一种考虑锤击冲击波的钢管桩静承载力分析方法

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  摘 要:为了简化现有静承载力的评估测算过程,提高实际工程中的施工效率和可靠性,提出了一种简单实用的桩基静承载力分析方法。通过测定现场钢管桩打入过程中桩头加速度以及整体应变波形的数据,得到最大锤击能量和最大桩头贯入度;利用准静态分析法计算得到钢管桩的静承载力,并将此计算结果与实际测定值进行对比验证。结果表明:1)通过锤击钢桩激发冲击波求得的最大静承载力与设计容许承载力基本一致;2)桩先端部到达坚实层时,所受最大冲击力约为设计容许承载力的1.9倍;3)通过控制打桩时的锤击次数可以对钢管桩的贯入度进行施工管理。研究提出的静承载力分析方法是可行的,能够为钢管桩的打桩施工提供更多的选择,为桩基施工技术管理优化提供参考。
  关键词: 岩土力学;钢管桩;静承载力;加速度;贯入度
  中图分类号: TU458 +.3   文献标识码:  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
  目前不同基礎设施钢管桩的研究主要集中于基于弹性波动理论和桩侧摩擦对桩的动极限承载力的评估,其值是否超过设计上的静承载力已经成为判断是否停止锤击的重要指标  [1-3] 。近年来,施工现场大多利用冲击载荷试验进行动态响应  [4-7] 。动态响应法是通过测定桩底打入的加速度和桩底的应变波形,将桩的整体模型化,在处理桩与土层接触问题时引入类似弹簧阻尼的计算方法,通过测定结果进行动态响应分析,求得承载力。是于静承载力的设计,KWAK等  [8-10] 在可靠度理论的框架下,从动钢管桩静承载力的阻力因子角度进行了分析。HAN等  [11] 为了更好地了解驱动封闭式管桩在轴向荷载作用下的响应,对多层土剖面中驱动封闭式管桩进行了静荷载试验。FENG等  [12] 在近海地区对2根超长钢管桩进行了现场试验,采用光纤光栅技术监测桩身的应变,对2根试桩进行静载试验,确定其承载能力。应用CASE法选取地基中的物理参数,通过一维波动论展开,求得静承载力和桩侧摩擦力  [13] 。   在施工现场应用任何一种方法,都需要技术人员有实时分析的测量工具和分析系统,这增加了施工难度,减缓了施工进度。如果能够有效利用锤击次数,锤击产生的冲击波形以及桩头贯入度等基本数据,通过测试锤击贯入度获得静承载力,将能够提高施工的可靠性  [14-15] 。本研究选取了 Φ =600 mm, L =44.5 m的钢管桩,通过测定现场钢管桩打入过程中桩头加速度以及整体应变波形的数据,得到最大锤击能量和最大桩头贯入度, 以现场试验数据为基础推测桩的静承载力,随后通过测到的桩身应变波形验证推测结果。
  1  锤击产生的加速度和桩身轴向应变波形的测定
  试验场地地质条件如下,30 m以上地层以粉质黏土为主,30 m以下地层以砂土为主,40~45 m地层为中砂层。
   1.1 测量规格
   用于试驗的钢管桩的形状尺寸和桩身的应变仪安装位置如图1所示。为了测量轴向应变,应变仪(长2 mm)设置在图中的L1—U等点的两侧位置上,并用防水材料覆盖。桩头安装了1 000 m/s 2的应变式加速度计。如图2所示在焊接位置以下 0.5 m 的A-2点。加速度计可测量最大频率为 7 kHz 。
  随着钢管桩打入深度的增加,应变仪出现了断线无法测定等问题。因此笔者使用了打入深度为35.5 m的应变仪和加速度计所测定的数据进行讨论。试验中使用的重锤质量为10 t,最大锤击能量为141 kJ,采样频率为10 kHz,对测定值取平均值进行数据处理。
   1.2 测量结果
   钢管桩贯入状况如图2所示。
  由于打击波形有时出现偏心加载状态,会产生较大误差,所以针对贯入度使用平均波形计算。钢管的弹性纵波波速由式(1)计算:
  v=[KF(]E[]ρ[KF)], (1)
  式中: v 为弹性纵波波速,m/s; E 为钢管弹性模量,N/mm 2 , E =2×10 5 N/mm 2; ρ为密度 ,kg/m 3,  ρ =  7 850 kg/m 3 。弹性纵波波速 v =5 045 m/s。根据距离和弹性波波速,以加速度的峰值时刻( t =20.1 ms)为基准,推算到达各深度时应变仪的波动到达时刻,从而确认锤击引起冲击波波形的传播过程。关于波动的到达时刻,可通过波形上升时间进行计算。
  根据对地层钻探调查结果,贯入度 D 为 18.0~ 35.5 m,加速度波形和各点的应变波形如图3所示。
  当贯入度 D 超过30.0 m时,桩头加速度开始大于300 m/s 2。在地基 N 值急剧增大的  34.0~35.5 m 深度区间,加速度达到400~550 m/s 2。当贯入度 D 超过34.0 m时, 地基 N 值急剧增加,冲击力也在增大,桩头加速度波形呈现锐角状,一般在冲击荷载作用下也显示出类似的波形。 图3 a) —e)的应变波形对应图2中接近A-2点的MU点或U点的最大应变波形,加速度波形高频输出。另一方面,在远离桩头各点的最大应变波形附近,加速度波形低频输出,可以看出这些点比理论上的波动晚 5~8 ms 到达。分析可知,当桩底部地基 N 值较小时,钢管桩在贯入过程中来自桩底部的反射波振幅较小,并且桩侧摩擦力也会对其产生一些影响。与此相对如图3 f)所示,贯入度 D 为35.0~35.5 m, 地基N值 急剧增大时,图2中U点到L2点得到的结果基本上对应于理论上的到达时间。这是由于桩先端部到达 N 值大的坚实层,随着贯入度的变小,钢管桩侧摩擦力也在变小。
  图3 b)-f)的应变波形,对应图2中最接近桩头U点的轴向应变量比第2个接近点MU小,是为了更容易将钢管桩打入土体,上部桩管壁的厚度需大于下部桩壁厚度。U 点和MU 点中间钢管厚度由 t =9 mm变化到14 mm,截面面积增加了1.5倍,这与U点和MU点得到的应变峰值的比大致相对应。
   1.3 桩体贯入度
   图4 a)表示了锤击1次桩头受到的加速度波形。桩体贯入度由加速度波形二次积分算出。
  为了提升精度,本研究在上述触发前后使用了20~110 ms的波形,并在波形的末端进行了速度为0的校正。图4 b)表示了对图4 a)所示的加速度波形进行一次积分并进行校正而获得的速度波形。图4 c)表示了再经过一次积分计算的桩体贯入度波形。图5表示了将图4 c)所示的1次锤击的贯入度累计计算出的锤击次数与桩体贯入度的关系曲线。图5中的细实线表示根据钻探调 查得到的地基N值的分布。
  从图5中可以看出,当贯入度 D 超过30.0 m时,打桩效率会下降,基本上形成与 N值 大小对应的形态。由此可以推断通过钢管桩贯入度和锤击次数的比例关系,在施工现场对钢管桩的锤击进行管理。当打入22.0~28.0 m深时,出现贯入度的不连续现象是由锤击时冲击引起的加速度计黏结松动导致。最后部分的不连续现象是加速度计故障导致显示波形异常。
  2 桩静承载力的换算
   2.1 锤击能量
   钢管桩贯入30.0 m时,锤击1次所受到冲击力以及桩头贯入度波形如图4 c)所示。钢管桩所受冲击力是通过安装在桩头下方2 m的应变仪测定值(桩两侧平均值)乘以钢管桩截面面积和弹性模量计算得出。1次锤击产生的能量通过所受冲击力与桩头贯入度关系曲线的面积求得。1次锤击产生的能量曲线如图6所示。图中曲线为实际能量增加曲线,直线为理论变化趋势。锤击能量到最大桩头贯入度为止一直呈现增加趋势,但之后由于桩体反弹了10 mm左右,能量在保持大致相同值的状态下贯入度相对减少。图7表示了锤击停止时的累计能量变化,以贯入量作为横轴 与N值的分布进行了比较。从图7中也可以看出,当N值增大时,与此对应的累积能量也呈现出增加的趋势,打桩 贯入效率降低。    2.2 静承载力的换算
   采用受到高频冲击力波形计算桩的静承载力时,计算过程会变得繁琐。因此本研究通过使用最大锤击能量和最大桩头贯入度,利用准静态分析法对钢管桩承载力进行计算。图6中的直线表示假定最大锤击能量和最大桩头贯入度具有线性关系,从设计理念出发,定义锤击产生的冲击力可以通过准静态分析法换算成桩的静承载力。根据图6的实际测试结果进行静承载力换算,桩头的最大贯入度为46.2 mm,最大锤击能量为81.4 kJ,换算成静承载力为1 762 kN。考虑施工的安全性,计算时建议使用钢管桩最大贯入度。
   2.3  容许承载力及换算静承载力与测定值的比较
   图8为最大锤击力,换 算得到的静承载力,桩端承载力以及N值变化曲线图,施工设计容许承载力如图中虚线所示 ,此处桩端承载力F= L1 最大应变ε×桩截面面积S×弹性模量E。
  1)所受最大沖击力
   受到的最大冲击力是根据桩头下方2 m处安装的应变仪的测定值乘以桩截面面积和弹性模量求得。从图8可以看出,在桩贯入4 m左右时所受最大冲击力急剧增大,但与 N值分布情况相反,其主要原因尚不清楚。在N值没有增加,桩 贯入度为 5~20 m 时,所受最大冲击力也显示出具有增加的趋势,据推测是受钢管桩侧向摩擦力影响。当贯入度达到30 m后,因受钢管桩侧向摩擦力影响,并且随着 N值增大桩端阻力也随之增加,所受最大冲击力将进一 步增大。在贯入度达到35 m时,所受最大冲击力为3 500 kN左右,是换算得到的静承载力的1.9倍左右。
  2)桩端承载力
  从桩端承载力分布来看,在 N 值相对较小的20.0 m深度的范围内,排除中间4~9 m深范围,与换算得到的静承载力分布相对一致。在贯入度为28.0~34.0 m时与 N值 不对应,桩端承载力表现为 1 000 kN 左右。钢管桩贯入度达到35 m以后,桩先端阻力逐渐增大,达到了换算的静承载力和设计容许承载力相近的值。测定桩端承载力最直接方法是在桩底直接测定,但由于需要在桩尖安装应变仪,在实际操作中难以实现。
  3)静承载力
  由图8所示,通过本研究提出的方法换算的静承载力基本上对应 于N值的分布。在N值达到30以上,桩 体贯入度为35 m左右时,可以很好地满足设计容许承载力,由此判断本文提出方法较为合适。
  3 结 语
  钢管桩基础是高层建筑常用基础,本研究为解决桩头部静承载力分析方法复杂、评估结果难以实际应用等问题,创新性地提出了通过测定钢管桩打入过程中桩头加速度以及整体应变的波形进行综合判定,研究结论如下:
   1)通过桩头所受加速度计算能够得到贯入度波形和冲击力波形,进而求得锤击能量波形,假定锤击能量波形与桩头贯入度呈线性关系,换算得到的最大静承载力与设计容许承载力是基本一致的;  2)所受最大冲击力受钢管桩侧向摩擦力的影响,桩先端部到达坚实层时,所受最大冲击力约为设计容许承载力的1.9倍;  3)锤击次数和桩的贯入度关系与地基 N值分布基本对应,说明通过锤击次数可以对钢管桩的贯入度进行施工管理。
  在满足桩基设计规范的前提下,本研究证实了可以通过桩所受冲击力来推测桩先端部容许承载力,可为今后钢管桩基施工管理提供参考。然而在锤击过程中存在着应变仪和加速度计经常脱落以及断线问题,将在下一步试验中根据不同的地质条件、场地类型和桩径桩长等情形,使用树脂外壳和铝胶带加以保护。另外,本研究的检测样本较少,效果对比不够显著,今后还将进行多样本试验。
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