大直徑樁連續(xù)打樁過程中樁周土阻力衰減規(guī)律

劉 潤， 孟祥然， 練繼建， 趙迎九， 賈沼霖， 王 龍

(1. 天津大學(xué) 建筑工程專業(yè)， 天津 300350； 2. 華電重工股份有限公司， 天津 300010；3. 天津港(集團(tuán))有限公司， 天津 300461)

0 引 言

在所有形式基礎(chǔ)中，樁基礎(chǔ)被應(yīng)用得較為廣泛而且其應(yīng)用歷史較為悠久，這主要由于樁基礎(chǔ)具有承載力大、沉降量小、穩(wěn)定性好、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，尤其在海洋工程中，以樁基礎(chǔ)為主體的導(dǎo)管架平臺應(yīng)用普遍[1]。國內(nèi)外學(xué)者對打樁過程中的一系列問題開展大量研究，重點(diǎn)集中在樁周土體在打樁過程中受到擾動而產(chǎn)生強(qiáng)度弱化的現(xiàn)象。較早的研究見于1962年，之后LADANYI[2]和VESICA[3]利用小孔擴(kuò)張理論分析在飽和黏性土中由孔穴擴(kuò)張引起的周圍土應(yīng)變、應(yīng)力和超孔隙水壓力分布，進(jìn)而研究在沉樁時土中超孔隙水壓力變化和樁基礎(chǔ)承載力的問題。20世紀(jì)70年代，RANDOLPH等[4]利用圓孔擴(kuò)張理論模擬打樁過程，在考慮孔壓消散的基礎(chǔ)上，對沉樁結(jié)束時樁周土體的超孔隙水壓力和有效應(yīng)力進(jìn)行理論求解。進(jìn)入21世紀(jì)后，CHANG等[5]采用修正的劍橋模型對不排水狀態(tài)下球孔擴(kuò)張問題進(jìn)行解析，確定樁周土任意一點(diǎn)的超孔隙水壓力分布。趙明華等[6]在CHANG等[5]研究的基礎(chǔ)上，提出沉樁后初始時刻超孔隙水壓力隨樁徑分布的函數(shù)。王耀存等[7]開展現(xiàn)場高應(yīng)變動力檢測，并利用CAPWAP軟件對結(jié)果進(jìn)行分析，對樁周土體阻尼系數(shù)進(jìn)行研究。張明義等[8]開展靜壓沉樁室內(nèi)模型試驗(yàn)，并監(jiān)測沉樁過程中的樁內(nèi)外側(cè)摩阻力，監(jiān)測結(jié)果表明，在沉樁過程中樁側(cè)摩阻力會產(chǎn)生退化效應(yīng)，并且沉樁對淺層土體的擾動更強(qiáng)烈。

目前對于打樁問題的研究大多基于小直徑樁，然而隨著海洋資源的開發(fā)不斷向深海地區(qū)發(fā)展，鋼管樁基礎(chǔ)向著大直徑、超長、深貫入、大承載力的方向發(fā)展[9]，這些新特點(diǎn)很可能會導(dǎo)致在實(shí)際工程中對樁可打入性判斷失誤，使得在動力沉樁過程中發(fā)生溜樁等極端情況[10]，不僅會延誤工期、影響工程質(zhì)量，而且可能會發(fā)生重大安全事故，后果十分嚴(yán)重。在打樁之前進(jìn)行準(zhǔn)確的打樁分析對保證安全、高效地完成工程具有重要意義。在打樁分析時，地基土模型需要確定的參數(shù)較多且較重要。只有準(zhǔn)確地計算土阻力參數(shù)，才能有效保證分析結(jié)果的可靠性。

本文對比3種確定靜態(tài)土阻力的方法，應(yīng)用GRLWEAP軟件對實(shí)際工程的大直徑鋼管樁基礎(chǔ)進(jìn)行可打入性分析，并基于實(shí)測結(jié)果，揭示在大直徑鋼管樁連續(xù)打樁過程中樁周土體強(qiáng)度的衰減規(guī)律。

1 打樁分析理論基礎(chǔ)

1.1 能量傳遞

在動力沉樁過程中，在一定的錘芯動能EK下，永久貫入度s越小，則土阻力越大，這種阻力阻擋樁的貫入。動力公式為

Es=Rus

(1)

式中：Es為用于土做功的能量；Ru為樁的最大承載力，包括樁側(cè)阻力Rus和樁端阻力Rut兩部分。在一般情況下，Es并不等于EK，能量平衡公式為

Es=EK-Eds-Epl-Esl

(2)

式中：Eds、Epl和Esl分別為消耗在打樁系統(tǒng)、樁和土中的能量。EK需根據(jù)打樁錘的額定能量Er計算，公式為

EK=ehEr

(3)

式中：eh為錘的效率，取值范圍為0～1。

在錘擊過程中，EK會傳遞至打樁系統(tǒng)中，并在打樁系統(tǒng)中損失一部分，如圖1所示。傳遞至樁頂?shù)膭幽転?/p>

EK-Eds=edehEr

(4)

圖1 簡化的能量平衡

式中：ed為打樁系統(tǒng)的能量損失系數(shù)。

最終能量平衡公式為

edehEr-Epl-Esl=Rus

(5)

1.2 地基土阻力模型

在打樁分析中地基土模型主要采用Smith模型，即包括1個彈簧和1個阻尼器，如圖2所示。在樁-土模型中，樁被分成多個單元，每個單元的長度為ΔL，隨著樁的貫入，地基土先發(fā)生彈性變形，令Ks,i為彈簧模型剛度，則最大彈性變形稱為彈限，用q表示。當(dāng)?shù)鼗恋淖冃纬^彈限q時，將產(chǎn)生塑性變形，此時地基土的靜阻力保持不變，用極限靜阻力Ru,i表示為

(6)

式中：Rs,i為作用在單元i上的靜阻力；ui為單元i發(fā)生的變形；qi為單元i的彈限。在卸載時，彈簧的比率與加載時相同。地基土在樁側(cè)處的阻力可變成負(fù)值，但不能小于-Ru,i，在樁端處靜阻力不能小于零。

圖2 樁-土模型

阻尼模型為Smith的標(biāo)準(zhǔn)模型

Rd,i=js,i|Rs,i|vi

(7)

式中：Rd,i為土的動阻力；js,i為阻尼系數(shù)；vi為樁單元速度。

另一個阻尼模型為Smith黏滯阻尼模型

Rd,i=js,i|Ru,i|vi

(8)

式中：Ru,i代替了Rs,i。這樣js,i|Ru,i|就為常數(shù)，式(8)即為線性黏滯阻尼公式[11]。在地基土模型的參數(shù)中，樁側(cè)土體的彈限幾乎不變，一般采用2.5 mm。然而樁端土體的彈限變化較大，以樁直徑D的函數(shù)表示，例如：對很密的砂土或硬黏土，建議其值為D/120；對于軟土，建議其值為D/60。

1.3 土體強(qiáng)度弱化模擬

大能量打樁錘反復(fù)錘擊樁頂使得樁對周圍一定半徑范圍內(nèi)的土體產(chǎn)生擾動和破壞作用。周期性反復(fù)多次震動導(dǎo)致土體中孔隙水壓力升高和土體結(jié)構(gòu)破壞，從而引起強(qiáng)度的下降?？紫端畨毫ι邔?dǎo)致的強(qiáng)度降低可用有效應(yīng)力原理解釋[12-13]。在海洋工程中特別對于超長的大直徑鋼管樁而言，打樁時的錘擊能量達(dá)2 300 kJ甚至更大，這種大能量反復(fù)錘擊導(dǎo)致樁周土的孔隙水壓力始終保持在較高的水平，土體強(qiáng)度弱化明顯[14]。已有工程實(shí)測資料[15]表明，剛施工的樁周土十字板強(qiáng)度比原地基土降低10%～40%。

除常見經(jīng)驗(yàn)公式外，在GRLWEAP程序中采用Gain/Loss系數(shù)fGL和恢復(fù)系數(shù)fs模擬沉樁過程中土體強(qiáng)度的弱化。通過靜態(tài)土阻力分析得到的值稱為長期靜阻力FLSTR，在沉樁過程中遇到的實(shí)際阻力定義為沉樁阻力FSRD，兩者的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

FSRD=fRDFLSTR

(9)

式中：fRD為土體強(qiáng)度折減因子。當(dāng)只有單一土層時fRD=1/fs，但當(dāng)有多個土層時fRD的值需要分層計算。

(10)

(11)

2 靜態(tài)土阻力分析

靜態(tài)土阻力分析是打樁分析的第一步，主要是確定樁的單位側(cè)阻力和單位端阻力。目前常用的確定樁周靜態(tài)土阻力的方法主要有兩種：一種基于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(Standard Penetration Test，SPT)結(jié)果由經(jīng)驗(yàn)公式獲得；另一種根據(jù)土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)按照規(guī)范方法計算獲得。在打樁分析中分別采用標(biāo)準(zhǔn)貫入法(簡稱“標(biāo)貫法”)和規(guī)范方法，其中規(guī)范方法采用美國石油協(xié)會(API)規(guī)范[16](簡稱“API規(guī)范法”)和《碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JTS 167—2018)[17](簡稱“港口規(guī)范法”)等2種方法。

2.1 標(biāo)貫法

標(biāo)貫法是基于工程經(jīng)驗(yàn)公式并根據(jù)SPT參數(shù)進(jìn)行靜態(tài)土阻力分析的方法。在GRLWEAP程序中，采用美國的經(jīng)驗(yàn)公式。在利用標(biāo)貫法進(jìn)行靜態(tài)土阻力分析時，需已知每層土體的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N和有效容重γ′，并利用γ′計算出所討論點(diǎn)的有效上覆土壓力σ′v。

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(DBJ 15-31—2016)[18]提出，砂土中內(nèi)摩擦角φ與標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N之間的關(guān)系為

(12)

在中冶集團(tuán)武漢勘察研究院有限公司的相關(guān)資料中，利用標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N確定了黏性土中黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的大小。

《高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 72—2017)[19]給出了利用標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N分別確定樁周土極限側(cè)阻力和樁端土極限端阻力的方法。

2.2 API規(guī)范法

依據(jù)API規(guī)范[16]，利用土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行靜態(tài)土阻力分析。在利用API規(guī)范法進(jìn)行靜態(tài)土阻力分析時，需已知黏土的不排水抗剪強(qiáng)度cu、砂土的外摩擦角δ和密實(shí)度，以及每層土體的有效容重γ′等參數(shù)，再利用API規(guī)范中的方法計算每層土的單位側(cè)阻力和單位端阻力。

2.3 港口規(guī)范法

港口規(guī)范法是將通過該規(guī)范查到的單位面積極限樁側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值和樁端阻力標(biāo)準(zhǔn)值作為靜態(tài)土阻力分析結(jié)果的方法。在利用港口規(guī)范法進(jìn)行靜態(tài)土阻力分析時需已知沉樁方式、每層土體的類別和狀態(tài)以及土層深度等參數(shù)。

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

廣東省某風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)采用4根鋼管樁，樁長為89.56 m，設(shè)計入泥深度為81.9 m。樁外徑為2 400 mm，樁壁厚為55 mm，彈性模量為2.1×105MPa，密度為7 750 kg/m3。選用IHC-S-1200型打樁錘，無樁墊，額定功率為1 208 kJ，錘芯質(zhì)量為60 t，錘效為95%，最大沖程為2.02 m。樁的自重入泥深度為14.8 m，壓錘入泥1.2 m。樁周土體參數(shù)如表1所示。

表1 樁周土體參數(shù)

3.2 可打入性分析

利用GRLWEAP軟件對動力沉樁過程進(jìn)行可打入性分析。靜態(tài)土阻力分別按照第2節(jié)3種方法確定。考慮連續(xù)打樁對樁周土體的擾動，通過對靜態(tài)土阻力進(jìn)行折減獲得打樁時的動態(tài)樁周土阻力。折減因子采用常系數(shù)法計算，黏土折減因子取0.50，砂土折減因子取0.83。

(1) 樁周土體靜阻力

采用標(biāo)貫法、API規(guī)范法和港口規(guī)范法計算得到的樁的單位側(cè)阻力和單位端阻力如表2所示。

表2 土阻力參數(shù) kPa

續(xù)表2 土阻力參數(shù) kPa

樁周阻力為樁側(cè)阻力與樁端阻力之和，根據(jù)表2繪制樁周阻力與貫入深度的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 樁周阻力與貫入深度關(guān)系曲線

當(dāng)貫入深度不到-65 m時，3種方法的計算結(jié)果一致性較高；當(dāng)貫入深度超過-65 m時，3種方法得到的結(jié)果出現(xiàn)偏差，其中采用API規(guī)范法計算得到的樁周阻力明顯偏小，說明采用API規(guī)范計算深層土體強(qiáng)度時偏于保守。

(2) 可打入性

圖4為錘擊數(shù)與貫入深度的關(guān)系曲線，圖4給出采用3種不同方法計算土阻力參數(shù)進(jìn)行打樁分析得到的結(jié)果，同時給出該工程實(shí)際打樁記錄曲線作為評價結(jié)果可靠性的依據(jù)。由圖4可知，采用3種不同方法進(jìn)行打樁分析得到的錘擊數(shù)隨貫入深度的變化趨勢基本一致，且利用標(biāo)貫法進(jìn)行打樁分析得到的結(jié)果更接近實(shí)測打樁記錄。但打樁分析得到的樁在打樁前的自重入泥深度均大于實(shí)測值，其中采用API規(guī)范法和港口規(guī)范法進(jìn)行分析時得到的自重入泥深度更大，說明采用這2種規(guī)范計算表層土體強(qiáng)度時均偏于保守。

圖4 錘擊數(shù)與貫入深度關(guān)系曲線

圖5為沉樁至最大貫入深度-81.9 m處，分別用3種方法進(jìn)行可打入性分析得到的樁身應(yīng)力。由圖5可知，采用3種方法進(jìn)行可打入性分析得到的樁身應(yīng)力符合度較高，且采用3種方法計算得到的樁身壓應(yīng)力最大值為206.5 MPa，拉應(yīng)力最大值為63.2 MPa，均小于鋼管樁的許用應(yīng)力(310.5 MPa)，因此在打樁過程中樁身不會發(fā)生柱狀屈曲，滿足強(qiáng)度要求。

圖5 樁身應(yīng)力與貫入深度關(guān)系曲線

3.3 樁周土體強(qiáng)度弱化

(1) 土體弱化規(guī)律

由圖4可知，當(dāng)深度不到-65 m時打樁分析得到的錘擊數(shù)基本大于實(shí)測值，當(dāng)深度超過-65 m時則相反，說明在打樁過程中樁周土體的強(qiáng)度弱化程度與土層深度有關(guān)，且深度越小弱化程度越大。這是由于在動力沉樁過程中，樁身不斷剪切土體，上層土體受到的剪切次數(shù)更多，剪切速率更大，因此土體強(qiáng)度的弱化程度更大。并且，在黏土層中打樁分析得到的錘擊數(shù)普遍大于實(shí)測打樁記錄，雖然常系數(shù)法在模擬土體強(qiáng)度弱化時考慮了土性的影響，但仍然高估了受擾動后黏土的強(qiáng)度。在打樁過程中，黏土受擾動而產(chǎn)生強(qiáng)度弱化的程度遠(yuǎn)大于砂土。因此，在預(yù)測溜樁等極端狀況時，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注深度較淺的黏土層。

(2) 不同強(qiáng)度弱化模擬方法對比

基于GRLWEAP程序中的標(biāo)貫法進(jìn)行靜態(tài)土阻力分析，分別采用常系數(shù)法、線性法、非線性法、指數(shù)法和應(yīng)力歷史法等5種常用方法模擬土體強(qiáng)度弱化，計算結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，采用常系數(shù)法所得結(jié)果與實(shí)測值更接近，說明采用考慮土性影響的折減因子計算方法能更好地模擬土體強(qiáng)度弱化，應(yīng)力歷史法次之，而單純考慮土層深度與折減因子關(guān)系的線性法、非線性法和指數(shù)法與實(shí)測值差距較大，尤其在砂土中表現(xiàn)得更明顯。

圖6 不同方法模擬土體強(qiáng)度弱化計算結(jié)果

4 結(jié) 論

對比分析3種確定靜態(tài)土阻力的方法，應(yīng)用GRLWEAP軟件對實(shí)際工程的鋼管樁基礎(chǔ)進(jìn)行可打入性分析，并基于實(shí)測結(jié)果，揭示在大直徑鋼管樁連續(xù)打樁過程中樁周土體強(qiáng)度的衰減規(guī)律，具體結(jié)論如下：

(1) 在動力沉樁過程中，特別是打入長樁時，樁身長時間連續(xù)剪切周圍土體，導(dǎo)致土體強(qiáng)度弱化，與深層土體相比，上層土體受到的剪切次數(shù)更多、速率更快，因此土體強(qiáng)度弱化程度更大。且在打樁過程中黏土受擾動而產(chǎn)生強(qiáng)度弱化的程度遠(yuǎn)大于砂土，因此在深度較淺的黏土層中更易發(fā)生溜樁等極端狀況。

(2) 采用GRLWEAP程序中的標(biāo)貫法確定樁周土體的靜阻力較規(guī)范方法得到的結(jié)果更接近實(shí)測打樁記錄，采用API規(guī)范法計算得到的土體強(qiáng)度偏于保守，采用港口規(guī)范法計算得到的表層土體強(qiáng)度偏小。

(3) 對于沉樁過程中樁身應(yīng)力的計算，不同方法得到的數(shù)值結(jié)果符合度較高，最大拉壓應(yīng)力出現(xiàn)的位置和幅值均相差不大，采用GRLWEAP程序計算得到的樁身應(yīng)力準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性較高。

(4) 在常用土體強(qiáng)度弱化模擬方法中，考慮土性影響的常系數(shù)法模擬效果更好，但計算結(jié)果與真實(shí)情況仍有差異。土性和土層深度對土體強(qiáng)度弱化均有影響，在打樁分析中綜合考慮兩種因素才能更準(zhǔn)確地模擬土體強(qiáng)度弱化規(guī)律。