CN103352465B - 判断大直径超长钢管桩在打桩过程中溜桩区间的方法 - Google Patents

Abstract

一种判断大直径超长钢管桩在打桩过程中溜桩区间的方法，包括：根据钢管桩的设计参数计算确定钢管桩体自重W_P；根据打桩施工设计获得打桩锤重量W_H；设定溜桩判断点的土层深度h；根据设定的溜桩判断点的土层深度h，分别计算钢管桩单位面积的桩端阻力和桩侧摩阻力；计算钢管桩总阻力F_s；溜桩现象的判断。本发明从静、动力平衡的基本原理出发，提出的准确计算大直径钢管桩连续打桩过程中受到不同性质土体阻力的方法，结合大量实际工程打桩记录，提出了桩侧土体阻力的折减系数与桩、锤动力放大系数，本发明适用于大直径整体超长钢管桩连续打桩过程中溜桩区间判断，具有相当的准确性。对海洋工程大直径钢管桩打桩的顺利打入具有重要的意义。

Description

判断大直径超长钢管桩在打桩过程中溜桩区间的方法

技术领域

本发明涉及一种海洋桩基工程中大直径钢管桩可打入性分析方法。特别是涉及一种判断大直径超长钢管桩在打桩过程中溜桩区间的方法。

背景技术

溜桩是海洋工程连续打桩过程中出现的较为普遍的不利工程现象，随着海洋石油与天然气开发区域的水深逐渐增加，海洋工程装备的提升，大直径整体超长桩(例如：直径2m，长度大于120m)在海洋平台的建设中被广泛采用。而溜桩现象对大直径超长钢管桩尤为突出。溜桩是指打桩过程中在某段贯入深度内锤击数为零的现象。大幅度的溜桩不利于施工控制，轻则造成冲断钢丝绳，桩锤损坏，断桩等；重则造成桩锤滑落大海，桩锤报废等事故。在我国南海多个平台打桩工程中均出现严重的溜桩现象，溜桩长度达50m。目前的打桩分析尚不能预测溜桩现象的发生，给打桩施工安全、顺利地完成带来了极大的困难和风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够准确计算大直径钢管桩连续打桩过程中受到不同性质土体阻力的判断大直径超长钢管桩在打桩过程中溜桩区间的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种判断大直径超长钢管桩在打桩过程中溜桩区间的方法，包括如下步骤：

(1)根据钢管桩的设计参数计算确定钢管桩体自重W_P；

(2)根据打桩施工设计获得打桩锤重量W_H；

(3)设定溜桩判断点的土层深度h；

(4)根据设定的溜桩判断点的土层深度h，分别计算钢管桩单位面积的桩端阻力和桩侧摩阻力；

(5)计算钢管桩总阻力F_s

$F_s={\mathrm{\β}}_s\·\underset{0}{\overset{h}{\∫}}{f}_{sx}\·L_c\·dx+q_{uh}\·A_b$

式中：f_sx——计算点x所在土层的钢管桩单位面积的桩侧摩阻力；

q_uh——钢管桩单位面积的桩端阻力；

L_c——钢管桩的内外侧周长之和；

A_b——桩端的环形面积；

β_s——桩侧土体阻力折减系数，为0～0.5。

(6)溜桩现象的判断：

当β_d·(W_p+W_H)-F_s>0时，确定为发生溜桩，

当β_d·(W_p+W_H)-F_s<0时，确定为不发生溜桩，

式中：W_p——钢管桩自重；

W_H——打桩锤的重量；

β_d——动力放大系数，为1～1.6。

步骤(4)包括：计算钢管桩进入粘性土层时单位面积的桩端阻力和桩侧摩阻力，以及计算钢管桩进入砂性土层时单位面积的桩端阻力和桩侧摩阻力。

当钢管桩进入粘性土层时，桩侧单位面积土体阻力按下式计算：

f_s＝αc

式中：α——无量纲系数；

c——计算点土的不排水剪切强度，

系数α由下式计算：

α＝0.5Ψ^-0.5，Ψ≤1.0

α＝0.5Ψ^-0.25，Ψ＞1.0

限制条件是α≤1.0

式中：Ψ——计算点处的c/P＇_o；

P＇_o——计算点的有效上覆土压力，

单位面积的桩端土体阻力按下式计算：

q_u＝9c

式中：q_u——单位面积的桩端阻力。

当钢管桩进入砂性土层时，桩侧单位面积土体阻力按下式计算：

f_s＝KP＇_otanδ

式中：K——侧向土压力系数；

P＇_o——计算点的有效上覆土压力；

δ——土和桩侧壁之间的摩擦角，

单位面积的桩端土体阻力按下式计算：

q_u＝q_hN_q+γBN_γ

式中：N_q、N_γ——阻力系数，根据钢管桩底端以下土体的值从N_q和N_γ与的关系曲线得到；

q_h——桩底平面处的超载，q_h＝α_Tγ₀B，α_T取决于钢管桩底端以上土体的值和h/B值查表得到，γ₀为桩端以上土体的容重，h为溜桩判断点的土层深度；

γ——钢管桩底端以下土体的容重；

B——钢管桩的壁厚。

本发明的判断大直径超长钢管桩在打桩过程中溜桩区间的方法，从静、动力平衡的基本原理出发，提出的准确计算大直径钢管桩连续打桩过程中受到不同性质土体阻力的方法，结合大量实际工程打桩记录，提出了桩侧土体阻力的折减系数与桩、锤动力放大系数，本发明适用于大直径整体超长钢管桩连续打桩过程中溜桩区间判断，具有相当的准确性。对海洋工 程大直径钢管桩打桩的顺利打入具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明中N_q、N_γ与的关系曲线；

图2是本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的判断大直径超长钢管桩在打桩过程中溜桩区间的方法做出详细说明。

准确确定连续打桩过程中桩体受到的侧阻力与端阻力是判断是否发生溜桩的关键技术环节。在连续打桩过程中，桩体对桩周土体的持续扰动，导致了桩侧摩阻力的大幅衰减，当土体提供的桩侧阻力与桩端阻力无法平衡桩体自重时，即发生溜桩现象，反之则不溜桩。

本发明的判断大直径超长钢管桩在打桩过程中溜桩区间的方法，在分析大量打桩记录的基础上，结合溜桩发生的常见位置，分析土体性质与溜桩的产生与停止位置之间的联系，运用土力学地基阻力的基本原理，提出溜桩的判断方法，旨在实现对溜桩现象的准确预判，对海上打桩施工以及整个平台能否顺利建成均具有十分重要的意义。

本发明的判断大直径超长钢管桩在打桩过程中溜桩区间的方法，包括如下步骤：

(1)根据钢管桩的设计参数计算确定钢管桩体自重W_P；

(2)根据打桩施工设计获得打桩锤重量W_H；

(3)设定溜桩判断点的土层深度h；

(4)根据设定的溜桩判断点的土层深度h，分别计算钢管桩单位面积的桩端阻力和桩侧摩阻力，包括：计算钢管桩进入粘性土层时单位面积的桩端阻力和桩侧摩阻力，以及计算钢管桩进入砂性土层时单位面积的桩端阻力和桩侧摩阻力；

当钢管桩进入粘性土层时，桩侧单位面积土体阻力按下式计算：

f_s＝αc         (1)

式中：α——无量纲系数；

c——计算点土的不排水剪切强度，

系数α由下式计算：

α＝0.5Ψ^-0.5，Ψ≤1.0

α＝0.5Ψ^-0.25，Ψ＞1.0

限制条件是α≤1.0

式中：Ψ——计算点处的c/P＇_o；

P＇_o——计算点的有效上覆土压力，

单位面积的桩端土体阻力按下式计算：

q_u＝9c         (2)

式中：q_u——单位面积的桩端阻力。

当钢管桩进入砂性土层时，桩侧单位面积土体阻力按下式计算：

f_s＝KP＇_otanδ         (3) 

式中：K——侧向土压力系数；

P＇_o——计算点的有效上覆土压力；

δ——土和桩侧壁之间的摩擦角，

单位面积的桩端土体阻力按下式计算：

q_u＝q_hN_q+γBN_γ

式中：N_q、N_γ——阻力系数，根据钢管桩底端以下土体的值从N_q和N_γ与的关系曲线得到；

q_h——桩底平面处的超载，q_h＝α_Tγ₀h，α_T取决于钢管桩底端以上土体的值和h/B值查表得到，γ₀为桩端以上土体的容重，h为溜桩判断点的土层深度；

γ——钢管桩底端以下土体的容重；

B——钢管桩的壁厚

表1衰减系数α_T值

(5)计算钢管桩总阻力F_s

$F_s={\mathrm{\&beta;}}_s\&CenterDot;\underset{0}{\overset{h}{\&Integral;}}{f}_{sx}\&CenterDot;L_c\&CenterDot;dx+q_{uh}\&CenterDot;A_b---\left(5\right)$

式中：f_sx——计算点x所在土层的钢管桩单位面积的桩侧摩阻力；

q_uh——钢管桩单位面积的桩端阻力；

L_c——钢管桩的内外侧周长之和；

A_b——桩端的环形面积；

β_s——桩侧土体阻力折减系数，为0～0.5(建议值0.1)。

(6)溜桩现象的判断：

当β_d·(W_p+W_H)-F_s>0时，确定为发生溜桩，

当β_d·(W_p+W_H)-F_s<0时，确定为不发生溜桩，

式中：W_p——钢管桩自重；

W_H——打桩锤的重量；

β_d——动力放大系数，为1～1.6(建议值1.2)。

下面给出一个最佳实例

南海某平台桩基采用直径为2438mm，壁厚为65mm的开口钢管桩，桩长118.5m，设计贯入深度为96m。桩身自重434.92t。土层基本参数见表2。采用液压锤MHU1200，锤击效率67％，锤的具体参数见表3。判断可能的溜桩区间。

表2地基土层参数

表3打桩锤的参数

锤型	MENCK MHU1200S
		锤心重(kN)	649.4
最大冲程(m)	1.85
		效率	0.85
锤击能量(kJ)	1199
		空气中锤重(t)	203
水下锤重(kN)	1659.1

具体判断过程如下：

(1)确定桩体自重W_P

根据桩的设计参数，考虑水下浮力得到桩体自重W_P为3719.6kN。

(2)确定打桩锤重量W_H

根据表3，打桩施工设计打桩锤重量W_H为1659kN。

(3)确定拟判断土层深度h

假定判定土层深度为32.0-39.2m。

(4)计算桩体可能进入土层的土体阻力

根据表2地基土层的相关参数，可计算出每层的摩阻力、总摩阻力、层顶端阻力和层底端阻力，进而求出层顶总阻力和层底总阻力，具体计算结果见表4。

表4侧摩阻力与端阻力计算结果

(5)溜桩现象的判断

在土层深度32m处：

β_d·(W_p+W_H)-F_s>0＝1.2×(3719+1619)-1561.89>0，发生溜桩。

在土层深度39.2m处：

β_d·(W_p+W_H)-F_s>0＝1.2×(3719+1619)-2306.73>0，发生溜桩。

根据以上计算可知，在32-39.2m处将会发生溜桩现象。

Claims (4)

1.一种判断大直径超长钢管桩在打桩过程中溜桩区间的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据钢管桩的设计参数计算确定钢管桩体自重W_P；

(2)根据打桩施工设计获得打桩锤重量W_H；

(3)设定溜桩判断点的土层深度h；

(4)根据设定的溜桩判断点的土层深度h，分别计算钢管桩单位面积的桩端阻力和桩侧摩阻力；

(5)计算钢管桩总阻力F_s

式中：f_sx——计算点x所在土层的钢管桩单位面积的桩侧摩阻力；

q_uh——钢管桩单位面积的桩端阻力；

L_c——钢管桩的内外侧周长之和；

A_b——桩端的环形面积；

β_s——桩侧土体阻力折减系数，为0～0.5；

(6)溜桩现象的判断：

当β_d·(W_p+W_H)-F_s>0时，确定为发生溜桩，

当β_d·(W_p+W_H)-F_s<0时，确定为不发生溜桩，

式中：W_p——钢管桩自重；

W_H——打桩锤的重量；

β_d——动力放大系数，为1～1.6。

2.根据权利要求1所述的判断大直径超长钢管桩在打桩过程中溜桩区间的方法，其特征在于，步骤(4)包括：计算钢管桩进入粘性土层时单位面积的桩端阻力和桩侧摩阻力，以及计算钢管桩进入砂性土层时单位面积的桩端阻力和桩侧摩阻力。

3.根据权利要求2所述的判断大直径超长钢管桩在打桩过程中溜桩区间的方法，其特征在于，当钢管桩进入粘性土层时，桩侧单位面积土体阻力按下式计算：

f_s＝αc

式中：α——无量纲系数；

c——计算点土的不排水剪切强度，

系数α由下式计算：

α＝0.5Ψ^-0.5，Ψ≤1.0

α＝0.5Ψ^-0.25，Ψ＞1.0

限制条件是α≤1.0

式中：Ψ——计算点处的c/P＇_o；

P＇_o——计算点的有效上覆土压力，

单位面积的桩端土体阻力按下式计算：

q_u＝9c

式中：q_u——单位面积的桩端阻力。

4.根据权利要求2所述的判断大直径超长钢管桩在打桩过程中溜桩区间的方法，其特征在于，当钢管桩进入砂性土层时，桩侧单位面积土体阻力按下式计算：

f_s＝KP＇_otanδ

式中：K——侧向土压力系数；

P＇_o——计算点的有效上覆土压力；

δ——土和桩侧壁之间的摩擦角，

单位面积的桩端土体阻力按下式计算：

q_u＝q_hN_q+γBN_γ

式中：N_q、N_γ——阻力系数，根据钢管桩底端以下土体的值从N_q和N_γ与的关系曲线得到；

q_h——桩底平面处的超载，q_h＝α_Tγ₀h，α_T取决于钢管桩底端以上土体的值和h/B值查表得到，γ₀为桩端以上土体的容重，h为溜桩判断点的土层深度；

γ——钢管桩底端以下土体的容重；

B——钢管桩的壁厚。