CN104005400A - 水下挤密砂桩挤密扩径过程停锤标准判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下挤密砂桩挤密扩径过程停锤标准判断方法，包括步骤：A、针对每次挤密循环，测取挤密扩径过程中桩管的动端阻力实测值时程曲线、桩管高程时程曲线和挤密砂桩的扩径直径；B、结合步骤A中获得的动端阻力实测值时程曲线、桩管高程时程曲线，当动端阻力实测值时程曲线中动端阻力实测值的峰值趋于稳定、挤密砂桩的扩径直径无增加、并且沉管速率小于0.2m/min时，则本次挤密循环已达到停锤标准。本发明提供的停锤标准判断方法以挤密砂桩挤密扩径过程中测得的实际动态测试数据为依据，不用为了满足砂桩扩径直径、桩管贯入量等停锤标准而延长振动时间，可以有效减少施工成本和机械损耗，节约能源，提高施工效率。

Description

水下挤密砂桩挤密扩径过程停锤标准判断方法

技术领域

本发明涉及水下挤密砂桩领域，特别是涉及一种水下挤密砂桩挤密扩径过程停锤标准判断方法。

背景技术

随着全球经济与集装箱运输业的高速发展，海港码头向离岸、开敞、深水海域发展已经成为必然的发展趋势，伴随着外海筑港，人工岛的建设也向深水区推进，地基加固已成为外海筑港建设中必不可少的施工技术。水下挤密砂桩与传统地基处理方法相比具有独特的优势——加固效果明显，可以快速提高地基承载力，因而可以快速推进施工进程，缩短工期，为在软弱地基上建造重力式结构创造了条件。

作为一种地基加固新技术，水下挤密砂桩能够增加地基强度，加快地基固结，减少结构物沉降，提高地基的抗液化能力，具有施工周期短，加固效果直接、明显，工序可控性好等优点。可广泛应用于对砂性土、粘性土、有机质土等几乎所有土质的地基加固处理。非常适用于外海人工岛、防波堤、护岸、码头等工程的地基基础加固。

与传统的普通砂桩不同，挤密砂桩是利用振动荷载将特殊钢桩管打入水下软基中，在桩管中灌砂，通过振动设备(如振动锤)和管腔增压等装置，经过有规律的反复提升和回打桩管，使砂桩扩径，形成更大直径的挤密砂桩。原地基被砂强制置换，密实的砂桩与软土共同作用构成复合地基，达到改善地基整体稳定性、提升地基整体抗滑与抗剪能力、加快地基固结等效果。与普通砂桩相比，水下挤密砂桩桩体的密实性高，加固的置换率可达60％～70％。

水下挤密砂桩的振动成桩过程即采用振动锤进行成桩的过程。挤密砂桩成桩过程包括：刚入土阶段、沉管至一定深度阶段、沉管至极限阶段和挤密扩径至极限阶段。在挤密扩径的过程中，首先要将排出桩管的砂桩压实，再将土体破坏，最后形成挤密砂桩。现有技术中，检验形成的挤密砂桩是否已达到施工要求而停锤的标准包括砂桩的单桩极限承载力、扩径直径、砂桩密实度、桩管的贯入量、加固置换率等。

在桩周土体破坏阶段，其破坏形式近似于散体材料桩的破坏形式。在已有的停锤判断标准中要考虑砂桩的单桩极限承载力，在散体材料桩的单桩承载力计算方法中，应用比较广泛的是Vesic(维西可)圆筒形扩张理论和Brauns(布劳恩斯)单桩极限承载力理论。但是，对于水下挤密砂桩的挤密扩径阶段而言，随着挤密砂桩复合地基置换率的提高，桩间土所占的比例逐渐变小，桩周土体不断的被挤出、破坏，特别是对于高置换率的挤密砂桩复合地基，其桩周土体的物理力学参数已完全不同于原状土，从而造成了采用上述理论进行计算时计算参数的难以取值。

此外，在实际施工过程中，虽然水下挤密砂桩的扩径直径或者桩管的贯入量还未达到成桩停锤的标准，但是砂桩的密实度和强度等都已满足施工要求，在此情况下如果仍为满足砂桩扩径直径和桩管在土层中贯入量的要求持续延长振动锤的振动时间反而会增加施工成本和机械损耗，造成了能源的浪费，降低了施工效率。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种能够直接根据水下挤密砂桩扩径过程中的动态实测数据分析判断水下挤密砂桩挤密扩径过程停锤标准的方法，以减小施工成本和能源损耗。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种水下挤密砂桩挤密扩径过程停锤标准判断方法，包括步骤：A、针对每次挤密循环，测取挤密扩径过程中桩管的动端阻力实测值时程曲线、桩管高程时程曲线和挤密砂桩的扩径直径；B、结合步骤A中获得的动端阻力实测值时程曲线、桩管高程时程曲线，判断本次挤密循环过程中的动端阻力实测值、挤密砂桩的扩径直径和沉管速率，当所述动端阻力实测值时程曲线中所述动端阻力实测值的峰值趋于稳定、所述挤密砂桩的扩径直径无增加、并且所述沉管速率小于0.2m/min时，则本次挤密循环已达到停锤标准。

优选地，还包括步骤：C、针对每次挤密循环，计算桩体的单桩极限承载力，比较所述步骤A中测得的动端阻力实测值与所述单桩极限承载力；当所述动端阻力实测值小于所述单桩极限承载力的计算值时，结合所述步骤B，判断挤密砂桩的扩径过程已达到停锤标准。

优选地，所述步骤C中采用散体材料桩的单桩承载力计算方法计算所述桩体的单桩极限承载力。

优选地，所述单桩极限承载力的计算式为

$P_p={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ru}}{\tan }^2{\mathrm{\δ}}_p=(p_s+\frac{2c_u}{\sin 2\mathrm{\δ}})(\frac{\tan {\mathrm{\δ}}_p}{\tan \mathrm{\δ}}+1){\tan }^2{\mathrm{\δ}}_p$

式中：P_p为单桩极限承载力；

σ_ru为桩周土的极限应力；

c_u为桩间土不排水抗剪强度；

δ为滑动面与水平面夹角；

p_s为桩周土表面荷载；

δ_p为为桩体材料内摩擦角。

优选地，所述桩管高程时程曲线的斜率对应于所述沉管速率。

优选地，所述水下挤密砂桩挤密扩径过程中，对应于每次挤密循环的沉管深度逐次减少。

如上所述，本发明的水下挤密砂桩挤密扩径过程停锤标准判断方法，以挤密砂桩挤密扩径过程中测得的实际动态测试数据为依据，将动端阻力实测值、挤密砂桩的扩径直径和沉管速率做为判断水下挤密砂桩挤密扩径过程是否能够停锤的标准。考虑到砂桩的密实度和强度，还可进一步考虑将动端阻力实测值小于桩体的单桩极限承载力做为停锤判断标准之一。该停锤标准判断方法无需一味满足砂桩扩径直径、桩管贯入量等停锤标准，可以有效减少施工成本和机械损耗，节约能源，提高施工效率。

附图说明

图1显示为本发明的水下挤密砂桩挤密扩径过程停锤标准判断方法在一个实施例中的流程图。

图2显示为本发明的水下挤密砂桩挤密扩径过程停锤标准判断方法在另一个实施例中的流程图。

图3显示为本发明中第一次挤密循环(-38.14m～-39.57m)时0s-30s的动端阻力实测值时程曲线。

图4显示为本发明中第一次挤密循环(-38.14m～-39.57m)时30s-60s的动端阻力实测值时程曲线。

图5显示为本发明中第一次挤密循环(-38.14m～-39.57m)时60s-90s的动端阻力实测值时程曲线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1，显示为本发明的水下挤密砂桩挤密扩径过程停锤标准判断方法在一个实施例中的流程图，在本实施例中停锤标准判断方法包括步骤：

S100、针对每次挤密循环，测取挤密扩径过程中桩管的动端阻力实测值时程曲线、桩管高程时程曲线和挤密砂桩的扩径直径。

从动端阻力实测值时程曲线中可以得到动端阻力实测值，桩管高程时程曲线的斜率对应于沉管速率。

S102、结合步骤A中获得的动端阻力实测值时程曲线、桩管高程时程曲线，判断本次挤密循环过程中的动端阻力实测值、挤密砂桩的扩径直径和沉管速率，当动端阻力实测值时程曲线中动端阻力实测值的峰值趋于稳定、挤密砂桩的扩径直径无增加、并且沉管速率小于0.2m/min时，则本次挤密循环已达到停锤标准即图1中步骤S104。

如果未达到该停锤标准，则继续进行振动回打，回到步骤S100继续测取桩管的动端阻力实测值时程曲线、桩管高程时程曲线和挤密砂桩的扩径直径。

于实施例中，水下挤密砂桩挤密扩径过程包括6次挤密循环过程，参见表1，对应于每次挤密循环，沉管深度逐次减少，逐渐靠近浅部土层。

表1挤密循环次数与相应的沉管深度

挤密循环次数	沉管深度(m)
		第一次	-38.14～-39.57
第二次	-36.57～-37.14
		第三次	-34.00～-34.71
第四次	-31.86～-32.71
		第五次	-29.86～-30.86
第六次	-28.00～-28.86

请参阅图3至图5，显示为第一次挤密循环(沉管深度为-38.14m～-39.57m)过程中动端阻力实测值的时程曲线。从图中可以看到，在本次挤密循环刚开始的20s左右，动端阻力实测值几乎以直线形式迅速上升。另外，对应于该阶段的桩管高程时程曲线也具有较大的斜率，说明在每次挤密循环最初的20s内沉管速率也较大。通过对挤密循环过程中最初20s的数据分析可知，最初20s的沉管速率平均为1.5m/min左右。这是由于在挤密循环的初始阶段，影响沉管速率的主要因素为挤密砂桩本身的颗粒密实度，而此时的颗粒密实度还很小，初步形成的砂桩的强度也较低，所形成的砂桩本身较为松散，且砂桩周围土体对砂桩的侧向约束较弱。在振动力的作用下，桩管在土层中具有较大的贯入量，能够继续下沉，砂土较容易被挤压出去形成直径更大的砂桩，因而还有待于振动锤对其进行进一步的振动回打扩径。

在每次挤密循环的20s以后，桩端的动端阻力实测值的峰值基本保持稳定。同时，在该阶段的桩管高程时程曲线的斜率较小，沉管速率较小。产生此现象的主要原因是随着挤密回打扩径的进行，砂桩周围的土体对砂桩的侧向约束越来越强，且砂桩本身的密实度逐渐变大，砂桩已经基本成形，动端阻力基本稳定，桩管很难再继续下沉，桩管的贯入量很小，从而导致沉管速率迅速下降。桩管运动到每一次挤密循环最低位置处时，动端阻力实测值最大，选取此时动端阻应力实测值的波峰值做为动端阻力实测值进行分析。表2表示为对应于每次挤密循环不同的沉管深度，桩周土土性、动端阻力实测值、砂桩的扩径直径以及沉管速率的比较情况。

表2桩周土土性、动端阻力实测值、砂桩的扩径直径以及沉管速率比较

从表2中可以看到，随着每次挤密循环深度的不断提高，越是靠近浅部的土层，其扩径过程越为容易，所形成的挤密砂桩直径相对于在较深的土层中形成的挤密砂桩的扩径直径也较大。在每次挤密循环的后期，动端阻力实测值稳定后，沉管速率会相应变小，均小于0.2m/min。说明随着时间的推移，砂桩已经成形，砂桩本身的密实度和强度已达到施工标准，砂桩的扩径直径基本固定不会有较明显的增加，桩管在土层中的实际贯入量很小。

但是此时的砂桩的扩径直径和桩管的贯入量可能并不满足现有技术中的停锤标准，在这种情况下，如果一味追求砂桩的扩径直径和桩管的贯入量而延长振动锤等振动设备的振动时间并无太多实际意义，仅会造成能源浪费和施工效率的降低。因此，根据前面的分析，可以认为当动端阻力实测值时程曲线中动端阻力实测值的峰值趋于稳定、挤密砂桩的扩径直径无增加、并且沉管速率小于0.2m/min时，则本次挤密循环已达到停锤标准。

考虑到砂桩的密实度或者砂桩的强度，由于桩体的单桩极限承载力可以表示砂桩自身的强度，成桩过程中桩周土因挤压而趋于密实而使桩端的动端阻力值提高，因此可以进一步比较动端阻力与单桩极限承载力，令其作为判断停锤的标准之一。

请参阅图2，显示为本发明的水下挤密砂桩挤密扩径过程停锤标准判断方法在另一实施例中的流程图，在本实施例中停锤标准判断方法除了包括前一实施例中的步骤S100，还包括步骤：

S101、针对每次挤密循环，计算砂桩的单桩极限承载力，比较步骤A中测得的动端阻力实测值与单桩极限承载力的计算值；

S103、当动端阻力实测值小于单桩极限承载力的计算值时，结合前一实施例中的步骤S102，即动端阻力实测值时程曲线中动端阻力实测值的峰值趋于稳定、挤密砂桩的扩径直径无增加、并且沉管速率小于0.2m/min，可判断挤密砂桩的扩径过程已达到停锤标准(即步骤S104)。

如果未达到该停锤标准，则继续进行振动回打，回到步骤S100继续测取桩管的动端阻力实测值时程曲线、桩管高程时程曲线和挤密砂桩的扩径直径。

由挤密砂桩的成桩特点可知，挤密砂桩的形成是先将桩管内的砂柱排出，再将排出桩管的砂柱压实，然后破坏土体，最终通过振动回打形成挤密砂桩。由于在土体破坏阶段的破坏形式近似于散体材料桩的破坏形式，在计算单桩极限承载力时采用散体材料桩的单桩承载力计算方法。

基于Brauns(布劳恩斯)单桩极限承载力理论，单桩极限承载力的计算式为：

$P_p={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ru}}{\tan }^2{\mathrm{\δ}}_p=(p_s+\frac{2c_u}{\sin 2\mathrm{\δ}})(\frac{\tan {\mathrm{\δ}}_p}{\tan \mathrm{\δ}}+1){\tan }^2{\mathrm{\δ}}_p$

式中，P_p为单桩极限承载力；

σ_ru为桩周土的极限应力(桩周土极限平衡区位于砂桩桩顶附近)；

c_u为桩间土不排水抗剪强度；

δ为滑动面与水平面夹角(桩周土的滑动面呈漏斗形)；

p_s为桩周土表面荷载；

δ_p为为桩体材料内摩擦角。

于本实施例中，选取较靠近浅部土层的两次挤密扩径循环过程进行计算。通过计算得到挤密砂桩的单桩极限承载力计算值P_p，将挤密循环过程中测得的动端阻力实测值与单桩极限承载力计算值进行比较，参见表3：

表3桩端动端阻力实测值与单桩极限承载力计算值比较

从表3中可以看出，动端阻力实测值与单桩极限承载力计算值的比值在0.64～0.68之间，结合表2，说明在挤密循环过程中，当动端阻力实测值趋于稳定、挤密砂桩的扩径直径无增加时，桩管端部的动端阻力实测值即砂桩顶面的动力响应值低于单桩承载力的静力计算值，砂桩的密实度和强度已满足成桩要求，达到停锤标准。

但是，在挤密砂桩回打扩径的过程中，桩周土体会随着砂桩的形成，土体被不断挤出，其土质参数也会随之不断改变。因此在比较动端阻力实测值与单桩极限承载力计算值时还需要考虑不同土质条件的影响。

综上所述，本发明以动端阻力实测值、挤密砂桩的扩径直径和沉管速率做为判断水下挤密砂桩挤密扩径过程是否能够停锤的标准，当动端阻力实测值时程曲线中动端阻力实测值的峰值趋于稳定、挤密砂桩的扩径直径无增加、并且沉管速率小于0.2m/min时，可判定本次挤密循环已达到停锤标准。考虑到砂桩的密实度和强度，还可进一步考虑将动端阻力实测值小于桩体的单桩极限承载力做为停锤判断标准之一。这样的停锤判断方法以挤密砂桩挤密扩径过程中测得的实际动态测试数据为依据，无需一味满足砂桩扩径直径、桩管贯入量等停锤标准，可以减少施工成本和机械损耗，节约能源，提高施工效率。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种水下挤密砂桩挤密扩径过程停锤标准判断方法，其特征在于，包括步骤：

A、针对每次挤密循环，测取挤密扩径过程中桩管的动端阻力实测值时程曲线、桩管高程时程曲线和挤密砂桩的扩径直径；

B、结合步骤A中获得的动端阻力实测值时程曲线、桩管高程时程曲线，判断本次挤密循环过程中的动端阻力实测值、挤密砂桩的扩径直径和沉管速率，当所述动端阻力实测值时程曲线中所述动端阻力实测值的峰值趋于稳定、所述挤密砂桩的扩径直径无增加、并且所述沉管速率小于0.2m/min时，则本次挤密循环已达到停锤标准。

2.根据权利要求1所述的水下挤密砂桩挤密扩径过程停锤标准判断方法，其特征在于，还包括步骤：

C、针对每次挤密循环，计算桩体的单桩极限承载力，比较所述步骤A中测得的动端阻力实测值与所述单桩极限承载力；当所述动端阻力实测值小于所述单桩极限承载力的计算值时，结合所述步骤B，判断挤密砂桩的扩径过程已达到停锤标准。

3.根据权利要求2所述的水下挤密砂桩挤密扩径过程停锤标准判断方法，其特征在于：所述步骤C中采用散体材料桩的单桩承载力计算方法计算所述桩体的单桩极限承载力。

4.根据权利要求3所述的水下挤密砂桩挤密扩径过程停锤标准判断方法，其特征在于：所述单桩极限承载力的计算式为

$P_p={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ru}}{\tan }^2{\mathrm{\δ}}_p=(p_s+\frac{2c_u}{\sin 2\mathrm{\δ}})(\frac{\tan {\mathrm{\δ}}_p}{\tan \mathrm{\δ}}+1){\tan }^2{\mathrm{\δ}}_p$

式中：P_p为单桩极限承载力；

σ_ru为桩周土的极限应力；

c_u为桩间土不排水抗剪强度；

δ为滑动面与水平面夹角；

p_s为桩周土表面荷载；

δ_p为为桩体材料内摩擦角。

5.根据权利要求1所述的水下挤密砂桩挤密扩径过程停锤标准判断方法，其特征在于：所述桩管高程时程曲线的斜率对应于所述沉管速率。

6.根据权利要求1所述的水下挤密砂桩挤密扩径过程停锤标准判断方法，其特征在于：所述水下挤密砂桩挤密扩径过程中，对应于每次挤密循环的沉管深度逐次减少。