海上大直徑鋼管樁打樁過程中樁周土強度弱化研究

孟祥然，劉 潤，練繼建，賈沼霖，劉玉飛，王小合

(1.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300350；2.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038；3.華電重工股份有限公司，天津 300010)

我國近海風(fēng)能資源豐富，單樁基礎(chǔ)單樁作為最常見的海工結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)形式之一[1]，在海上風(fēng)電場中的使用率占65%以上[2]。隨著海洋風(fēng)能資源的不斷開發(fā)，需要在環(huán)境復(fù)雜多變、波浪潮汐劇烈、地質(zhì)條件不良的海域設(shè)置風(fēng)電機組，這就促使了鋼管樁基礎(chǔ)向著大直徑、超長、深貫入、大承載力的方向發(fā)展，海上風(fēng)電的單樁基礎(chǔ)已經(jīng)從2008年的樁徑4 m增加到目前的樁徑10 m。這些特點的出現(xiàn)引發(fā)了一系列新的問題，尤其是沉樁過程中樁周土體強度弱化現(xiàn)象更為明顯，導(dǎo)致在實際工程中溜樁[3]現(xiàn)象頻發(fā)，成為海洋樁基施工中最大的安全隱患。因此深入研究動力沉樁機理，揭示沉樁過程中土體強度弱化規(guī)律，從而準(zhǔn)確地進行樁的可打入性分析，對于保證工程安全高效地完成具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對于打樁過程中樁周土體強度弱化問題開展了大量研究。早在1955年，Seed等[4]就研究了打入粉質(zhì)黏土中的閉口樁，并對打樁前后沿樁身不同位置的土樣進行了試驗，發(fā)現(xiàn)樁側(cè)土體強度損失最大可達70%。Airhart等[5]也在粉質(zhì)黏土中進行了閉口樁打入試驗，打樁結(jié)束后對樁周土體進行了室內(nèi)三軸試驗，發(fā)現(xiàn)打樁完成時土體強度降低幅度最大，之后隨著超孔隙水壓力消散土體強度逐漸恢復(fù)，最終幾乎恢復(fù)到了沉樁之前的水平。Hwang等[6]開展了一系列的大尺寸沉樁試驗，并觀察沉樁過程中孔隙水壓力的變化，試驗結(jié)果表明，樁在下沉到4倍樁徑深度時孔隙水壓力達到最大值，并且黏土和砂土的孔隙水壓力變化趨勢并不相同。葉觀寶等[7]分析了打樁對樁周土的影響機理，并利用孔穴擴張理論來模擬沉樁過程，得到了沉樁瞬時超孔隙水壓力分布的理論解答，并通過工程實例初步驗證了利用孔壓靜力觸探試驗估算沉樁過程中產(chǎn)生的超孔隙水壓力的可行性。劉潤等[8-9]提出樁長時間連續(xù)運動導(dǎo)致樁側(cè)土體強度降低，土體產(chǎn)生了疲勞，沉樁相對容易，使得樁體的貫入度與錘擊數(shù)較預(yù)測偏低，并基于動力打樁分析軟件GRLWEAP，引入疲勞因子對土體強度的降低進行了數(shù)值模擬。Yan等[10]發(fā)現(xiàn)黏性土和密實砂土的土體強度弱化程度有很大的區(qū)別，砂性土相較于黏性土強度弱化程度不高，并在現(xiàn)有非線性算法的基礎(chǔ)上提出了對密實砂層進行“強度補償”的概念以及計算公式。綜上所述，打樁過程中影響打樁阻力的因素較多且作用規(guī)律復(fù)雜，特別對于直徑大于4 m的鋼管樁基礎(chǔ)，其打樁過程中樁周土體強度弱化規(guī)律還需進一步研究。

文中研究鋼管樁在打樁過程中樁周土體強度弱化的現(xiàn)象，開展了室內(nèi)環(huán)剪試驗，分析了打樁過程中樁周土強度弱化機理，提出了大直徑鋼管樁打樁過程土體強度弱化的計算方法。

1 環(huán)剪試驗

動力沉樁過程中，樁身不斷剪切周圍土體導(dǎo)致土體的強度弱化，這一現(xiàn)象可以用室內(nèi)循環(huán)剪切試驗來模擬，發(fā)生弱化后的強度即為土體的殘余強度。目前，研究土體殘余強度的循環(huán)剪切試驗方法主要有3種，分別為反復(fù)直剪試驗、三軸壓縮試驗和環(huán)剪試驗。其中，反復(fù)直剪試驗是應(yīng)用應(yīng)變控制式直接剪切儀，在排水條件下對土樣進行反復(fù)直剪，最終測得土體的殘余強度。三軸壓縮試驗過程中土樣受到的水平方向作用力不變，不斷增加豎向壓力，最終使土樣受到剪切作用出現(xiàn)破壞，由此通過對應(yīng)的計算，能夠獲得所需要的殘余強度數(shù)值。環(huán)剪試驗是一種依靠環(huán)剪儀進行的剪切試驗，與反復(fù)直剪試驗和三軸壓縮試驗相比，環(huán)剪試驗具有能夠?qū)崿F(xiàn)大剪切位移，試驗過程中保持剪切面積不變，以及試樣可在連續(xù)的位移條件下進行剪切等優(yōu)點，樁身剪切土體的過程中也具有大剪切位移和剪切位移連續(xù)等特點，因此使用環(huán)剪試驗?zāi)芨玫啬M動力沉樁過程中的土體強度弱化現(xiàn)象。

1.1 試驗方案

環(huán)剪試驗采用GCTS公司生產(chǎn)的SRS-150環(huán)剪儀，試驗儀器屬于Bromhead環(huán)剪儀，并且儀器本身對試驗精度的影響已經(jīng)最大限度消除[11]。如圖1所示為裝樣的過程，荷載板底部為錐形，且荷載板與試樣盒并未接觸。

圖1 裝樣過程

分別采用了黏土和砂土進行環(huán)剪試驗。其中黏土是由高嶺土制成，并采用真空預(yù)壓的方法使土樣達到一定的初始強度。試驗黏土的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。試驗用砂土采用福建標(biāo)準(zhǔn)砂，物理性質(zhì)指標(biāo)如表2所示。

表1 高嶺土物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 福建標(biāo)準(zhǔn)砂物理性質(zhì)指標(biāo)

環(huán)剪試驗的方法主要有3種，分別為預(yù)剪、單級剪和多級剪，每種方法各有不同的特點。單級剪每個土樣所受到的剪切位移較小，引起土樣的擠出量和試驗誤差也就較小，但操作較為復(fù)雜。多級剪能保持試樣的統(tǒng)一性并且簡便省時，但同一土樣連續(xù)受到剪切會產(chǎn)生較大的剪切位移，會引起較多土樣的擠出，試驗誤差也較大。根據(jù)不同剪切方法的特點，試驗中黏土采用單級剪，砂土采用多級剪，具體試驗方案如表3所示。

表3 環(huán)剪試驗方案

1.2 試驗結(jié)果

軟黏土采用單級剪的試驗方法，在每次剪切之前先用剪切時的正應(yīng)力固結(jié)24 h，直到沉降穩(wěn)定后開始剪切。軟黏土剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，在剪切過程中，軟黏土的強度很快達到最大值，之后會有明顯衰減并最終達到一個穩(wěn)定值。其中強度最大值稱為峰值強度τp，最終的強度τr穩(wěn)定值稱為殘余強度。隨著正應(yīng)力的增大，軟黏土的峰值強度和殘余強度均增大。

圖2 軟黏土剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

砂土采用多級剪的試驗方法，在每次剪切之前先用剪切時的正應(yīng)力固結(jié)15 h，直到沉降穩(wěn)定后開始剪切，每次剪切完成后直接進入下一級的固結(jié)。圖3為砂土剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線。從圖3中可以看出，砂土強度達到峰值后開始衰減，最終在殘余強度附近波動，并且隨著正應(yīng)力的增加，砂土的峰值強度τp和殘余強度τr也均有所增加。

圖3 砂土剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

2 樁周土體強度弱化

2.1 土體強度弱化機理

打樁過程中土體強度弱化主要有兩個方面原因，一是土體中產(chǎn)生超孔隙水壓力[12]，二是土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞[13]。超孔隙水壓力引起的土體強度弱化可以用有效應(yīng)力原理來解釋[14-15]。飽和土體任一平面上受到的總應(yīng)力σ可以分為有效應(yīng)力σ′和孔隙水壓力u兩部分。在打樁之前地基土中原有應(yīng)力關(guān)系為：

σ=σ′+u0

(1)

式中：u0為初始孔隙水壓力，此時為靜水壓力。

打樁過程中地基土應(yīng)力關(guān)系為：

σ=σ′+u0+Δu

(2)

式中：Δu為超孔隙水壓力。

地基土強度為：

τf=σ′tanφ=(σ-u0-Δu)tanφ

(3)

由式(3)知，地基土的變形和強度都只與有效應(yīng)力有關(guān)，當(dāng)土中產(chǎn)生超孔隙水壓力時，有效應(yīng)力就會減小，土體強度則會發(fā)生弱化。

目前，國內(nèi)外學(xué)者普遍采用孔穴擴張理論來研究樁側(cè)土體中應(yīng)力和孔隙水壓力的變化，而打樁引起的土體結(jié)構(gòu)改變則較難確定。打樁過程中樁周土體可分為4個區(qū)域[16]，如圖4所示。A區(qū)緊貼于樁身表面，受到的擠壓力也最大，瞬時形成極高的超孔隙壓力，同時土骨架受到激烈擠壓，土體結(jié)構(gòu)完全破壞。B區(qū)的范圍較大，受沉樁擠壓的影響較為嚴(yán)重，土體發(fā)生較大的位移和塑性變形并產(chǎn)生較高的超孔隙水壓力。C區(qū)受到一定的影響，但是土體壓縮變形是彈性的，超孔隙水壓力較小可以忽略不計。D區(qū)不受沉樁的影響。A區(qū)牢固的黏附在樁身而隨樁一同移動，A、B區(qū)土的分界面就是單樁承載力達到極限時樁周土體的剪切滑動面，其面積顯然大于樁周側(cè)面積；極限摩阻力則取決于B區(qū)土逐漸增長著的抗剪強度。對各區(qū)的范圍有較為統(tǒng)一的結(jié)果，從樁面算起，A區(qū)約為0.125D～0.2D，B、C區(qū)分別為3D和10D，其中D為樁的直徑[17]。

圖4 沉樁對樁周土體影響范圍

2.2 土體強度弱化規(guī)律

環(huán)剪試驗中，殘余強度與峰值強度的比值反應(yīng)了土體強度弱化的程度，將這一比值稱為殘余比，則殘余比越大土體強度弱化程度越小。文中在0.20 m/min的剪切速率下進行試驗分別得到了不同正應(yīng)力下黏土和砂土殘余比。此外，文獻[17]在0.01 m/min的剪切速率下也進行了環(huán)剪試驗。將文中所得到的試驗結(jié)果與文獻[17]結(jié)果進行對比，表4所示為黏土和砂土在不同正應(yīng)力不同剪切速率下的殘余比。圖5所示為不同剪切速率下，砂土和黏土殘余比與正應(yīng)力的關(guān)系曲線。

表4 不同正應(yīng)力不同剪切速率下的殘余比

圖5 土體殘余比與正應(yīng)力關(guān)系曲線

從圖5可以看出，隨著正應(yīng)力的增加，砂土和黏土的殘余比均增加且兩者近似為線性相關(guān)。相同正應(yīng)力條件下，砂土的殘余比明顯大于黏土，說明砂土的強度弱化程度明顯小于黏土。此外，通過將文中試驗結(jié)果與文獻中的結(jié)果對比可知，在相同正應(yīng)力條件下，剪切速率越大，砂土和黏土的殘余比均越小，分析原因在于，一方面剪切速率通過影響剪切帶周圍的孔隙水來影響土體抗剪強度，剪切速率越大，剪切面附近擾動越劇烈，局部剪切帶迅速形成并且不斷發(fā)展，孔隙水未能及時排出，從而產(chǎn)生超孔隙水壓力，導(dǎo)致剪切帶有效應(yīng)力減小，而且匯聚到剪切帶的水起到一定的潤滑作用，土顆粒間相互作用力減弱，導(dǎo)致土體強度降低，因此土體殘余比較?。涣硪环矫婕羟兴俾蕦ν令w粒重新排列有重要的影響，剪切速率較小時，土顆粒相對充分地接觸，沿剪切方向定向重排，細(xì)顆粒填充土骨架孔隙使土體更加密實，顆粒間可充分建立摩擦，所以土體強度較高，因此土體殘余比較大，進而說明剪切速率越大土體強度弱化程度越大。

2.3 土體強度弱化計算方法

在打樁分析過程中，土體強度弱化的模擬是十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，通常是采用對靜態(tài)土體阻力進行折減獲得打樁時的動態(tài)樁周土體阻力的方法。常用的模擬方法中常系數(shù)法模擬土體強度弱化效果較好[15]。該方法采用了Gain/Loss系數(shù)fGL和恢復(fù)系數(shù)fs來模擬沉樁過程中土體強度的弱化。通過靜態(tài)土阻力分析得到的值稱為長期靜阻力LSTR，而在沉樁過程中遇到的實際阻力定義為沉樁阻力SRD，兩者的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

SRD=β·LSTR

(4)

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

(5)

式中：fsx為最靈敏土層的恢復(fù)系數(shù)。

β=1-fs*+fs*fGL

(6)

式中：fs為定值且只與土的類型有關(guān)，因此上述方法在模擬土體強度弱化時充分考慮了土性的影響且相同土性的土層折減因子為常數(shù)，以下將這種強度折減方法稱為常系數(shù)法；fGL需要與最靈敏土層一致，對于其他的土層，土阻力的折減與恢復(fù)系數(shù)成正比。

研究和實踐表明，土性和土層深度對于土體強度弱化均有影響，但是常用的土體強度弱化計算方法都沒有綜合考慮兩種因素，因此在模擬土體強度弱化時還有較大的偏差。基于環(huán)剪試驗的結(jié)果，提出土體強度弱化推薦計算方法。

在環(huán)剪試驗中土體所受的正應(yīng)力即為打樁過程中土體所受側(cè)向土壓力，因此根據(jù)圖5中的兩條擬合曲線可以分別得到黏土和砂土中不同深度處強度折減因子與該處所受側(cè)向土壓力的關(guān)系。其中黏土關(guān)系式如式(7)所示，砂土關(guān)系式如式(8)所示。

βs1=0.535+4×10-4×K0×σ′

(7)

βs2=0.77+2.5×10-4×K0×σ′

(8)

式中：βs1為黏土的強度折減因子；βs2為砂土的折減因子；K0為土體的靜止土壓力系數(shù)；σ′為計算點處有效上覆土壓力，σ′=γ′z，γ′為土體的有效容重，z為土層深度。

因此黏土和砂土中折減因子與土層深度的關(guān)系為：

(9)

(10)

對于其他土性土層的折減因子βs可以基于常系數(shù)法計算：

(11)

式中：βs為任意深度下其他土性土層的折減因子；βs1為相同深度下黏土的折減因子。

對于靜止土壓力系數(shù)K0可以根據(jù)1944年提出的雅基(Jaky)公式計算，即：

K0=1-sinφ′

(12)

式中：φ′為土的有效內(nèi)摩擦角。當(dāng)缺少土體有效內(nèi)摩擦角數(shù)據(jù)時，也可以根據(jù)文獻[18]中的參數(shù)表選用。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

1)工程算例一

某海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)，樁長74.5 m，樁徑6.3 m，設(shè)計入泥深度為52 m。樁周土體參數(shù)見表5。選用IHC-S2000型打樁錘，無樁墊，額定功率為1 998 kJ，錘芯質(zhì)量為100 t，錘效為95%，最大沖程為2.02 m。打樁分析結(jié)果與實際打樁記錄對比如圖6(a)所示。

表5 土層參數(shù)

2)工程算例二

某海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)，樁長72 m，樁徑6.3 m，設(shè)計入泥深度為50 m。樁周土體參數(shù)見表6。選用IHC-S2000型打樁錘，無樁墊，額定功率為1 998 kJ，錘芯質(zhì)量為100 t，錘效為95%，最大沖程為2.02 m。打樁分析結(jié)果與實際打樁記錄對比如圖6(b)所示。

表6 土層參數(shù)

3)工程算例三

某海上風(fēng)電樁基礎(chǔ)，樁長68 m，樁徑6.3 m，設(shè)計入泥深度為46.6 m。樁周土體參數(shù)見表7。選用IHC-S2000型打樁錘，無樁墊，額定功率為1 998 kJ，錘芯質(zhì)量為100 t，錘效為95%，最大沖程為2.02 m。打樁分析結(jié)果與實際打樁記錄對比如圖6(c)所示。

表7 土層參數(shù)

3.2 分析結(jié)果

采用GRLWEAP打樁分析軟件對上述3個工程的樁基礎(chǔ)進行了打樁分析，分析結(jié)果和打樁記錄對比如圖6所示?，F(xiàn)有研究表明，常用的土體強度弱化模擬方法中，常系數(shù)法效果最好[15]，因此將推薦方法與常系數(shù)法進行對比。

圖6 打樁分析結(jié)果與打樁記錄對比

從圖6中可以看出，推薦方法與常系數(shù)法得到的結(jié)果趨勢基本一致，但推薦法計算結(jié)果與實測打樁記錄更為接近，尤其在土層深度較深處較為明顯，說明推薦方法對土體強度弱化的模擬效果更好。原因在于，大量的工程實踐表明，土體的強度弱化不僅與土性相關(guān)而且受到土層埋深，即圍壓的影響。文中的推薦方法將土體強度的折減系數(shù)與土體所受的圍壓相關(guān)聯(lián)，可以更好地模擬深部土體的強度弱化規(guī)律。

4 結(jié) 語

針對大直徑鋼管樁在打樁過程中土體強度發(fā)生弱化的現(xiàn)象，開展了黏土和砂土的室內(nèi)環(huán)剪試驗，揭示土體強度折減程度與剪切速率和所受正應(yīng)力的關(guān)系，從而建立了土體強度折減因子的計算方法，用于實際工程的打樁分析，得到如下結(jié)論：

1)在循環(huán)剪切作用下，黏土和砂土的強度迅速達到峰值強度，之后明顯衰減并最終達到殘余強度；隨著正應(yīng)力的增加，砂土和黏土的殘余比均增加且兩者近似為線性相關(guān)。相同正應(yīng)力條件下，砂土的殘余比明顯大于黏土，并且剪切速率越大，砂土和黏土的殘余比均越小。

2)土體強度弱化程度與土性和土層深度均有關(guān)系，砂土受擾動而產(chǎn)生的強度弱化程度遠(yuǎn)小于軟黏土且土層深度越大土體強度弱化的程度越小，因此打樁過程中埋深較淺的黏土層強度弱化最為顯著，在預(yù)測溜樁等極端狀況時應(yīng)重點關(guān)注。

3)根據(jù)環(huán)剪試驗得到黏土和砂土的殘余比與正應(yīng)力關(guān)系提出了綜合考慮土性和土層深度的土體強度弱化計算方法，利用GRLWEAP軟件對大直徑鋼管樁打樁實例進行了數(shù)值模擬，并將推薦土體強度弱化計算方法與常系數(shù)法進行了對比，結(jié)果表明推薦法對土體強度弱化的模擬效果更好，且對于大直徑，深貫入的樁效果更為明顯。