基於後繼打樁拒錘時的單樁承載力確定處置樁體的方法
2023-05-30 10:53:56
專利名稱：基於後繼打樁拒錘時的單樁承載力確定處置樁體的方法
技術領域：
本發明涉及一種基於後繼打樁拒錘時的單樁承載力確定處置樁體的方法。屬於海洋工程打樁過程中判斷樁體質量的技術。
背景技術：
在海上進行打樁施工，經常需要接樁、更換打樁錘、或由於氣象、船隻調度等方面的問題，造成樁體不能連續貫入到設計深度，因此就出現了施工過程中的停錘現象。在海洋工程中，將停錘後繼續進行打樁施工稱為後繼打樁。在打樁停錘後由於地基土體強度的恢復和提高，出現後繼打樁的拒錘現象，即錘擊數已經達到或超過控制標準，樁體仍無法繼續貫入達到設計深度。出現拒錘現象後，通過一定的測試手段結合理論分析確定樁體實際的承載力，通過與原設計承載力進行比較，從而合理確定樁體的處置方法。對於海上打樁工程具有重要的經濟意義。
發明內容
本項發明的目的在於提供一種基於後繼打樁拒錘時的單樁承載力確定處置樁體的方法。該方法過程簡單，可靠性較高。
本發明是通過下述技術方案加以實現的。根據施工現場的打樁記錄，依據理論公式，通過對打樁過程模擬公式的分析計算，確定單樁的實際承載力，與原設計計算的單樁承載力相比較，最終確定後繼打樁拒錘時樁體的處置方法，該方法特徵在於包括以下過程1.樁基礎設計中採用以下公式計算單樁承載力QD＝∑(fi·Asi)+q·Ap(1)式中，fi第i層土的單位側摩阻力，當土層為粘性土時f＝ac，當土層為非粘性土f＝KP0′tanδ。其中α為無量綱係數，α由下式計算當ψ≤1.0時α＝0.5ψ-0.5；ψ＞1.0時α＝0.5ψ-0.25，其中ψ＝c/P0′，P0′為所討論點的有效上覆壓力；c為土的不排水剪切強度，由原位勘察試驗獲得。K為側向土壓力係數；δ土和樁壁之間的摩擦角，由原位勘察試驗獲得；Asi第i層土中樁的側表面積，根據樁的實際尺寸計算獲得；q單位樁端承載力，當土層為粘性土時q＝9c；當土層為非粘性土q＝P0′Nq，其中Nq為承載力係數，查表1獲得；
Ap樁端總面積，根據樁的實際尺寸計算獲得。
表1 無粘性砂質土的設計參數
2.打樁過程中採用一維應力波動方程描述能量從打樁錘傳遞到樁底時樁體的受力與變形。
2ux2=1C22ut2+R---(2)]]>式中，x樁截面的位置坐標；ux處樁截面的質點位移；t時間，通常0.5tcr＜t＜tcr，tcr由公式tcr=lC]]>確定，其中Δl為計算中樁的單位長度，可取1.0m；C彈性應力波波速，C=E;]]>E樁的材料彈性模量；ρ樁的材料密度；R樁體受到的土阻力，R＝F(f，q，Es，Fr，Qs，Qp，Sf，γ，Js，Jp，β)；其中F單位樁側摩阻力，由公式f＝ac，f＝KP0′tanδ確定；q單位樁端承載力，由公式q＝9c，q＝P0′Nq確定；Ex土體的壓縮模量，由室內壓縮試驗獲得；Fr土體破壞比由室內靜三軸試驗獲得；Qs，Qp樁側、樁端土體的最大彈性變形，該值與土質類別、加載、卸載、樁端形式、樁徑多種因素相關，取值範圍2～5mm，最終由分析確定；
Sf土體的最大破壞變形，粘性土取值範圍5～8mm，無粘性土取值範圍8～12mm，最終由分析確定；γ土體的容重，採用環刀法測定；JP樁端土的阻尼係數，該值與土質類別相關，取值範圍為0.4～0.8s/m，最終由分析確定；JS樁側土的阻尼係數，該值與土質類別相關，取值範圍為0.1～0.5s/m，最終由分析確定；β土體的疲勞因子，該值與打樁的錘擊數、錘擊能量及土質類別相關，打樁的錘擊數和錘擊能量由打樁記錄獲得，取值範圍為0.0～1.0之間，最終由分析確定。
土質類別根據室內試驗測定的土體顆粒級配、塑限、液限、密實度查「土的分類定名表」確定。
3.在打樁過程中通過打樁記錄儀可以獲取錘擊能量、總錘擊數、每一錘擊的貫入度；打入深度，繪成曲線圖。該曲線圖可以反映實際打樁過程中樁體貫入深度不同時受到的土層阻力。
4.根據公式(2)模擬連續打樁過程，將Qs，Qp，Sf，JP，JS計算參數代入公式(2)進行計算，實現對連續打樁過程的擬合分析。得到在設定的錘擊能量下樁體貫入度與錘擊數的關係曲線，並與第3步中由打樁記錄儀獲取的曲線相比較，不斷調整Qs，Qp，Sf，JP，JS計算參數的取值，獲取多組貫入度與錘擊數關係曲線。將其中與記錄儀獲得的曲線吻合度達到90％的曲線對應的Qs，Qd，Sf，JP，JS取值確定為最接近土層實際情況的計算參數。
5.將第4步確定的計算參數Qs，Qd，Sf，JP，JS值代入公式(2)，模擬後繼打樁的拒錘現象，步驟如下在後繼打樁分析中只改變與樁體阻力R相關的f，q，β三個參數，其中f≤fmax且q≤qmax，fmax和qmax為樁側與樁端阻力的最大值由下式確定fmax＝Mσ′ (3)qmax＝Mσ′ (4)
式中M＝f/P0′，σ′＝P0′+0.5×Δu，u=cu[21nr1r2+(1.73Af-0.58)],]]>其中Δu為超靜孔隙水壓力；cu為土體的不排水強度，由室內靜三軸實驗測得；r1為土體彈塑性交界面的半徑；r2為樁體半徑；Af為孔隙水壓力係數。
通過增大f，q和β值模擬拒錘現象最終確定發生拒錘時的f，q值。
6.將第5步確定的f，q值代入公式(1)即可獲得後繼打樁拒錘時的單樁承載力。將該承載力與原設計的單樁承載力進行比較(1)當承載力大於等於原設計值時，則可以截樁；(2)當承載力雖然小於設計值，但可以通過適當降低上部荷載滿足設計要求時，也可以截樁；(3)當承載力無法滿足設計要求就需要採用噴射、氣舉，鑽孔等工程措施，減小打樁阻力，直至將樁打入到設計深度為止。
本項發明的優點在於(1)相關參數的獲取手段簡便易行，不需動用特殊的設備，不會增加工程的投入。(2)本發明可直接確定出後繼打樁拒錘後單樁的承載力，為樁體的合理處置提供依據。避免了盲目施工帶來的工期延誤和經濟損失。(3)該方法可以通過編制計算機軟體實現模擬分析，分析效率高。(4)該方法為在設計階段預測打樁停錘一段時間後繼續打樁是否會發生拒錘現象提供了有效途徑。
圖1為本發明實施的流程圖。
圖2為本發明實施例施工過程中通過打樁記錄儀獲取的樁體貫入度與錘擊數曲線圖。
圖3為本發明實施例依據一維應力波動方程模擬連續打樁過程得到的樁體貫入度與錘擊數曲線圖。
圖4為本發明實施例圖2曲線圖與圖3曲線圖的比較圖。
圖5為本發明實施例後繼打樁分析得到的樁體貫入度與錘擊數曲線圖。
具體實施例方式
某工程位於我國渤海，採用直徑1.524m的鋼管樁，設計貫入深度為104m。在打入過程中，入土深度達到約88.7m時停打15天，在進行後繼打樁時出現了拒錘現象。工程資料如下(1)部分土體參數
(2)樁體部分參數
(3)打樁施工過程中由記錄儀(PIR-D型)記錄的部分數據
將以上打樁記錄繪製成曲線見圖2。
(4)記錄打樁施工過程分三段進行打樁施工，在打樁過程中，當樁的入土深度達到約88.7m時停打15天，在進行後繼打樁時出現了拒錘現象。
1.單樁承載力設計計算依據公式(1)計算單樁承載力為41.8MN。
2.連續打樁分析依據一維應力波動方程模擬連續打樁過程，分析得到的樁體貫入度與錘擊數曲線圖見圖3。將計算結果與打樁記錄相比較，不斷調整計算參數，最終得到比較滿意的曲線擬合結果見圖4，最終確定的計算參數如下
3.後繼打樁分析按第5步確定由於樁的擠土作用在其周圍土體中產生的超靜孔隙水應力以及粘土層強度的增長。反覆調整f，g，β值模擬後繼打樁拒錘現象，得到發生拒錘時樁體貫入度與錘擊數曲線圖見圖5，由曲線可知成功的模擬了後繼打樁中的拒錘現象。最終確定的部分土層參數見下表。
4.確定單樁承載力將上一步中確定的f，q值代入公式(1)得到拒錘時的單樁承載力為42.5MN。
5.判斷樁體的處置方法由於模擬分析確定的單樁承載力為42.5MN大於原設計的單樁承載力41.8MN，因此可以截樁，截樁長度為14.7m。
6.海上高應變動測結果為了與該方法確定的單樁承載力相互校準，進行了海上原位高應變動測試驗，測定單樁承載力。試驗採用美國PDI公司生產的PAL基樁動力測試儀。沿樁身軸向安裝應變傳感器和加速度傳感器。兩個傳感器分別對稱安裝在樁頂以下樁身同一平面兩側，傳感器中心位置與樁頂之間的距離約為17.6-19.2m。根據施工情況，試驗中的錘擊能量為1000kJ，每根樁均錘擊9次，採集9錘的信號。比較每根樁各錘的信號質量，選取其中一錘的信號進行波形擬合，得出高應變動測試驗結果單樁承載力為44.5MN與採用本發明提出的方法確定的單樁承載力42.5MN非常接近，說明了該方法的可靠性。
權利要求
1.基於後繼打樁拒錘時的單樁承載力確定處置樁體的方法，該方法根據施工現場的打樁記錄，依據理論公式，通過對打樁過程模擬公式的分析計算，確定單樁的實際承載力，與原設計計算的單樁承載力相比較，最終確定後繼打樁拒錘時樁體的處置方法，該方法特徵在於包括以下過程1)樁基礎設計中採用以下公式計算單樁承載力QD＝∑(fi·Asi)+q·Ap(1)式中，fi第i層土的單位側摩阻力，當土層為粘性土時f＝αc，當土層為非粘性土f＝KP0′tanδ，其中α為無量綱係數，α由下式計算當ψ≤1.0時α＝0.5ψ-0.5；ψ＞1.0時α＝0.5ψ-0.25，其中ψ＝c/P0′，P0′為所討論點的有效上覆壓力；c為土的不排水剪切強度，由原位勘察試驗獲得，K為側向土壓力係數；δ為土和樁壁之間的摩擦角，由原位勘察試驗獲得；Asi第i層土中樁的側表面積，根據樁的實際尺寸計算獲得；q單位樁端承載力，當土層為粘性土時q＝9c；當土層為非粘性土q＝P0′Nq，其中Nq為承載力係數，查表1獲得；Ap樁端總面積，根據樁的實際尺寸計算獲得；表1無粘性砂質土的設計參數
2)打樁過程中採用一維應力波動方程描述能量從打樁錘傳遞到樁底時樁體的受力與變形，2ux2=1C22ut2+R---(2)]]>式中，x樁截面的位置坐標；ux處樁截面的質點位移；t時間，通常0.5tcr＜t＜tcr，tcr由公式tcr=lC]]>確定，其中Δl為計算中樁的單位長度，可取1.0m；C彈性應力波波速，C=E/;]]>E樁的材料彈性模量；ρ樁的材料密度；R樁體受到的土阻力，R＝F(f，q，ES，Fr，QS，Qp，Sf，γ，JS，JP，β)；其中F單位樁側摩阻力，由公式f＝αc，f＝KP0′tanδ確定；q單位樁端承載力，由公式q＝9c，q＝P0′Nq確定；Ex土體的壓縮模量，由室內壓縮試驗獲得；Fr土體破壞比由室內靜三軸試驗獲得；Qs，Qp樁側、樁端土體的最大彈性變形，該值與土質類別、加載、卸載、樁端形式、樁徑多種因素相關，取值範圍2～5mm，最終由分析確定；Sf土體的最大破壞變形，粘性土取值範圍5～8mm，無粘性土取值範圍8～12mm，最終由分析確定；γ土體的容重，採用環刀法測定；JP樁端土的阻尼係數，該值與土質類別相關，取值範圍為0.4～0.8s/m，最終由分析確定；JS樁側土的阻尼係數，該值與土質類別相關，取值範圍為0.1～0.5s/m，最終由分析確定；β土體的疲勞因子，該值與打樁的錘擊數、錘擊能量及土質類別相關，打樁的錘擊數和錘擊能量由打樁記錄獲得，取值範圍為0.0～1.0之間，最終由分析確定；土質類別根據室內試驗測定的土體顆粒級配、塑限、液限、密實度查「土的分類定名表」確定；3)在打樁過程中通過打樁記錄儀可以獲取錘擊能量、總錘擊數、每一錘擊的貫入度；打入深度，繪成曲線圖，該曲線圖可以反映實際打樁過程中樁體貫入深度不同時受到的土層阻力；4)根據公式(2)模擬連續打樁過程，將Qs，Qp，Sf，JP，JS計算參數代入公式(2)進行計算，實現對連續打樁過程的擬合分析，得到在設定的錘擊能量下樁體貫入度與錘擊數的關係曲線，並與第3)步中由打樁記錄儀獲取的曲線相比較，不斷調整Qs，Qp，Sf，JP，JS計算參數的取值，獲取多組貫入度與錘擊數關係曲線，將其中與記錄儀獲得的曲線吻合度達到90％的曲線對應的Qs，Qd，Sf，JP，JS取值確定為最接近土層實際情況的計算參數；5)將第4)步確定的計算參數Qs，Qd，Sf，JP，JS值代入公式(2)，模擬後繼打樁的拒錘現象，步驟如下在後繼打樁分析中只改變與樁體阻力R相關的f，q，β三個參數，其中f≤fmax且q≤qmax，fmax和qmax為樁側與樁端阻力的最大值由下式確定fmax＝Mσ′ (3)qmax＝Mσ′ (4)式中M＝f/P0′，σ′＝P0′+0.5×Δu，u=cu[2lnr1r2+(1.73Af-0.58)],]]>其中Δu為超靜孔隙水壓力；cu為土體的不排水強度，由室內靜三軸實驗測得；r1為土體彈塑性交界面的半徑；r2為樁體半徑；Af為孔隙水壓力係數；通過增大f，q和β值模擬拒錘現象最終確定發生拒錘時的f，q值；6)將第5)步確定的f，q值代入公式(1)即可獲得後繼打樁拒錘時的單樁承載力，將該承載力與原設計的單樁承載力進行比較(1)當承載力大於等於原設計值時，則可以截樁；(2)當承載力雖然小於設計值，但可以通過適當降低上部荷載滿足設計要求時，也可以截樁；(3)當承載力無法滿足設計要求就需要採用噴射、氣舉，鑽孔等工程措施，減小打樁阻力，直至將樁打入到設計深度為止。
全文摘要
本發明公開了一種基於後繼打樁拒錘時的單樁承載力確定處置樁體的方法。屬於海洋工程打樁過程中判斷樁體質量的技術。本發明根據施工現場的打樁記錄，依據理論公式，通過一維波動方程模擬連續打樁過程，計算得到樁體貫入度與錘擊數關係曲線，通過調整Q
文檔編號E02D29/09GK1760469SQ20051001613
公開日2006年4月19日 申請日期2005年11月18日 優先權日2005年11月18日
發明者劉潤, 閆澍旺 申請人:天津大學