基于高应变法的海上钢管桩打桩测试研究.pdf

年第 期水利技术监督理论研究:/基于高应变法的海上钢管桩打桩测试研究朱 田(上海勘测设计研究院有限公司 上海)摘要:高应变法可用于海上钢管桩的打桩监测与检测 具有方便快捷、成本低的优点 文章对浙江某海域的码头钢管桩采用高应变法进行初打、复打承载力及桩身完整性测试研究 分析了 法和 法的计算承载力差异并提出合理的 值 根据余下入土桩长结合 法计算得到桩侧土层的平均摩阻力和端阻力推算出单桩最终承载力 并结合地勘与静载资料分析了土体恢复情况 为项目的设计和施工提供依据 对邻近场地类似工程具有一定借鉴意义关键词:高应变法 法 承载力 土体恢复中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:朱 田(年)男 工程师:研究背景水利工程建设的窗口期受潮位、汛期等因素影响一般较短 在工程建设中的相关检测需采用无损、快捷的技术方法以满足水利工程实时性的要求 对水上工程 基桩的质量保证尤为重要 近年来钢管桩在水上工程中运用较多 高应变法已成为最适用于钢管桩打桩检测的无损手段 高应变法又分为 法和 法 测试时要求给基桩施加较大瞬时冲击使其产生一定贯入量 利用对称安装于桩顶的加速计和应变传感器测试冲击波作用下的速度和应力 通过软件分析得到单桩轴向抗压承载力和完整性指数 也可用于监测打入桩沉桩时的桩身应力和锤击能量对于缺少工程经验的地区 高应变法检测成果可以为选择桩型、打桩设备、沉桩标高、停锤标准等提供依据 在水利与桥梁基桩中也常用于承载力验收检测 在钢管桩的高应变测试中初打、复打承载力是重点关注的参数 休止期、土层性质直接影响承载力恢复情况 胡兴昊等依托西非某海工工程研究发现承载力恢复系数为 且复打时间可取为 天 戴东鹰研究了连云港某海域风电大直径钢管桩的初打、复打成果 发现单桩承载力时效期明显且与桩端持力层土性相关 软黏土中的恢复系数可达 经过 休止后承载力仍会有较大增长 于海鹏等结合杭州湾海域某风电项目钢管桩高应变测试结果 发现承载力恢复系数在 之间 并结合静载试验提出深厚淤泥层属不利土层对承载力贡献较小 张召彬等依托孟加拉某电厂钢管桩测试项目分析了不同龄期承载力的恢复情况 提出该工程下恢复系数与休止期的关系 可用于最终承载力预测浙江某海域码头工程采用截面有突变的钢管桩 受潮位与打桩设备限制 高应变测试无法在设计桩端标高处进行 本文分析了测试标高处承载力、桩身完整性 并结合地勘与静载相关数据分析了土体恢复情况 采用 法计算出桩端土层的摩阻力对设计标高处承载力进行了推算 为该海域及类似条件的水上测试提供了参考 高应变法基本理论 法基本理论桩视为一维均质连续的弹性体 不考虑桩身缺陷影响 应变与质点速度之间满足变形协调方程假定土的动阻力全部集中于桩尖 且与桩尖速度和广义波阻抗成正比 假定土的静力模型为理想刚塑性体 一旦扰动发生阻力即达到极限值 显然这只能在桩间土超过一定的变形时才适用 基于以上假定 以应力、应变、位移、速度等为未知量可得由协调方程、本构方程、动力学方程构成的 法理论研究水利技术监督 年第 期方程组 通过行波理论求解可得单桩承载力 计算公式 计算示意图如图 所示图 单桩承载力与完整性计算示意图 ()()()()()()()式中 法确定的单桩极限承载力 法阻尼系数、速度波桩顶入射峰和桩端反射峰对应的时刻 ()、()、时刻测点处实测的锤击力 ()、()、时刻测点处实测的速度/桩身截面力学阻抗()/桩身密度/桩身波速/桩身截面积 实际测试中还应根据不同的曲线特征进行相应修正 当土阻力滞后于 时刻明显发挥 可将 延时得到(最大土阻力法计算的承载力)当土阻力先于 时刻发挥并产生桩中上部强烈反弹时 可计入卸载回弹的土阻力得到(负阻力补偿法承载力值)对于以端阻力为主不考虑桩侧摩阻力的桩 可不考虑 得到(自动计算法得出的承载力)还有适当考虑桩侧阻力的 该值也不考虑 值等截面桩且缺陷深度 以上部位的土阻力 未出现卸载回弹时 桩身完整性系数 应按下式确定 计算示意图如图 所示()()()()()()()()()式中 缺陷反射峰对应的时刻 ()时刻测点处实测的锤击力 ()时刻测点处实测的速度/桩身缺陷至传感器安装点的距离 缺陷以上部位土阻力估计值 等于缺陷反射起始点的锤击力减去速度与桩身截面力学阻抗的乘积 桩身完整性系数 其值等于缺陷处桩身截面阻抗与缺陷以上桩身截面阻抗的比值 时 为完整桩(类)时 为基本完整桩(类)时为明显缺陷桩(类)时 为严重缺陷桩或断桩(类)高应变测试中一般情况可得较为明显的桩端反射信号 实测波速可根据速度波第一峰上升沿的起点到桩底反射峰上升沿的起点之间的时差与已知桩长值确定 或者根据实测信号下行波上升沿的起点和上行波下降沿的起点之间的时差与已知桩长确定 对钢管桩可直接设定为/法基本理论 法是将桩体等分为一系列 左右的单元 以计算的桩顶变量(如桩顶力、上行波、桩顶速度)和实测变量之间的“最佳契合可能”而得到承载力 桩单元模型取为一维杆模型 单元按等时性划分 桩侧土单元取为理想弹塑性模型当土位移小于最大弹性位移 应力应变呈线性关系 当土位移大于最大弹性位移 土进入塑形状态 应变增大但应力不变 同时还考虑桩身阻尼、裂隙、土塞等影响因素 若计算结果与实测结果相差过大或桩土参数超出了岩土工程合理范围 可改变拟合参数重新计算 合理的拟合分析结果还应满足各单元所选取的土的最大弹性位移不得超过相应桩单元的最大计算位移值 土阻力响应段的计算曲线与实测曲线应吻合 其他区段应基本吻合 贯入度的计算值与实测值相接近 桩基概况及场地环境浙江某海域码头基础采用直径 、长度 的 钢 管 桩 材 质 桩 顶 设 计 标 高 桩身为变截面型式 桩顶以下 范围内壁厚 以下至桩端壁厚 桩端敞口 未加隔板 设计要求采用 锤二档锤击沉桩 停锤以标高控制为主 单击贯入度控制为辅建议终锤贯入度不超过 按设计要求本次高应变动测初打抽检 根 复打抽检 根 根据本工程地质勘察报告 检测部位的土层分布及地勘报告中推荐物理力学指标见表 基桩抽检情况见表 单桩轴向抗压承载力码头工程钢管桩的轴向抗压承载力设计值 可根据下式计算:()()年第 期水利技术监督理论研究表 场地土层情况表土层编号土层名称 钻孔揭露土层分布 钻孔揭露土层分布直剪固快预制桩阻力标准值粘聚力/内摩擦角/()桩侧/桩端/地基承载力容许值/淤泥 /淤泥 /淤泥质黏土 /黏土 /粉质黏土 /碎石 /粉质黏土 粗砂 粉质黏土 表 基桩抽检情况表部位桩号设计桩长/桩底标高/入土长度/持力层进入持力层深度/检测情况临近地质钻孔码头前沿 初打 初打 初打码头后沿 初打 初打 复打 初打 复打式中 单桩轴向承载力抗力分项系数 打入桩取 桩身截面外周长 桩侧第 层土摩阻力标准值 桩身穿过第 层土的长度 桩端承载力折减系数 根据桩径、入土深度和持力层特性综合分析 桩端土端阻力标准值 桩端外周面积 根据本工程地质情况 按规范建议的取值范围为 因钢管桩入土深度大(不小于 为桩外径)但进入持力层深度小(不大于)从安全角度考虑取 为 依据抽检桩位对应的地质钻孔 按上式计算受检桩的轴向抗压承载力极限值为不大于 低于设计方要求的单桩轴向抗压极限承载力 后向设计方求证 设计方并未采用地质勘察报告中推荐的摩阻力标准值和端阻力标准值 在首次码头建设中 业主方委托某第三方检测单位进行了单桩静载荷试验并测试了该场地的桩侧摩阻力和端阻力 具体检测成果见表 由表 可见 层、层的实测桩侧摩阻力与地勘报告中的推荐值相近 其他土层的实测桩侧摩阻力均高于地勘报告中的推荐值 层及层缺失 该两层在单桩承载力的计算复核中选用地勘报告的推荐值 由表 可见层与层土性非常接近可按层实测摩阻力标准值选用在表 码头试桩静载荷试验检测成果表桩型桩径/桩长/桩底标高/持力层实测单桩轴向极限抗压承载力/土层编号实测桩侧摩阻力/实测桩端阻力/钢管桩 理论研究水利技术监督 年第 期桩端阻力的计算复核时 对于试桩按地质勘察报告计算的端阻力范围为 (持力层为层 取值 )与实测值差距较大可见按地质勘察报告计算的理论端阻力在该工程下并不适用 本工程持力层为层、层 土性理论上优于层 直接取实测桩端阻力进行轴向承载力复核 按上述取值方法计算受检桩的轴向抗压极限承载力不低于 从理论角度分析复核计算得到的单桩轴向抗压极限承载力是偏低的复核计算结果见表 表 受检桩的轴向抗压承载力复核计算表部位按地勘报告推荐值计算/按载荷试验推荐值计算/总阻力侧阻力端阻力总阻力侧阻力端阻力码头前沿 码头后沿 测试分析 测试存在的问题本工程打桩施工期在 月 该时段场地所在海域潮位较高 最高潮位时甚至会影响施工 高应变测试要求桩有足够的出露高度 否则会影响传感器的拆卸及测试效果 打桩施工期间当桩端达到设计标高时 水面以上桩顶的出露高度在 左右 打桩船可以安装测试传感器工作平台距水面的高度约 考虑钢管桩测试时桩顶附近的应力较大 为保证测试效果传感器安装于桩顶下 处 由于潮位与沉桩设备的制约 初打、复打均测试无法在桩端在进入桩底设计标高的深度附近进行 初打、复打测试时桩端与设计标高位置相差 根据表 初打、复打测试时桩端均位于层 法与 法的初打对比分析受检的 根桩在初打测试时的入土情况见表各桩测试曲线质量较好 形态基本一致 当采用 法进行承载力计算时 受检桩应材质均匀、截面相等或基本相等 本工程钢管桩材质均匀但截面存在变化 从桩顶至桩顶下 范围内有效截面面积占截面总面积的 从桩顶下 至桩端范围内有效截面面积占截面总面积的 可见壁厚的变化对截面面积的影响不大 但是直接采用 法计算初打单桩承载力可能会存在较大误差 采用 法进行分析计算 并在建模时考虑桩身截面变化 根初打桩由 法计算的初打承载力与 法计算的各项承载力对比分析 计算结果见表 如图 所示表 基桩初打情况表部位桩号设计桩长/桩底标高/入土长度/持力层进入持力层深度/贯入度/码头前沿 码头后沿 表 初打承载力计算表(与 值无关)承载力码头前沿基桩/码头后沿基桩/图 桩 承载力与 关系曲线图 桩 承载力与 关系曲线 年第 期水利技术监督理论研究图 桩 承载力与 关系曲线图 桩 承载力与 关系曲线图 桩 承载力与 关系曲线由表 及图 分析可见:()、均与 相差较大 本工程钢管桩属于端承摩擦桩 侧阻力在承载力中贡献较大、均适用于端承型桩 采用、计算初打承载力偏保守()、的大小均与 值密切相关 在 值相同时 三者在整体上表现出的大小关系为 当 值小于 时 三图 桩 承载力与 关系曲线者大小相近 当 值大于 时 呈现逐步递减并趋于稳定的变化趋势 与 则呈现快速递减并趋于 的变化趋势()令 等于 时 有 根桩 值介于 之间 另外两根桩 值分别介于 、之间 令 等于 时 有 根桩 值介于 之间、根桩 值介于 之间、根桩 值介于 、根桩 值介于 令 等于 时 有 根桩 值介于 之间 另外两根桩 值分别介于 、之间 可见使用 时 变化较大 本工程该值不适用 与 的 值则较为稳定 而 略高于 可选择 用于计算初打承载力 根据 计算公式可以反算出 等于 的 值 经计算可取为 计算结果见表 表 等于 时的 值计算表桩号 平均值 单桩承载力分析根据施工进度 安排第 天进行复打测试对复打数据采用 法进行计算时 将桩体计算单元长度设定为 结合桩侧土层分布 可以得出各土层初打、复打的桩侧摩阻力 初打、复打时被测桩距设计桩端标高仍有 考虑层较薄 属夹层 而层土性与层相近 余下部分桩侧阻力可近似采用层由 法计算得到的桩侧摩阻力值进行推算 最终达到沉桩设计标高时的初打承载力推算值在 之理论研究水利技术监督 年第 期间 复打承载力推算值大于 满足设计要求 承载力计算详见表(括号内为复打值)表 承载力推算值计算表承载力码头前沿基桩码头后沿基桩 层摩阻力/()()推算值/()()土体恢复分析钢管桩在打入过程中 会对桩周土体产生冲切破坏 使得初打桩承载力明显偏低 随着休止期增加 土体扰动逐步恢复 承载力也随之提高 将桩周土恢复后单桩极限承载力与初打单桩极限承载力之比定义为土体恢复系数 通过对初、复打的拟合分析可以得到被测桩特定龄期的土体恢复系数约为 计算结果见表 表 土体恢复系数计算表桩号初打动测承载力/复打动测承载力/侧阻力 端阻力 总阻力 侧阻力 端阻力 总阻力龄期/恢复系数 通过 法计算还可以得到被测两根桩初打、复打(龄期)时桩侧各层土的平均摩阻力值 如图 所示 可见复打时的桩侧平均摩阻力值较初打时均有明显提高 层土平均提高约 倍 层土平均提高约 倍、层土平均提高约 倍 层土平均提高约 倍 复打各土层的桩侧摩阻力与地勘推荐值仍有一定差距 层、层、层、层偏高 其余偏低 复打各土层的桩侧摩阻力(层土除外)及桩端阻力均低于静载推荐值 其中层土摩阻力偏差最大码头打入式基桩的极限抗压承载力检测 土体恢复期对于砂性土不应少于 黏性土不应少于 淤泥或淤泥质土中的摩擦桩不应少于 本工程钢管桩属于摩擦型桩且桩侧淤泥质土较厚通过复打数据和静载结果对比分析可见 的恢复期显然较短 桩侧土阻力和桩端阻力仍有较大提高空间 桩身完整性分析在初打实测速度曲线上 测点下 左右明图 初打、复打时的桩侧摩阻力显可见与入射波同向的速度反射 该处为桩身截面发生变化的位置 但是在复打实测速度曲线上 截面变化位置已不明显 根据桩身完整性系数的定义 被测桩的理论 值为 初打曲线的计算 值均小于 已属明显缺陷桩 复打曲线的计算 值与理论 值较为接近 见表 (表中括号内为复打值)可见复打曲线的计算 值更适宜体现钢管桩的完整性初打时桩侧阻力较低 速度曲线振荡明显 波形中高频部分使得计算 值与理论 值出现较大偏差 该情况在复打测试则明显好转 可见仅根据 值对桩身完整性类别进行划分并不合适 还应结合其他打桩指标综合分析判定 表 列出了 根初打桩、根复打桩的最大打击力()、最大锤击能量()和贯入度 各指标均无异常 可判定各桩桩身完整性为类表 桩身完整性判定表桩号/贯入度/完整性类别 ()()()()()()()()结语()本工程钢管桩为桩身截面有突变的摩擦型桩 应用 法分析时取 值为 的 可以较为准确、快速地反映初打(下转第 页)理论研究水利技术监督 年第 期()抗滑桩的锚固段长度对于桩的加固效应是显著的 当锚固段深度不够时 桩的阻滑作用减小甚至消失 抗滑桩无法发挥治理效果 一般可取锚固段长度为/桩长为最优锚固段长度()抗滑桩的形状对边坡加固效果有影响 相同条件下 方形桩的加固效果大于圆形桩()锚固段深度随岩体强度参数增大而减小在其他条件不变的情况下 岩体强度越大 桩顶变形越大 当滑坡的下滑力达到一定上限值时 有可能会导致抗滑桩在滑面处发生剪切破坏参考文献 郑齐银.基于/的抗滑桩锚固位置和深度分析.中国公路():.马显春 罗刚 邓建辉 等.陡倾滑面堆积层滑坡抗滑桩锚固深度研究.岩土力学 ():.于洋 孙红月 尚岳全.锚固深度对双排抗滑桩力学性能影响.岩石力学与工程学报 ():.吴维义 李昌龙.基于数值计算的抗滑桩锚固深度分析.路基工程():.张文居 赵其华 刘晶晶.参数变异性对抗滑桩锚固深度可靠度的影响分析.水文地质工程地质():.陈昌富 杜翠翠 张根宝.基于双参数法刚性抗滑桩嵌固深度可靠性设计.湖南大学学报(自然科学版)():.陈建峰 郭小鹏 田丹 等.抗滑桩锚固长度对均质边坡滑动面及抗滑能力影响研究.同济大学学报(自然科学版)():.余政兴 孙宁.引发某近坝库岸滑坡失稳临界蓄水位研究.水利技术监督():.何佳楠 石强 吴震宇.考虑各向异性渗流的重力坝深层抗滑稳定分析.水利规划与设计():.(上接第 页)形渠道断面尺寸优化组合.水利科技与经济 ():.肖旻 王正中 吴浪 等.寒区预制混凝土衬砌梯形渠道弹性冻土地基梁模型.水利学报 ():.王功.梯形断面渠道水力最佳断面函数研究.水科学与工程技术():.刘裕.引水干渠梯形渠道衬砌结构冻胀破坏力学分析.黑龙江水利科技 ():.欧祖贤 聂会冲 刘克浩 等.梯形加糙渠道岸边流速系数的探讨.水利科技与经济 ():.宋禹德 王文娥 胡笑涛.梯形渠道分流量及其影响因素初探.西北农林科技大学学报(自然科学版)():.(上接第 页)测试的单桩承载力()采用 法计算出桩侧各土层的平均摩阻力和端阻力 根据余下入土桩长可推算出单桩最终承载力能够满足设计要求 土体恢复分析表明 恢复期较短 后期承载力仍会有较大提高()受土阻力和高频振荡的影响 初打测试的完整性指数存在明显偏差 复打值较为可靠 桩身完整性判定还应结合多个打桩指标综合分析()未能在桩端设计标高处测试 未能测试出土体完全恢复的龄期 单桩承载力推算值偏于保守 但可用于反馈钢管桩承载情况并指导施工参考文献 曹广越.无损检测技术在水利工程质量检测中的应用.水利技术监督():.陈凡 徐天平 陈久照 等.基桩质量检测技术.北京:中国建筑工业出版社.王雪 峰 吴世明.基 桩 动 测 技 术 .北 京:科 学 出 版社.水运工程基桩试验检测技术规范.建筑基桩检测技术规范./.建筑地基与基桩检测技术规程.宋富新.打桩监测()试验在工程项目中的应用.广东土木与建筑():.单显勇.打桩监测与检测在打入式预制桩中的联合运用.浙江建筑():.郭伟.海上风电基础钢管桩打桩监测.工业建筑():.刘洁.高应变法在水闸基桩抗压承载力检测的应用.西部探矿工程():.闫朋.高应变动测法在桥梁桩基检测中的应用分析研究.建筑与土木():.胡兴昊 黄邦 王幸.大直径钢管桩承载力恢复过程试验研究.水运工程():.戴东鹰.海上风电大直径单桩基础承载力时效性研究.中国水运():.于海鹏 张震 罗震.海上深厚淤泥层大直径钢管桩竖向抗压承载性能现场试验研究.工程勘察():.张召彬 张开伟 赵海超 等.海上大直径开口钢管桩打桩分析与承载形状研究.岩土工程技术 ():.码头结构设计规范.