CN100362172C - 基于后继打桩拒锤时的单桩承载力确定处置桩体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于后继打桩拒锤时的单桩承载力确定处置桩体的方法。属于海洋工程打桩过程中判断桩体质量的技术。本发明根据施工现场的打桩记录，依据理论公式，通过一维波动方程模拟连续打桩过程，计算得到桩体贯入度与锤击数关系曲线，通过调整Q_s，Q_p，S_f，J_P，J_s计算参数使计算曲线与打桩记录曲线能较好吻合，从而确定Q_s，Q_p，S_f，J_P，J_s的取值。以此为基础进行后继打桩分析，通过调整f，q值，模拟拒锤现象。用最终确定的f，q值计算单桩的实际承载力，与设计计算的单桩承载力相比较，确定后继打桩拒锤时桩体的处置。本发明的优点在于：相关参数的获取手段简便易行，可靠性较高，该方法也适用于设计阶段预测打桩停锤一段时间后继续打桩是否会发生拒锤现象。

Description

基于后继打桩拒锤时的单桩承载力确定处置桩体的方法

技术领域

本发明涉及一种基于后继打桩拒锤时的单桩承载力确定处置桩体的方法。属于海洋工程打桩过程中判断桩体质量的技术。

背景技术

在海上进行打桩施工，经常需要接桩、更换打桩锤、或由于气象、船只调度等方面的问题，造成桩体不能连续贯入到设计深度，因此就出现了施工过程中的停锤现象。在海洋工程中，将停锤后继续进行打桩施工称为后继打桩。在打桩停锤后由于地基土体强度的恢复和提高，出现后继打桩的拒锤现象，即锤击数已经达到或超过控制标准，桩体仍无法继续贯入达到设计深度。出现拒锤现象后，通过一定的测试手段结合理论分析确定桩体实际的承载力，通过与原设计承载力进行比较，从而合理确定桩体的处置方法。对于海上打桩工程具有重要的经济意义。

发明内容

本项发明的目的在于提供一种基于后继打桩拒锤时的单桩承载力确定处置桩体的方法。该方法过程简单，可靠性较高。

本发明是通过下述技术方案加以实现的。根据施工现场的打桩记录，依据理论公式，通过对打桩过程模拟公式的分析计算，确定单桩的实际承载力，与原设计计算的单桩承载力相比较，最终确定后继打桩拒锤时桩体的处置方法，该方法特征在于包括以下过程：

1.桩基础设计中采用以下公式计算单桩承载力：

Q_D＝∑(f_i·A_si)+q·A_p    (1)

式中，f_i：第i层土的单位桩侧摩阻方，当土层为粘性土时f＝αc，当土层为非粘性土f＝KP₀′tanδ。其中α无量纲系数，α由下式计算：当ψ≤1.0时α＝0.5ψ^-0.5；ψ＞1.0时α＝0.5ψ^-0.25，其中ψ＝c/P₀′，P₀′为所讨论点的有效上覆压力；c为土的不排水剪切强度，由原位勘察试验获得。

K为侧向土压力系数；δ为土和桩壁之间的摩擦角，由原位勘察试验获得；

A_si：第i层土中桩的侧表面积，根据桩的实际尺寸计算获得；

q：单位桩端承载力，当土层为粘性土时q＝9c；当土层为非粘性土

q＝P₀′N_q，其中N_q为承载力系数，查表1获得；

A_p：桩端总面积，根据桩的实际尺寸计算获得。

表1无粘性砂质土的设计参数

密实度	土的类别	N<sub>q</sub>
			极松松中密	砂砂质粉土粉土	8
松中密密实	砂砂质粉土粉土	12
			中密密实	砂砂质粉土	20
密实极密	砂砂质粉土	40
			密实极密	砂砾砂	50

2.打桩过程中采用一维应力波动方程描述能量从打桩锤传递到桩底时桩体的受力与变形。

式中，x：桩截面的位置坐标；

u：x处桩截面的质点位移；

t：时间，通常0.5t_cr＜t＜t_cr，t_cr由公式 $t_{\mathrm{cr}}=\frac{\mathrm{\Δl}}{C}$ 确定，其中Δl为计算中桩的单位长度，可取1.0m；

C：弹性应力波波速， $C=\sqrt{E/\mathrm{\ρ}};$

E：桩的材料弹性模量；

ρ：桩的材料密度；

R：桩体受到的土阻力，R＝F(f，q，E_s，F_r，Q_s，Q_p，S_f，γ，J_s，J_p，β)；

其中

f：单位桩侧摩阻力，当土层为粘性土时f＝αc，当土层为非粘性土

f＝KP₀′tanδ。其中α为无量纲系数，α由下式计算：当ψ≤ 1.0时α＝0.5ψ^-0.5；ψ＞1.0时α＝0.5ψ^-0.25，其中ψ＝c/P₀′，P₀′为所讨论点的有效上覆压力；c为土的不排水剪切强度，由原位勘察试验获得。K为侧向土压力系数；δ为土和桩壁之间的摩擦角，由原位勘察试验获得；

q：单位桩端承载力，当土层为粘性土时q＝9c；当土层为非粘性土

q＝P₀′N_q，其中N_q为承载力系数，查表1获得；

E_s：土体的压缩模量，由室内压缩试验获得；

F_r：土体破坏比，由室内静三轴试验获得；

Q_s，Q_p：桩侧、桩端土体的最大弹性变形，该值与土质类别、加载、卸载、桩端形式、桩径多种因素相关，取值范围：2～5mm，最终由分析确定；

S_f：土体的最大破坏变形，粘性土取值范围5～8mm，无粘性土取值范围8～12mm，最终由分析确定；

γ：土体的容重，采用环刀法测定；

J_p：桩端土的阻尼系数，该值与土质类别相关，取值范围为0.4～0.8s/m，最终由分析确定；

J_s：桩侧土的阻尼系数，该值与土质类别相关，取值范围为0.1～0.5s/m，最终由分析确定；

β：土体的疲劳因子，该值与打桩的锤击数、锤击能量及土质类别相关，打桩的锤击数和锤击能量由打桩记录获得，取值范围为0.0～1.0之间，最终由分析确定。

土质类别根据室内试验测定的土体颗粒级配、塑限、液限、密实度查“土的分类定名表”确定。

3.在打桩过程中通过打桩记录仪可以获取锤击能量、总锤击数、每一锤击的贯入度；打入深度，绘成曲线图。该曲线图可以反映实际打桩过程中桩体贯入深度不同时受到的土层阻力。

4.根据公式(2)模拟连续打桩过程，将Q_s，Q_p，S_f，J_p，J_s计算参数代入公式(2)进行计算，实现对连续打桩过程的拟合分析。得到在设定的锤击能量下桩体贯入度与锤击数的关系曲线，并与第3步中由打桩记录仪获取的曲线相比较，不断调整O_s，Q_p，S_f，J_p，J_s计算参数的取值，获取多组贯入度与锤击数关系曲线。将其中与记录仪获得的曲线吻合度达到90％的曲线对应的Q_s，Q_p，S_f，J_p，J_s取值确定为最接近土层实际情况的计算参数。

5.将第4步确定的计算参数Q_s，Q_p，S_f，J_p，J_s值代入公式(2)，模拟后继打桩的拒锤现象，步骤如下：在后继打桩分析中只改变与桩体阻力R相关的f，q，β三个参数，其中f≤f_max且q≤q_max，f_max和q_max为桩侧与桩端阻力的最大值由下式确定：

f_max＝Mσ′    (3)

q_max＝Mσ′    (4)

式中：M＝f/P₀′，σ′＝P₀′+0.5×Δu， $\mathrm{\Δu}=c_n[2\ln \frac{r_1}{r_2}+(1.73A_f-0.58)]$ ，其中Δu为超静孔隙水压力；c_u为土体的不排水强度，由室内静三轴实验测得；r₁为土体弹塑***界面的半径；r₂为桩体半径；A_f为孔隙水压力系数。

通过增大f，q和β值模拟拒锤现象最终确定发生拒锤时的f，q值。

6.将第5步确定的f，q值代入公式(1)即可获得后继打桩拒锤时的单桩承载力。将该承载力与原设计的单桩承载力进行比较：

(1)当承载力大于等于原设计值时，则可以截桩；

(2)当承载力虽然小于设计值，但可以通过适当降低上部荷载满足设计要求时，也可以截桩；

(3)当承载力无法满足设计要求就需要采用喷射、气举，钻孔等工程措施，减小打桩阻力，直至将桩打入到设计深度为止。

本项发明的优点在于：(1)相关参数的获取手段简便易行，不需动用特殊的设备，不会增加工程的投入。(2)本发明可直接确定出后继打桩拒锤后单桩的承载力，为桩体的合理处置提供依据。避免了盲目施工带来的工期延误和经济损失。(3)该方法可以通过编制计算机软件实现模拟分析，分析效率高。(4)该方法为在设计阶段预测打桩停锤一段时间后继续打桩是否会发生拒锤现象提供了有效途径。

附图说明

图1为本发明实施的流程图。

图2为本发明实施例施工过程中通过打桩记录仪获取的桩体贯入度与锤击数曲线图。

图3为本发明实施例依据一维应力波动方程模拟连续打桩过程得到的桩体贯入度与锤击数曲线图。

图4为本发明实施例图2曲线图与图3曲线图的比较图。

图5为本发明实施例后继打桩分析得到的桩体贯入度与锤击数曲线图。

具体实施方式

某工程位于我国渤海，采用直径1.524m的钢管桩，设计贯入深度为104m。在打入过程中，入土深度达到约88.7m时停打15天，在进行后继打桩时出现了拒锤现象。工程资料如下：

(1)部分土体参数

层名	土质描述	深度		有效重度(kN/m<sup>3</sup>)	设计抗剪强度(kPa)	单位桩侧摩擦力	单位桩端承载力
								层顶(m)	层底(m)
		(kPa)	(MPa)
						1	非常软到软的粉质粘土			0.0		7.8	4	0	0.04
			2.0	9.0	7.5			6	0.07
										2.0		9.4	16	8	0.14
			3.0	9.4	16			10	0.14
						2	中密实的粉砂质细砂			3.0		9.2	δ＝20°，f<sub>max</sub>＝67.0kPaNq＝12，q<sub>max</sub>＝2.9MPa	8	0.31
			4.8	9.2	12			0.51
						3	非常密实的细砂		4.8		10.0	δ＝30°，f<sub>max</sub>＝96kPaNq＝40，q<sub>max</sub>＝9.6MPa		20	1.71
			17.1	10.0	77			6.63
						4	中密实的砂质粉砂		17.1		10.0		δ＝20°，f<sub>max</sub>＝67.0kPaNq＝12，q<sub>max</sub>＝2.9MPa	48	1.99
			20.1	10.0	57			2.35
						5	稍硬到硬的粉质粘土		20.1		10.0	40		40	0.36
			24.2	10.0	70			64					0.63

(2)桩体部分参数

外径(mm)	壁厚(mm)	Fy屈服强度(kN/cm<sup>2</sup>)	q质量(kN/m)	A截面积(cm<sup>2</sup>)	W惯性矩(cm<sup>3</sup>)	r惯性半径(cm)
							1524	32	35.5	11.55	1499.92	54797.54	52.75

(3)打桩施工过程中由记录仪(PIR-D型)记录的部分数据

贯入度(ft)	锤击数(bl/dist)	总锤击数(-)	每锤的锤击能量(kJ)	锤击数/分(-)	总能量(kJ)
						0209.00210.00211.00212.00213.00214.00215.00216.0	193091082070059069053036	0019300284003660043600495005640061700653	391.5422.4425.1434.0434.9435.6436.3441.5	051050048048048048048048	00755620114003014886501792470204905023495802580820273975

将以上打桩记录绘制成曲线见图2。

(4)记录打桩施工过程

分三段进行打桩施工，在打桩过程中，当桩的入土深度达到约88.7m时停打15天，在进行后继打桩时出现了拒锤现象。

                                                        

桩    长度(m)：50.5m    材料    ：steel

      桩段   ：1st      外径(mm)：1524

锤    型号   ：S-800    桩帽    ：

能量  类型   ：P1500W   桩垫    ：

                                                              

1.单桩承载力设计计算

依据公式(1)计算单桩承载力为41.8MN。

2.连续打桩分析

依据一维应力波动方程模拟连续打桩过程，分析得到的桩体贯入度与锤击数曲线图见图3。将计算结果与打桩记录相比较，不断调整计算参数，最终得到比较满意的曲线拟合结果见图4，最终确定的计算参数如下：

层名	γ(kN/m<sup>3</sup>)	E<sub>s</sub>(MPa)	F<sub>r</sub>	S<sub>f</sub>(mm)	Q<sub>s</sub>(mm)	Q<sub>p</sub>(mm)	J<sub>p</sub>(s/m)	J<sub>s</sub>(s/m)
									1-1	8.4	0.3	0.90	5	4.0	4.5	0.60	0.5
1-2	9.4	0.5	0.85	5.5	4.0	4.5	0.55	0.45
									2	9.2	1.0	0.70	8	2.5	2.5	0.49	0.38
3	10	1.5	0.65	9	2.5	2.5	0.49	0.23
									4	10	1.8	0.65	9	2.8	2.8	0.48	0.22
5	10	0.9	0.70	8	2.8	2.8	0.49	0.17

3.后继打桩分析

按第5步确定由于桩的挤土作用在其周围土体中产生的超静孔隙水应力以及粘土层强度的增长。反复调整f，q，β值模拟后继打桩拒锤现象，得到发生拒锤时桩体贯入度与锤击数曲线图见图5，由曲线可知成功的模拟了后继打桩中的拒锤现象。最终确定的部分土层参数见下表。

层号	塑性区R(m)	孔隙水Δu(kPa)	有效应力σ′＝P<sub>0</sub>′+Δu(kPa)	分析得到的单位桩侧摩阻力f＝Mσ′(kPa)	分析得到的单位桩端承载力q＝Mσ′(MPa)
						1-1	9.495	28.126	29.6631	7.02	0.06
1-2	6.236	70.495	60.2473	26.68	0.18
						5	3.955	211.49	341.306	92.67	0.56

4.确定单桩承载力

将上一步中确定的f，q值代入公式(1)得到拒锤时的单桩承载力为42.5MN。

5.判断桩体的处置方法

由于模拟分析确定的单桩承载力为42.5MN大于原设计的单桩承载力41.8MN，因此可以截桩，截桩长度为14.7m。

6.海上高应变动测结果

为了与该方法确定的单桩承载力相互校准，进行了海上原位高应变动测试验，测定单桩承载力。试验采用美国PDI公司生产的PAL基桩动力测试仪。沿桩身轴向安装应变传感器和加速度传感器。两个传感器分别对称安装在桩顶以下桩身同一平面两侧，传感器中心位置与桩顶之间的距离约为17.6-19.2m。根据施工情况，试验中的锤击能量为1000kJ，每根桩均锤击9次，采集9锤的信号。比较每根桩各锤的信号质量，选取其中一锤的信号进行波形拟合，得出高应变动测试验结果单桩承载力为44.5MN与采用本发明提出的方法确定的单桩承载力42.5MN非常接近，说明了该方法的可靠性。

Claims (1)

1.基于后继打桩拒锤时的单桩承载力确定处置桩体的方法，该方法根据施工现场的打桩记录，依据理论公式，通过对打桩过程模拟公式的分析计算，确定单桩的实际承载力，与原设计计算的单桩承载力相比较，最终确定后继打桩拒锤时桩体的处置方法，该方法特征在于包括以下过程：

1)桩基础设计中采用以下公式计算单桩承载力：

Q_D＝∑(f_i·A_si)+q·A_p(1)

式中，f_i：第i层土的单位桩侧摩阻力，当土层为粘性土时f＝ac，当土层为非粘性土f＝KP₀′tanδ，其中α为无量纲系数，α由下式计算：当ψ≤1.0时α＝0.5ψ^-0.5；ψ＞1.0时α＝0.5ψ^-0.25，其中ψ＝c/P₀′，P₀′为所讨论点的有效上覆压力；c为土的不排水剪切强度，由原位勘察试验获得，K为侧向土压力系数；δ为土和桩壁之间的摩擦角，由原位勘察试验获得；

A_si：第i层土中桩的侧表面积，根据桩的实际尺寸计算获得；

q：单位桩端承载力，当土层为粘性土时q＝9c；当土层为非粘性土q＝P₀′N_q，其中N_q为承载力系数，查表1获得；

A_p：桩端总面积，根据桩的实际尺寸计算获得；

表1无粘性砂质土的设计参数

    密实度     土的类别     N_q     极松松中密     砂砂质粉土粉土     8     松中密密实     砂砂质粉土粉土     12     中密密实     砂砂质粉土     20     密实极密     砂砂质粉土     40     密实极密     砂砾砂     50

2)打桩过程中采用一维应力波动方程描述能量从打桩锤传递到桩底时桩体的受力与变形，

$\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂x}^2}=\frac{1}{C^2}\frac{{\∂}^{2}u}{{\∂t}^2}+R---\left(2\right)$

式中，x：桩截面的位置坐标；

u：x处桩截面的质点位移；

t：时间，通常0.5t_cr＜t＜t_cr，t_cr由公式 $t_{\mathrm{cr}}=\frac{\mathrm{\Δl}}{C}$ 确定，其中Δl为计算中桩的单位长度，可取1.0m；

C：弹性应力波波速， $C=\sqrt{E/\mathrm{\ρ}};$

E：桩的材料弹性模量；

ρ：桩的材料密度；

R：桩体受到的土阻力，R＝F(f，q，E_S，F_r，Q_S，Q_p，S_f，γ，J_S，J_P，β)；

其中

f：单位桩侧摩阻力，当土层为粘性土时f＝ac，当土层为非粘性土f＝KP₀′tanδ，其中α为无量纲系数，α由下式计算：当ψ≤1.0时α＝0.5ψ^-0.5；ψ＞1.0时α＝0.5ψ^-0.25，其中ψ＝c/P₀′，P₀′为所讨论点的有效上覆压力；c为土的不排水剪切强度，由原位勘察试验获得，K为侧向土压力系数；δ为土和桩壁之间的摩擦角，由原位勘察试验获得；

q：单位桩端承载力，当土层为粘性土时q＝9c；当土层为非粘性土q＝P₀′N_q，其中N_q为承载力系数，查表1获得；

E_x：土体的压缩模量，由室内压缩试验获得；

F_r：土体破坏比，由室内静三轴试验获得；

Q_s，Q_p：桩侧、桩端土体的最大弹性变形，该值与土质类别、加载、卸载、桩端形式、桩径多种因素相关，取值范围：2～5mm，最终由分析确定；

S_f：土体的最大破坏变形，粘性土取值范围5～8mm，无粘性土取值范围8～12mm，最终由分析确定；

γ：土体的容重，采用环刀法测定；

J_P：桩端土的阻尼系数，该值与土质类别相关，取值范围为0.4～0.8s/m，最终由分析确定；

J_S：桩侧土的阻尼系数，该值与土质类别相关，取值范围为0.1～0.5s/m，最终由分析确定；

β：土体的疲劳因子，该值与打桩的锤击数、锤击能量及土质类别相关，打桩的锤击数和锤击能量由打桩记录获得，取值范围为0.0～1.0之间，最终由分析确定；

土质类别根据室内试验测定的土体颗粒级配、塑限、液限、密实度查“土的分类定名表”确定；

3)在打桩过程中通过打桩记录仪可以获取锤击能量、总锤击数、每一锤击的贯入度；打入深度，绘成曲线图，该曲线图可以反映实际打桩过程中桩体贯入深度不同时受到的土层阻力；

4)根据公式(2)模拟连续打桩过程，将Q_s，Q_p，S_f，J_P，J_S计算参数代入公式(2)进行计算，实现对连续打桩过程的拟合分析，得到在设定的锤击能量下桩体贯入度与锤击数的关系曲线，并与第3)步中由打桩记录仪获取的曲线相比较，不断调整Q_s，Q_p，S_f，J_P，J_S计算参数的取值，获取多组贯入度与锤击数关系曲线，将其中与记录仪获得的曲线吻合度达到90％的曲线对应的Q_s，Q_p，S_f，J_P，J_S取值确定为最接近土层实际情况的计算参数；

5)将第4)步确定的计算参数Q_s，Q_p，S_f，J_P，J_S值代入公式(2)，模拟后继打桩的拒锤现象，步骤如下：在后继打桩分析中只改变与桩体阻力R相关的f，q，β三个参数，其中f≤f_max且q≤q_max，f_max和q_max为桩侧与桩端阻力的最大值由下式确定：

f_max＝Mσ′(3)

q_max＝Mσ′(4)

式中：M＝f/P₀′，σ′＝P₀′+0.5×Δu， $\mathrm{\Δu}=c_u[2\ln \frac{r_1}{r_2}+(1.73A_f-0.58)],$ 其中Δu为超静孔隙水压力；c_u为土体的不排水强度，由室内静三轴实验测得；r₁为土体弹塑***界面的半径；r₂为桩体半径；A_f为孔隙水压力系数；

通过增大f，q和β值模拟拒锤现象最终确定发生拒锤时的f，q值；6)将第5)步确定的f，q值代入公式(1)即可获得后继打桩拒锤时的单桩承载力，将该承载力与原设计的单桩承载力进行比较：

(1)当承载力大于等于原设计值时，则可以截桩；

(2)当承载力虽然小于设计值，但可以通过适当降低上部荷载满足设计要求时，也可以截桩；

(3)当承载力无法满足设计要求就需要采用喷射、气举，钻孔等工程措施，减小打桩阻力，直至将桩打入到设计深度为止。

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