施工荷載,需評(píng)估鋼護(hù)筒的承載力特征值?？紤]相關(guān)理論、規(guī)范的缺乏,試樁加載試驗(yàn)成本高昂的情況,采用高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)方法分析各地層對(duì)應(yīng)的樁側(cè)摩阻力、樁端承載力及其分擔(dān)比。

基于此,結(jié)合中馬友誼大橋主墩鋼護(hù)筒現(xiàn)場(chǎng)沉樁記錄,采用基于波動(dòng)方程的Grlweap分析軟件進(jìn)行沉樁過程反演,在錘擊能量已知的條件下,通過調(diào)整樁端阻力來擬合錘擊平均貫入度,得到中馬友誼大橋19#～23#主墩35根鋼護(hù)筒中的27根樁端阻力分布。Grlweap軟件數(shù)值計(jì)算得到的承載力與高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果相關(guān)性較好,總承載力計(jì)算結(jié)果偏差基本均在10%以內(nèi),平均值為2.92%,側(cè)阻力偏差平均值3.67%,端阻力偏差平均值3.15%,如圖11所示。基于此,參照沉樁記錄的Grlweap軟件反演方法可作為承載力預(yù)測(cè)的一種手段。

圖11 Grlweap數(shù)值計(jì)算與檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

分析中馬友誼大橋19#～23#主墩35根鋼護(hù)筒中的27根承載力分布特征,發(fā)現(xiàn)中等-強(qiáng)膠結(jié)礁灰?guī)r地層可作為鋼管打入樁的持力層,能提供一定樁端承載力。其側(cè)阻力、端阻力分布特征,鋼管打入樁以端承樁為主。

3.4 樁側(cè)各土層摩阻力分布

如圖12所示,未膠結(jié)珊瑚礫塊混砂、礫砂混礫塊地層樁側(cè)摩阻力為7.5～14.2 kPa與文獻(xiàn)[2]結(jié)論一致。標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N平均范圍為15～30擊,所對(duì)應(yīng)中密石英砂樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值達(dá)50 kPa。

劉松玉[14]給出了沙特阿拉伯灣膠結(jié)砂、礁灰?guī)r地質(zhì)打入混凝土管樁的側(cè)摩阻力超過32 kPa。為研究主墩鋼管打入樁的側(cè)摩阻力特性,對(duì)中馬友誼大橋19#～23#主墩35根鋼護(hù)筒中的27根在終錘前進(jìn)行高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè),并根據(jù)施沉過程中的貫入度和樁錘能量進(jìn)行沉樁過程反演,得到珊瑚礁地質(zhì)各土層樁側(cè)摩阻力。

總體來說,礁灰?guī)r層的樁側(cè)摩阻力大于礫砂混礫塊層,一定埋深礁灰?guī)r平均樁側(cè)摩阻力大于40 kPa。樁側(cè)摩阻力隨地層深度、珊瑚礁的膠結(jié)程度增大而增加,例如,位于淺埋層的中等膠結(jié)礁灰?guī)r的樁側(cè)摩阻力明顯小于弱膠結(jié)礁灰?guī)r層。

圖12 標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N與樁側(cè)摩阻力散點(diǎn)圖

4 鋼管樁豎向承載力設(shè)計(jì)方法

4.1 現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法

根據(jù)《公路橋涵地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》,嵌巖樁端阻力、嵌巖段側(cè)阻力、非嵌巖段側(cè)阻力組成單樁軸向受壓承載力容許值。其計(jì)算指標(biāo)分別為巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度、巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值及土側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值。中馬友誼大橋樁基工程中,礁灰?guī)r中的鋼管樁屬于嵌巖樁,用規(guī)范計(jì)算得到的樁基承載力與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖13所示。

圖13 豎向承載力對(duì)比

圖14 端阻力、側(cè)阻力分?jǐn)偙?/p>

由圖13可知，規(guī)范計(jì)算值遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)值,二者相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。究其原因,發(fā)現(xiàn)采用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度計(jì)算巖石側(cè)摩阻力導(dǎo)致了計(jì)算結(jié)果超大,而從實(shí)測(cè)鋼管樁豎向承載力中端阻力和摩阻力的分?jǐn)偙?圖14)可知,側(cè)阻力分?jǐn)偙绕骄祪H為27.6%,因此不能采用單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算巖石側(cè)壁摩阻力。

4.2 豎向承載力計(jì)算方法改進(jìn)

分析鋼管打入樁規(guī)范計(jì)算結(jié)果與高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果差異大的原因,在于珊瑚礁灰?guī)r結(jié)構(gòu)脆性較大,在鋼管樁打入過程中,礁灰?guī)r結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生脆性破壞(圖15),鋼管樁與珊瑚礁顆粒形成了摩擦界面。因此,在計(jì)算嵌巖段側(cè)阻力時(shí)不能用單軸抗壓強(qiáng)度,應(yīng)該用極限側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值?；诖?重新對(duì)比新計(jì)算方法與實(shí)測(cè)值(圖16),吻合較好。

圖15 鋼管打入樁樁側(cè)礁灰?guī)r破壞

圖16 豎向承載力對(duì)比

5 結(jié)論

(1)鋼管樁施打完成后,樁側(cè)土體經(jīng)過一段時(shí)間的恢復(fù),其承載力有一定幅度的提升。對(duì)比GGZ1初打與休止期23 d后復(fù)打結(jié)果,GGZ1總承載力恢復(fù)系數(shù)為1.11,側(cè)阻力恢復(fù)系數(shù)為1.187,端阻力恢復(fù)系數(shù)為1.016。

(2)基于Grlweap法,對(duì)中馬友誼大橋主橋共計(jì)27根鋼護(hù)筒進(jìn)行高應(yīng)變檢測(cè),對(duì)于19#、23#主墩(φ3 200 mm),側(cè)阻力分擔(dān)比最大值為39.33%,最小值為19.47%,平均值為27.59%；對(duì)于20#～22#主墩(φ3 600 mm),側(cè)阻力分擔(dān)比最大值為37.18%,最小值為17.99%,平均值為25.95%。

(3)珊瑚礫塊混砂、礫砂混礫塊地層鋼樁側(cè)摩阻力為10 kPa左右；中等-強(qiáng)膠結(jié)的礁灰?guī)r地層鋼樁側(cè)摩阻力為40～60 kPa,地層分布深度以及膠結(jié)程度越高，側(cè)摩阻力越大。

(4)中等-強(qiáng)膠結(jié)礁灰?guī)r地層具較高抗壓強(qiáng)度,能為臨時(shí)結(jié)構(gòu)打入樁基礎(chǔ)的持力層提供較大樁端承載力。

(5)在現(xiàn)有理論和經(jīng)驗(yàn)公式不足的條件下,采用高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)和Grlweap軟件進(jìn)行沉樁過程反演的方法可用于鋼管樁豎向承載特性的分析和預(yù)測(cè)。