開口鋼管樁土塞效應(yīng)淺析與簡化推演計(jì)算

張露露 江偉 潘瀅

摘 要：從土塞效應(yīng)形成機(jī)理、影響因素及力學(xué)分析出發(fā)，基于既有理論研究分析，對(duì)以密實(shí)砂層為持力層的開口鋼管樁土塞效應(yīng)計(jì)算適當(dāng)簡化，推演提出開口鋼管樁的土塞效應(yīng)折減系數(shù)計(jì)算，并結(jié)合高應(yīng)變動(dòng)力檢測結(jié)果對(duì)比分析，總體上是合理且偏于安全的，為打入式開口鋼管樁設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工提供一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：土塞效應(yīng) 極限承載力 海利公式 土體恢復(fù)系數(shù)

打入式開口鋼管樁因其抗彎能力高、貫入穿透性強(qiáng)等優(yōu)勢，在水平力較大、持力層埋深較深、沉樁貫入難度較大、自由端較長時(shí)廣泛采用。因土塞效應(yīng)尚未建立完善的理論計(jì)算，開口鋼管樁承載力量化分析更為復(fù)雜和困難。基于既有理論研究分析，推演提出針對(duì)以密實(shí)砂層為持力層的開口鋼管樁土塞效應(yīng)的理論分析計(jì)算，并通過規(guī)范推演計(jì)算、高應(yīng)變動(dòng)力檢測結(jié)果對(duì)比分析，對(duì)于以密實(shí)砂層為持力層的開口鋼管樁豎向極限承載力計(jì)算具有一定的參考意義。

1.土塞效應(yīng)

1.1土塞形成機(jī)理

沉樁過程中，樁端部分土不可避免的將涌入開口管樁內(nèi)壁形成土塞，此時(shí)樁內(nèi)側(cè)土柱為一維排列，而樁外側(cè)土理論上可以徑向無限延伸，因此導(dǎo)致樁內(nèi)外側(cè)剪應(yīng)力發(fā)揮不同。曾有學(xué)者提出了著名的“動(dòng)力拱”效應(yīng)，拱效應(yīng)機(jī)制的基礎(chǔ)是在形成空間球帽狀的土拱過程中，土顆粒沿主應(yīng)力方向重新分布定位。在管樁逐步貫入過程中，涌入管樁內(nèi)的土經(jīng)歷了拱的形成與破壞交替循環(huán)過程。當(dāng)荷載超過拱的承載力時(shí)，拱發(fā)生剪切和膨脹破壞，樁端土隨之再次涌入管樁內(nèi)，形成新拱。拱效應(yīng)將樁底土阻力轉(zhuǎn)變?yōu)楣軜秲?nèi)壁的法向擠壓應(yīng)力，導(dǎo)致管樁內(nèi)壁負(fù)側(cè)摩阻力的提高，從而削弱了管樁豎向極限承載力。

1.2 土塞性狀影響因素

國內(nèi)外大量的試驗(yàn)研究和現(xiàn)場實(shí)測資料表明，在沉樁過程中，土塞的形成、閉塞程度與樁端土性（應(yīng)力狀態(tài)和密實(shí)度）、樁基的幾何特征（如樁徑、壁厚、樁靴類型等）、成樁方法（打入樁或靜壓樁）、樁基入土深度及進(jìn)入樁端持力層深度等諸多因素有關(guān)，其中以土層性質(zhì)、樁徑、進(jìn)入樁端持力層深度影響最為顯著。相較于粘土層和粉土層，在密實(shí)砂層中，管壁阻力明顯增加；小直徑開口鋼管樁（直徑小于600mm）土塞效應(yīng)強(qiáng)，可視作閉口樁；樁內(nèi)徑與壁厚之比越大的樁基，在打樁過程中形成土塞高度越大；隨著貫入持力層深度的增加，土塞高度增長減慢，直至土塞效應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定的最大發(fā)揮狀態(tài)。

1.3 土塞受力分析

2.高應(yīng)變動(dòng)力檢測

2.1 土體恢復(fù)系數(shù)

沉樁時(shí)，通過錘擊施加震動(dòng)作用克服土體側(cè)向壓力達(dá)到沉樁的。這種對(duì)土的沖剪排擠作用破壞了樁周土體的穩(wěn)定平衡，使得土體受到破壞。而在沉樁后，樁周土體在諸多因素共同作用下，隨著時(shí)間的推移土體強(qiáng)度不斷得到恢復(fù)，樁周土與樁身間空隙不斷密實(shí)，土體重新達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，從而使得樁基承載力得以增加。這種時(shí)間效應(yīng)導(dǎo)致樁基極限承載力在土體重新穩(wěn)定恢復(fù)后的大小與沉樁結(jié)束之時(shí)的大小比值即為土體恢復(fù)系數(shù)K值。

土體恢復(fù)系數(shù)與沉樁方式（如打入樁、靜壓樁、錘型等）、土體性質(zhì)（如土體的粘性、密實(shí)度等）、樁基特征（如樁徑、樁長等）、休止恢復(fù)時(shí)間等因素有關(guān)。一般而言，在相同其它條件下，靜壓法施工對(duì)土體擾動(dòng)破壞較弱，土體恢復(fù)系數(shù)小于錘擊法施工，而對(duì)于錘擊法施工，錘重越重，恢復(fù)系數(shù)越大；黏性土恢復(fù)系數(shù)較大、粉土較小、砂土更??；樁徑越大、樁長越長，土體恢復(fù)系數(shù)越大，所需要的休止恢復(fù)時(shí)間也越長；樁基承載力隨著時(shí)間增加而增長，開始增長迅速，最后逐漸趨于穩(wěn)定。

3.工程案例檢驗(yàn)

3.1工程概況

某工程碼頭及引橋均采用高樁結(jié)構(gòu)，其中碼頭基樁為φ1000mm開口鋼管樁，每榀排架設(shè)6根基樁，其中軌道梁下設(shè)半叉樁，其余均為直樁；引橋墩臺(tái)基樁為φ1200mm開口鋼管樁，每個(gè)墩臺(tái)設(shè)2根基樁?；鶚兑灾写稚盀榛A(chǔ)持力層，樁周黏性土分布較為均勻。沉樁施工的樁錘型號(hào)為D128型柴油錘，采用PDA對(duì)30根樁基（其中碼頭處φ1000mm鋼管樁12根、引橋處φ1200mm鋼管樁18根）進(jìn)行高應(yīng)變動(dòng)力檢測，其中選取7根樁基進(jìn)行高應(yīng)變復(fù)測（其中碼頭處φ1000mm鋼管樁3根、引橋處φ1200mm鋼管樁4根）。

3.2 承載力對(duì)比分析

（1）土塞效應(yīng)折減系數(shù)計(jì)算

碼頭處φ1000mm鋼管樁終錘時(shí)樁端進(jìn)入持力層深度均超過5m，引橋處φ1200mm鋼管樁終錘時(shí)樁端進(jìn)入持力層深度約4～6m，根據(jù)式（10）及《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，計(jì)算得到碼頭處、引橋處鋼管樁土塞效應(yīng)折減系數(shù)分別為0.55和0.37～0.55。

（2）高應(yīng)變動(dòng)力檢測中土體恢復(fù)系數(shù)計(jì)算

利用PDA對(duì)7根基樁進(jìn)行高應(yīng)變初測與復(fù)測，得到土體恢復(fù)系數(shù) 值統(tǒng)計(jì)表如表1。

從表1可以看出，打樁后土體恢復(fù)較迅速，10d左右已得到基本恢復(fù)，土體恢復(fù)系數(shù)約為1.09～1.23之間，均方差為0.029～0.039，認(rèn)為碼頭處φ1000mm鋼管樁、引橋處φ1200mm鋼管樁的土體恢復(fù)系數(shù)K值分別取平均值1.19和1.14是基本合理的。

（3）計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

基于以上分析與計(jì)算，考慮土體恢復(fù)后樁基極限承載力的提高，分別利用基于本文推演并結(jié)合水運(yùn)工程與建筑行業(yè)規(guī)范計(jì)算公式（規(guī)范推演計(jì)算值）、高應(yīng)變動(dòng)力檢測（PDA動(dòng)測檢測值）計(jì)算開口鋼管樁豎向極限承載力，對(duì)比結(jié)果見圖3、圖4；統(tǒng)計(jì)規(guī)范推演計(jì)算值與PDA動(dòng)測檢測值比值a樣本分布，見表2。

從三者結(jié)果對(duì)比分析來看，可得出以下結(jié)論：

① 二者計(jì)算以密實(shí)砂層為持力層的開口鋼管樁豎向極限承載力的結(jié)果基本相符，整體而言， PDA動(dòng)測檢測值高于規(guī)范推演計(jì)算值。

② 大多數(shù)情況下，規(guī)范推演計(jì)算值比PDA動(dòng)測檢測值偏小10%～20%以內(nèi)，未出現(xiàn)高于PDA動(dòng)測檢測值情況，認(rèn)為利用本文推演的土塞效應(yīng)系數(shù)對(duì)于計(jì)算以密實(shí)砂層為持力層的開口鋼管樁豎向極限承載力總體上是合理且偏于安全的。

4.結(jié)語

從土塞效應(yīng)形成機(jī)理、影響因素及力學(xué)分析出發(fā)，對(duì)以密實(shí)砂層為持力層的開口鋼管樁土塞效應(yīng)計(jì)算適當(dāng)簡化， 推演得出可運(yùn)用于水運(yùn)工程規(guī)范計(jì)算開口鋼管樁豎向極限承載力的土塞效應(yīng)折減系數(shù)，并結(jié)合海利公式、高應(yīng)變動(dòng)力檢測對(duì)比分析，得出以下結(jié)論與建議：

（1）沉樁過程中，開口樁樁端部分土不可避免的將涌入管樁內(nèi)壁形成土塞，土塞的形成、閉塞程度與樁端土性（應(yīng)力狀態(tài)和密實(shí)度）、樁基的幾何特征（如樁徑、壁厚、樁靴類型等）、成樁方法（打入樁或靜壓樁）、樁基入土深度及進(jìn)入樁端持力層深度等諸多因素有關(guān)。土塞效應(yīng)影響因素復(fù)雜，尚缺乏完善的理論與方法，建議從細(xì)觀力學(xué)機(jī)制出發(fā)，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析與數(shù)值模擬各方面因素，研究土塞效應(yīng)力學(xué)機(jī)制，全面指導(dǎo)工程應(yīng)用。

（2）基于一維豎向平衡的研究方法，建立了土塞豎向力學(xué)平衡方程，并通過壓力室試驗(yàn)，研究了以密實(shí)砂層為持力層的管樁土塞增量填充率特性。

（3）分析土塞效應(yīng)的關(guān)鍵影響因素，結(jié)合力學(xué)與土塞增量填充率特性研究，分析既有理論研究合理性，建立了簡化的土塞效應(yīng)折減系數(shù)計(jì)算公式，并從“統(tǒng)標(biāo)”出發(fā)，推演得出可運(yùn)用于水運(yùn)工程規(guī)范計(jì)算開口鋼管樁豎向極限承載力的土塞效應(yīng)折減系數(shù)。

（4）通過規(guī)范推演計(jì)算與高應(yīng)變動(dòng)力檢測對(duì)比分析，認(rèn)為本文推演得出的可運(yùn)用于水運(yùn)工程規(guī)范公式計(jì)算開口鋼管樁豎向極限承載力的土塞效應(yīng)折減系數(shù)總體上是合理且偏于安全的，對(duì)于以密實(shí)砂層為持力層的開口鋼管樁豎向極限承載力計(jì)算具有一定的參考意義。

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