一種考慮錘擊沖擊波的鋼管樁靜承載力分析方法

姚志偉

摘 要：為了簡(jiǎn)化現(xiàn)有靜承載力的評(píng)估測(cè)算過程，提高實(shí)際工程中的施工效率和可靠性，提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的樁基靜承載力分析方法。通過測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)鋼管樁打入過程中樁頭加速度以及整體應(yīng)變波形的數(shù)據(jù)，得到最大錘擊能量和最大樁頭貫入度;利用準(zhǔn)靜態(tài)分析法計(jì)算得到鋼管樁的靜承載力，并將此計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)定值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明：1）通過錘擊鋼樁激發(fā)沖擊波求得的最大靜承載力與設(shè)計(jì)容許承載力基本一致;2）樁先端部到達(dá)堅(jiān)實(shí)層時(shí)，所受最大沖擊力約為設(shè)計(jì)容許承載力的1.9倍;3）通過控制打樁時(shí)的錘擊次數(shù)可以對(duì)鋼管樁的貫入度進(jìn)行施工管理。研究提出的靜承載力分析方法是可行的，能夠?yàn)殇摴軜兜拇驑妒┕ぬ峁└嗟倪x擇，為樁基施工技術(shù)管理優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞： 巖土力學(xué);鋼管樁;靜承載力;加速度;貫入度

中圖分類號(hào)： TU458 +.3? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：? A

doi：? 10.7535/hbgykj.2020yx06009

An analysis method of static bearing capacity of steel pipe pile

with shock wave induced by heavy hammer

YAO Zhiwei

（Jiangxi Zhongmei Engineering Group Limited， Nanchang， Jiangxi? 330101， China）

Abstract：

In order to simplify the evaluation and calculation of the current static load capacity and to improve the efficiency

and reliability in practical engineering， a simple and practical method for analyzing the static bearing capacity of steel pile foundations was proposed in this research. The maximum hammer energy and the maximum pile penetration were obtained by measuring the acceleration of the pile head and the waveform of the overall strain during the driving process of the steel pipe pile. The static bearing capacity of the pile was estimated based on the quasi-static method， and the inferred results were contrasted and validated with the actual measured results. The results show that： 1） the maximum static bearing capacity obtained by hammering the steel pile to excite shock waves is basically consistent with the design allowable bearing capacity; 2） when the head of pile reaches the solid layer， the maximum impact force is approximately 1.9 times the design allowable bearing capacity; 3）

the penetration of the steel pipe pile can be managed by controlling the hammering times. The proposed method of static bearing capacity anlaysis is proved to be feasible， which can provide more choices for the pile driving construction of steel pipe piles， and a reference for the optimization of the technical management of pile foundation construction.

Keywords：

geotechnical mechanics; steel pipe pile; static bearing capacity; acceleration; penetration

目前不同基礎(chǔ)設(shè)施鋼管樁的研究主要集中于基于彈性波動(dòng)理論和樁側(cè)摩擦對(duì)樁的動(dòng)極限承載力的評(píng)估，其值是否超過設(shè)計(jì)上的靜承載力已經(jīng)成為判斷是否停止錘擊的重要指標(biāo)? [1-3] 。近年來，施工現(xiàn)場(chǎng)大多利用沖擊載荷試驗(yàn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)? [4-7] 。動(dòng)態(tài)響應(yīng)法是通過測(cè)定樁底打入的加速度和樁底的應(yīng)變波形，將樁的整體模型化，在處理樁與土層接觸問題時(shí)引入類似彈簧阻尼的計(jì)算方法，通過測(cè)定結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，求得承載力。是于靜承載力的設(shè)計(jì)，KWAK等? [8-10] 在可靠度理論的框架下，從動(dòng)鋼管樁靜承載力的阻力因子角度進(jìn)行了分析。HAN等? [11] 為了更好地了解驅(qū)動(dòng)封閉式管樁在軸向荷載作用下的響應(yīng)，對(duì)多層土剖面中驅(qū)動(dòng)封閉式管樁進(jìn)行了靜荷載試驗(yàn)。FENG等? [12] 在近海地區(qū)對(duì)2根超長(zhǎng)鋼管樁進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用光纖光柵技術(shù)監(jiān)測(cè)樁身的應(yīng)變，對(duì)2根試樁進(jìn)行靜載試驗(yàn)，確定其承載能力。應(yīng)用CASE法選取地基中的物理參數(shù)，通過一維波動(dòng)論展開，求得靜承載力和樁側(cè)摩擦力? [13] 。

在施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用任何一種方法，都需要技術(shù)人員有實(shí)時(shí)分析的測(cè)量工具和分析系統(tǒng)，這增加了施工難度，減緩了施工進(jìn)度。如果能夠有效利用錘擊次數(shù)，錘擊產(chǎn)生的沖擊波形以及樁頭貫入度等基本數(shù)據(jù)，通過測(cè)試錘擊貫入度獲得靜承載力，將能夠提高施工的可靠性? [14-15] 。本研究選取了 Φ =600 mm， L =44.5 m的鋼管樁，通過測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)鋼管樁打入過程中樁頭加速度以及整體應(yīng)變波形的數(shù)據(jù)，得到最大錘擊能量和最大樁頭貫入度， 以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)推測(cè)樁的靜承載力，隨后通過測(cè)到的樁身應(yīng)變波形驗(yàn)證推測(cè)結(jié)果。

1? 錘擊產(chǎn)生的加速度和樁身軸向應(yīng)變波形的測(cè)定

試驗(yàn)場(chǎng)地地質(zhì)條件如下，30 m以上地層以粉質(zhì)黏土為主，30 m以下地層以砂土為主，40～45 m地層為中砂層。

1.1 測(cè)量規(guī)格

用于試驗(yàn)的鋼管樁的形狀尺寸和樁身的應(yīng)變儀安裝位置如圖1所示。為了測(cè)量軸向應(yīng)變，應(yīng)變儀（長(zhǎng)2 mm）設(shè)置在圖中的L1—U等點(diǎn)的兩側(cè)位置上，并用防水材料覆蓋。樁頭安裝了1 000 m/s 2的應(yīng)變式加速度計(jì)。如圖2所示在焊接位置以下 0.5 m 的A-2點(diǎn)。加速度計(jì)可測(cè)量最大頻率為 7 kHz 。

隨著鋼管樁打入深度的增加，應(yīng)變儀出現(xiàn)了斷線無法測(cè)定等問題。因此筆者使用了打入深度為35.5 m的應(yīng)變儀和加速度計(jì)所測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行討論。試驗(yàn)中使用的重錘質(zhì)量為10 t，最大錘擊能量為141 kJ，采樣頻率為10 kHz，對(duì)測(cè)定值取平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

1.2 測(cè)量結(jié)果

鋼管樁貫入狀況如圖2所示。

由于打擊波形有時(shí)出現(xiàn)偏心加載狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生較大誤差，所以針對(duì)貫入度使用平均波形計(jì)算。鋼管的彈性縱波波速由式（1）計(jì)算：

v=[KF（]E[]ρ[KF）]， （1）

式中： v 為彈性縱波波速，m/s; E 為鋼管彈性模量，N/mm 2 ， E =2×10 5 N/mm 2; ρ為密度 ，kg/m 3，? ρ =? 7 850 kg/m 3 。彈性縱波波速 v =5 045 m/s。根據(jù)距離和彈性波波速，以加速度的峰值時(shí)刻（ t =20.1 ms）為基準(zhǔn)，推算到達(dá)各深度時(shí)應(yīng)變儀的波動(dòng)到達(dá)時(shí)刻，從而確認(rèn)錘擊引起沖擊波波形的傳播過程。關(guān)于波動(dòng)的到達(dá)時(shí)刻，可通過波形上升時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)對(duì)地層鉆探調(diào)查結(jié)果，貫入度 D 為 18.0～ 35.5 m，加速度波形和各點(diǎn)的應(yīng)變波形如圖3所示。

當(dāng)貫入度 D 超過30.0 m時(shí)，樁頭加速度開始大于300 m/s 2。在地基 N 值急劇增大的? 34.0～35.5 m 深度區(qū)間，加速度達(dá)到400～550 m/s 2。當(dāng)貫入度 D 超過34.0 m時(shí)， 地基 N 值急劇增加，沖擊力也在增大，樁頭加速度波形呈現(xiàn)銳角狀，一般在沖擊荷載作用下也顯示出類似的波形。 圖3 a） —e）的應(yīng)變波形對(duì)應(yīng)圖2中接近A-2點(diǎn)的MU點(diǎn)或U點(diǎn)的最大應(yīng)變波形，加速度波形高頻輸出。另一方面，在遠(yuǎn)離樁頭各點(diǎn)的最大應(yīng)變波形附近，加速度波形低頻輸出，可以看出這些點(diǎn)比理論上的波動(dòng)晚 5～8 ms 到達(dá)。分析可知，當(dāng)樁底部地基 N 值較小時(shí)，鋼管樁在貫入過程中來自樁底部的反射波振幅較小，并且樁側(cè)摩擦力也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一些影響。與此相對(duì)如圖3 f）所示，貫入度 D 為35.0～35.5 m， 地基N值 急劇增大時(shí)，圖2中U點(diǎn)到L2點(diǎn)得到的結(jié)果基本上對(duì)應(yīng)于理論上的到達(dá)時(shí)間。這是由于樁先端部到達(dá) N 值大的堅(jiān)實(shí)層，隨著貫入度的變小，鋼管樁側(cè)摩擦力也在變小。

圖3 b）-f）的應(yīng)變波形，對(duì)應(yīng)圖2中最接近樁頭U點(diǎn)的軸向應(yīng)變量比第2個(gè)接近點(diǎn)MU小，是為了更容易將鋼管樁打入土體，上部樁管壁的厚度需大于下部樁壁厚度。U 點(diǎn)和MU 點(diǎn)中間鋼管厚度由 t =9 mm變化到14 mm，截面面積增加了1.5倍，這與U點(diǎn)和MU點(diǎn)得到的應(yīng)變峰值的比大致相對(duì)應(yīng)。

1.3 樁體貫入度

圖4 a）表示了錘擊1次樁頭受到的加速度波形。樁體貫入度由加速度波形二次積分算出。

為了提升精度，本研究在上述觸發(fā)前后使用了20～110 ms的波形，并在波形的末端進(jìn)行了速度為0的校正。圖4 b）表示了對(duì)圖4 a）所示的加速度波形進(jìn)行一次積分并進(jìn)行校正而獲得的速度波形。圖4 c）表示了再經(jīng)過一次積分計(jì)算的樁體貫入度波形。圖5表示了將圖4 c）所示的1次錘擊的貫入度累計(jì)計(jì)算出的錘擊次數(shù)與樁體貫入度的關(guān)系曲線。圖5中的細(xì)實(shí)線表示根據(jù)鉆探調(diào) 查得到的地基N值的分布。

從圖5中可以看出，當(dāng)貫入度 D 超過30.0 m時(shí)，打樁效率會(huì)下降，基本上形成與 N值 大小對(duì)應(yīng)的形態(tài)。由此可以推斷通過鋼管樁貫入度和錘擊次數(shù)的比例關(guān)系，在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鋼管樁的錘擊進(jìn)行管理。當(dāng)打入22.0～28.0 m深時(shí)，出現(xiàn)貫入度的不連續(xù)現(xiàn)象是由錘擊時(shí)沖擊引起的加速度計(jì)黏結(jié)松動(dòng)導(dǎo)致。最后部分的不連續(xù)現(xiàn)象是加速度計(jì)故障導(dǎo)致顯示波形異常。

2 樁靜承載力的換算

2.1 錘擊能量

鋼管樁貫入30.0 m時(shí)，錘擊1次所受到?jīng)_擊力以及樁頭貫入度波形如圖4 c）所示。鋼管樁所受沖擊力是通過安裝在樁頭下方2 m的應(yīng)變儀測(cè)定值（樁兩側(cè)平均值）乘以鋼管樁截面面積和彈性模量計(jì)算得出。1次錘擊產(chǎn)生的能量通過所受沖擊力與樁頭貫入度關(guān)系曲線的面積求得。1次錘擊產(chǎn)生的能量曲線如圖6所示。圖中曲線為實(shí)際能量增加曲線，直線為理論變化趨勢(shì)。錘擊能量到最大樁頭貫入度為止一直呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但之后由于樁體反彈了10 mm左右，能量在保持大致相同值的狀態(tài)下貫入度相對(duì)減少。圖7表示了錘擊停止時(shí)的累計(jì)能量變化，以貫入量作為橫軸 與N值的分布進(jìn)行了比較。從圖7中也可以看出，當(dāng)N值增大時(shí)，與此對(duì)應(yīng)的累積能量也呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，打樁 貫入效率降低。

2.2 靜承載力的換算

采用受到高頻沖擊力波形計(jì)算樁的靜承載力時(shí)，計(jì)算過程會(huì)變得繁瑣。因此本研究通過使用最大錘擊能量和最大樁頭貫入度，利用準(zhǔn)靜態(tài)分析法對(duì)鋼管樁承載力進(jìn)行計(jì)算。圖6中的直線表示假定最大錘擊能量和最大樁頭貫入度具有線性關(guān)系，從設(shè)計(jì)理念出發(fā)，定義錘擊產(chǎn)生的沖擊力可以通過準(zhǔn)靜態(tài)分析法換算成樁的靜承載力。根據(jù)圖6的實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行靜承載力換算，樁頭的最大貫入度為46.2 mm，最大錘擊能量為81.4 kJ，換算成靜承載力為1 762 kN?？紤]施工的安全性，計(jì)算時(shí)建議使用鋼管樁最大貫入度。

2.3? 容許承載力及換算靜承載力與測(cè)定值的比較

圖8為最大錘擊力，換 算得到的靜承載力，樁端承載力以及N值變化曲線圖，施工設(shè)計(jì)容許承載力如圖中虛線所示 ，此處樁端承載力F= L1 最大應(yīng)變?chǔ)拧翗督孛婷娣eS×彈性模量E。

1）所受最大沖擊力

受到的最大沖擊力是根據(jù)樁頭下方2 m處安裝的應(yīng)變儀的測(cè)定值乘以樁截面面積和彈性模量求得。從圖8可以看出，在樁貫入4 m左右時(shí)所受最大沖擊力急劇增大，但與 N值分布情況相反，其主要原因尚不清楚。在N值沒有增加，樁 貫入度為 5～20 m 時(shí)，所受最大沖擊力也顯示出具有增加的趨勢(shì)，據(jù)推測(cè)是受鋼管樁側(cè)向摩擦力影響。當(dāng)貫入度達(dá)到30 m后，因受鋼管樁側(cè)向摩擦力影響，并且隨著 N值增大樁端阻力也隨之增加，所受最大沖擊力將進(jìn)一 步增大。在貫入度達(dá)到35 m時(shí)，所受最大沖擊力為3 500 kN左右，是換算得到的靜承載力的1.9倍左右。

2）樁端承載力

從樁端承載力分布來看，在 N 值相對(duì)較小的20.0 m深度的范圍內(nèi)，排除中間4～9 m深范圍，與換算得到的靜承載力分布相對(duì)一致。在貫入度為28.0～34.0 m時(shí)與 N值 不對(duì)應(yīng)，樁端承載力表現(xiàn)為 1 000 kN 左右。鋼管樁貫入度達(dá)到35 m以后，樁先端阻力逐漸增大，達(dá)到了換算的靜承載力和設(shè)計(jì)容許承載力相近的值。測(cè)定樁端承載力最直接方法是在樁底直接測(cè)定，但由于需要在樁尖安裝應(yīng)變儀，在實(shí)際操作中難以實(shí)現(xiàn)。

3）靜承載力

由圖8所示，通過本研究提出的方法換算的靜承載力基本上對(duì)應(yīng) 于N值的分布。在N值達(dá)到30以上，樁 體貫入度為35 m左右時(shí)，可以很好地滿足設(shè)計(jì)容許承載力，由此判斷本文提出方法較為合適。

3 結(jié) 語

鋼管樁基礎(chǔ)是高層建筑常用基礎(chǔ)，本研究為解決樁頭部靜承載力分析方法復(fù)雜、評(píng)估結(jié)果難以實(shí)際應(yīng)用等問題，創(chuàng)新性地提出了通過測(cè)定鋼管樁打入過程中樁頭加速度以及整體應(yīng)變的波形進(jìn)行綜合判定，研究結(jié)論如下：

1）通過樁頭所受加速度計(jì)算能夠得到貫入度波形和沖擊力波形，進(jìn)而求得錘擊能量波形，假定錘擊能量波形與樁頭貫入度呈線性關(guān)系，換算得到的最大靜承載力與設(shè)計(jì)容許承載力是基本一致的;?2）所受最大沖擊力受鋼管樁側(cè)向摩擦力的影響，樁先端部到達(dá)堅(jiān)實(shí)層時(shí)，所受最大沖擊力約為設(shè)計(jì)容許承載力的1.9倍;?3）錘擊次數(shù)和樁的貫入度關(guān)系與地基 N值分布基本對(duì)應(yīng)，說明通過錘擊次數(shù)可以對(duì)鋼管樁的貫入度進(jìn)行施工管理。

在滿足樁基設(shè)計(jì)規(guī)范的前提下，本研究證實(shí)了可以通過樁所受沖擊力來推測(cè)樁先端部容許承載力，可為今后鋼管樁基施工管理提供參考。然而在錘擊過程中存在著應(yīng)變儀和加速度計(jì)經(jīng)常脫落以及斷線問題，將在下一步試驗(yàn)中根據(jù)不同的地質(zhì)條件、場(chǎng)地類型和樁徑樁長(zhǎng)等情形，使用樹脂外殼和鋁膠帶加以保護(hù)。另外，本研究的檢測(cè)樣本較少，效果對(duì)比不夠顯著，今后還將進(jìn)行多樣本試驗(yàn)。

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