CN103353925A - 确定海洋工程大直径钢管桩在自重作用下入土深度的方法 - Google Patents

Abstract

一种确定海洋工程大直径钢管桩在自重作用下入土深度的方法，包括：根据钢管桩的设计参数计算确定钢管桩体自重W_P；假设入泥深度h；根据事先假设的入泥深度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；确定钢管桩的自沉深度，当W_p=F_s时，所假设的入泥深度h为钢管桩的自沉深度。本发明为打桩置锤瞬间桩体自由站立稳定性判断及桩的可打入性分析奠定基础，为桩的设计与施工提供依据。特别适用于大直径一体超长钢管桩进入砂性土层时贯入土体深度的确定，具有相当的准确性。对海洋工程大直径钢管桩打桩过程中确定桩的悬臂段长度、开展桩体置锤瞬间的自由站立稳定性分析及可打入性分析具有重要的意义，可保证置桩阶段的施工安全。

Description

确定海洋工程大直径钢管桩在自重作用下入土深度的方法

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。特别是涉及一种确定海洋工程大直径钢管桩在自重作用下入土深度的方法。

背景技术

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，海洋平台的钢管桩基础由原来的小直径短桩（例如：直径800mm，长度50-60m）发展为目前常用的大直径一体超长桩（例如：直径2m，长度大于120m），进行准确的桩的可打入性分析对于桩基施工以及整个平台能否顺利建成均具有十分重要的意义。确定钢管桩在自重作用下进入土层的深度，是打桩初始阶段进行桩身自由站立分析的前提。

通常海洋表层土体软弱，钢管桩在吊装直立就位后，将在自重作用下进入土体一定深度。下端进入土层的钢管桩，类似于底部固定的压杆，属于悬臂结构，在打桩初期桩顶置锤的瞬间，需验算桩身在上部锤重作用下的稳定性，即桩的自由站立稳定性，这一问题类似于压杆稳定性的验算，如果入泥深度小则土面以上的桩长度有可能使其长细比过大，在桩中产生过大的应力，使这部分桩发生屈曲，所以准确地判断桩在自重作用下的入泥深度对于置桩阶段桩的稳定性验算非常重要。与传统的压杆稳定问题不同是，桩的自由段长度与桩的入土段长度相关联为变量，而桩的入土段长度随着桩体结构的自重和土体强度的改变而发生变化；且影响桩体稳定的荷载包括锤重和桩自由段自重的共同作用。由于桩体进入土层的长度直接影响桩的自由段长度，因此准确确定桩体在自重作用下沉入土体的深度在打桩分析中具有重要的意义。

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自重下沉时受到不同性质土体阻力的确定海洋工程大直径钢管桩在自重作用下入土深度的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种确定海洋工程大直径钢管桩在自重作用下入土深度的方法，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）假设入泥深度h；

（3）根据事先假设的入泥深度h，分别计算钢管桩单位面积的桩端阻力和桩侧摩阻力；

（4）计算钢管桩总阻力F_s

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

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；

（5）确定钢管桩的自沉深度

当W_p=F_s时，所假设的入泥深度h为钢管桩的自沉深度。

步骤（3）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或由下式计算：

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_DN_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_D——桩底平面处的超载，q_D=α_Tγ₀D，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为桩的入土深度；

γ——桩端以下土体的容重；

B——钢管桩的壁厚。

步骤（5）所述的确定钢管桩的自沉深度，包括判断W_p是否等于F_s，当W_p不等于F_s时，返回步骤（2）重新进行，当W_p等于F_s时，步骤（2）假设的入泥深度为钢管桩的自沉深度。

本发明的确定海洋工程大直径钢管桩在自重作用下入土深度的方法，从静力平衡的基本原理出发，提出的准确计算大直径钢管桩自重下沉时受到不同性质土体阻力的方法，为打桩置锤瞬间桩体自由站立稳定性判断及桩的可打入性分析奠定基础，为桩的设计与施工提供依据。特别适用于大直径一体超长钢管桩进入砂性土层时贯入土体深度的确定，具有相当的准确性。对海洋工程大直径钢管桩打桩过程中确定桩的悬臂段长度、开展桩体置锤瞬间的自由站立稳定性分析及可打入性分析具有重要的意义，可保证置桩阶段的施工安全。

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确定海洋工程大直径钢管桩在自重作用下入土深度的方法做出详细说明。

如图2所示，本发明的确定海洋工程大直径钢管桩在自重作用下入土深度的方法，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）假设入泥深度h；

（3）根据事先假设的入泥深度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或由下式计算：

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——单位端部阻力。

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_DN_q+γBN_γ    （4）

式中：N_q、N_γ——阻力系数，根据钢管桩底端以下土体的

值从图1中给出的N_q和N_γ与的关系曲线得到；

q_D——桩底平面处的超载，q_D=α_Tγ₀D，α_T取决于钢管桩底端以上土体的

值和h/B值查表1得到，γ₀为桩端以上土体的容重，h为桩的入土深度；

γ——桩端以下土体的容重；

B——钢管桩的壁厚；

表1 衰减系数α_T值

（4）计算钢管桩总阻力F_s

$F_s=\underset{0}{\overset{h}{\∫}}{f}_{\mathrm{sx}}\·L_c\·\mathrm{dx}+q_{\mathrm{uh}}\·A_b---\left(2\right)$

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；

（5）确定钢管桩的自沉深度

当W_p=F_s时，所假设的入泥深度h为钢管桩的自沉深度，具体确定过程是：

包括判断W_p是否等于F_s，当W_p不等于F_s时，返回步骤（2）重新进行，当W_p等于F_s时，步骤（2）假设的入泥深度为钢管桩的自沉深度。

下面给出一最佳实例

南海某平台桩基采用直径为2438mm，壁厚为55～80mm的开口钢管桩，桩长118.5m，设计贯入深度为96m，桩身自重434.92t，具体参数如表2所式。土层基本参数见表3。

表2 钢管桩物理力学参数

表3 地基土层参数

具体确定过程如下：

（1）确定桩体与桩锤自重W_P

根据表2提供的参数并考虑水下浮力的作用，可计算得桩体的浮重量为3719.6kN，桩与锤的总重量W_P为5378.6kN。

（2）假定入泥深度

假定入泥深度为8m。

（3）计算桩体可能进入土层的土体阻力

根据表3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

（4）判定假设是否正确

由表4可知，当桩入泥深度为8m时，土体总阻力为2325.23kN，小于桩体总重，假设入泥深度过小，需假设更大的入泥深度。

（5）确定桩的自沉深度

经多次迭代，当入泥深度为13m时，F_s=W_p，此时确定桩的自沉深度为13m。

Claims (5)

1.一种确定海洋工程大直径钢管桩在自重作用下入土深度的方法，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）假设入泥深度h；

（3）根据事先假设的入泥深度h，分别计算钢管桩单位面积的桩端阻力和桩侧摩阻力；

（4）计算钢管桩总阻力F_s

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

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；

_quh——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；

（5）确定钢管桩的自沉深度

当W_p=F_s时，所假设的入泥深度h为钢管桩的自沉深度。

2.根据权利要求1所述的确定海洋工程大直径钢管桩在自重作用下入土深度的方法，其特征在于，步骤（3）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所述的确定海洋工程大直径钢管桩在自重作用下入土深度的方法，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或由下式计算：

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所述的确定海洋工程大直径钢管桩在自重作用下入土深度的方法，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_DN_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_D——桩底平面处的超载，q_D=α_Tγ₀D，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为桩的入土深度；

γ——桩端以下土体的容重；

B——钢管桩的壁厚。

5.根据权利要求1所述的确定海洋工程大直径钢管桩在自重作用下入土深度的方法，其特征在于，步骤（5）所述的确定钢管桩的自沉深度，包括判断W_p是否等于F_s，当W_p不等于F_s时，返回步骤（2）重新进行，当W_p等于F_s时，步骤（2）假设的入泥深度为钢管桩的自沉深度。

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