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摘要：在大直径超长钢管桩的打桩过程中，往往会因多种原因而停锤，复打时则有可能出现桩体拒锤的现象。结合渤海海域某打桩工程中出现的问题，通过分析比较本地区地质勘察资料总结当地的土体特点，根据打桩实测纪录和动力检测试验结果，对比分析打桩过程中和打桩结束后土体阻力的变化情况，深入探究打桩拒锤的原因和机理。研究结果表明，土体条件对桩体可打入性具有较大影响，打桩结束后一段时间内的土体阻力远大于打桩过程中的土体阻力。
关键词：大直径钢管桩；打桩停锤；桩侧摩阻力；桩端阻力
引言
近年来的海洋工程桩基越来越多地采用大长度、大直径的钢管桩，在打桩施工过程中，桩锤连续击打桩体不断向地基土的深处运动，这实质上属于动力过程，即桩锤—桩体—地基土已非静止体系，而是不断变化的系统，桩锤、桩体与地基土体始终保持着共同作用。国、内外许多学者已对打桩引起的一系列动力学现象进行研究，主要研究内容包括：打桩过程中桩周土体强度和应力状态的变化规律、桩体承载力的估算、桩体承载力随时间的变化和桩的可打入性等方面。如何将桩体顺利打入至设计深度也是重点研究和探讨的课题之一，在世界范围内普遍发生的打桩拒锤现象，一直是困扰工程设计和施工人员的难题。
相关研究表明：当发生拒锤现象时，清除钢管桩底部的土塞是一种切实可行的解决办法，但该方法的处理费用极高，且不能避免拖延工期。很多学者在分析打桩拒锤现象的原因时发现，桩体的型式、桩径和长度，以及土体性质等多种因素均会影响桩周土体的可打入性。
本研究根据渤海某海洋平台桩基工程的地质勘察资料，系统分析该地区土体的特点和打桩拒锤对实际工程的影响，并根据打桩实测纪录计算了打桩过程中的实际桩周土体抗力，分析研究造成打桩拒锤现象的原因。
1 工程概况
渤海海域内某导管架平台位于平均海平面以上的部分高8.0m，平台基础由6根长104m的钢管桩组成，其中平台工作水深为14.0m，桩体的入土深度90.0m。钢管桩桩尖部位长1.5m段的壁厚为50.8mm，其余部位的钢管桩壁厚均为38.1mm。工程所在地的海底土层分布，见表1。
由表1中可知，当地的工程地质条件比较复杂，地基土中既含有粘性土，也含有砂性土。地基土体天然含水量的平均值约为26%，天然泥面以下60.0m深度范围内的土体含水量较大，再深部位的土体含水量减小，土体的天然重度平均值为18.0kN/m3。该海域天然泥面以下60.0m深度范围内的土体粒径大多＜0.075mm，属于细颗粒土，再深部位的土体中粒径＞0.075mm的粗颗粒物质含量增多。根据室内粘性土无侧限旁压(UU)试验，粘性土不排水剪切强度随深度的变化曲线，打桩施工中采用IHCS-500型桩锤，因超长钢管桩施工中需要接桩，在桩体入土深度约27.0m时，第1次停锤的时间间隔约4d；在桩体入土约63.0m时，第2次停锤的时间间隔约2～3d；当桩体入土深度在88.0～89.0m时，第3次停锤的时间间隔约14d。当再次重新启动打桩贯入的进程时，6根钢管桩均发生拒锤现象，其后分别改用MHU-800型和MHU-1200型桩锤打桩均未成功。
2 打桩拒锤的原因分析
在停锤90d后分别对钢管桩进行动力检测，根据桩基动力检测和室内试验数据推算桩端阻力和桩身侧摩阻力等参数，并根据APIRP2A规范中推荐的波动方程法进行反向分析，以验证桩身的承载力。
2.1波动方程的反向分析
1960年Smith采用差分方法将桩—土之间的相互作用表示为桩锤—桩身—土体系统的离散数学模型，该方法是目前最常用的打桩预测方法。求解波动方程时选择合适的计算参数最为重要，而确定涉及土体的有关参数也比较困难。
在计算过程中一般假定土的静阻力满足理想弹塑性模型，土体在受到外力作用时首先发生弹性变形，其最大弹性位移值为q；当土体位移d≥q时，土体将产生塑性流动，而此时的土体应力将保持不变，即达到极限静阻力Ru。理想弹塑性模型的土体静阻力Rs可表示为：当d＜q时，Rs=Ru·d/q；当d≥q时，Rs=Ru。假设土体的动阻力Rd服从牛顿粘滞定律，阻力值与质点速度成正比，同时假设土体的动阻力与静阻力也成正比，可表示为：Rd=J·v·Rs，其中J为阻尼系数。打桩过程中土体的阻力为静阻力与动阻力之和，即R=Rs+Rd。
采用GRLWEAP计算程序进行波动方程的反向分析，根据波动方程求得桩身贯入0.25m时的预测锤击数与实测值的对比，预测锤击数与实测值吻合较好，表明利用波动方程可以较好地预测打桩过程，也说明求解波动方程时选取的土体参数比较符合实际，可用于相关的计算和分析。
2.2打桩过程中土体阻力的变化
确定计算参数以后，根据反向分析的计算结果研究打桩过程中土体阻力的变化情况。如前文所述在前3个段桩的打入过程中均存在因接桩而停锤的情况。停锤前、后的能量变化，前2次停锤前、后的能量均发生比较明显的变化，可见停锤对打桩进程和受力状态的影响很大。根据实测打桩记录，采用GRLWEAP程序进一步研究停锤间隔时间对打桩能量的影响，根据动态检测试验数据，计算打桩过程中6根钢管桩实际的土体抗力平均值沿深度的变化，预测打桩结束90d后土体阻力随桩基深度的变化情况。打桩过程中与结束90d后土体阻力的对比，打桩结束90d后土体的阻力要远大于打桩过程中的土体阻力，表明打桩动力过程对土体阻力的影响，也说明随着时间的推移，桩体所受的土体阻力会逐渐提高，即桩体承载力具有明显的时间效应。
3 结论
土体的物理力学特性对桩体的可打入性影响很大，当土体中的粗颗粒物质较多时，长时间停锤有可能造成后续打桩的困难；受到打桩动力效应的影响，打桩过程中的土体阻力明显低于停锤90d后的土体阻力；研究显示本工程的地质条件使桩体的承载力具有较明显的时间效应。
参考文献：
[1]黄建川.海洋平台桩基的打桩分析[D].天津：天津大学，2010.
[2]李飒，韩志强，杨清侠，等.海洋平台大直径超长桩成桩机理研究[J].工程力学，2010，27(8)：241-245.
论文作者:陈利
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第20期
论文发表时间:2017/12/25
标签：阻力论文; 钢管论文; 过程中论文; 深度论文; 桩基论文; 承载力论文; 方程论文; 《建筑学研究前沿》2017年第20期论文;