1、提高高樁碼頭鋼管樁樁基承載力的方法2007年6月第3期總第149期l1國(guó)灌灣建設(shè)ChinaHarbourEngineeringJun.,2007提高高樁碼頭鋼管樁樁基承載力的方法陳平,袁孟全(中交一航局第一工程,天津,300456)的施工工程實(shí)例,分析了鋼管樁的受力機(jī)理,介紹了在同等條件下提高鋼管樁承載力的方法.關(guān)鍵詞:高樁碼頭;鋼管樁;承載力中圖分類(lèi)號(hào):U656.113;TU473.13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10033688(2007)03000104MethodstoImproveBearingCapacityofSteelTubularPilesf0rPiledWharfsCHENPi

2、ng,YUANMengquan(CCCCFirstHarbourEngineeringCompanyLimited,Tianjin300456,China)Abstract:Determiningandimprovingthebearingcapacityofsteeltubularpilesforpiledwharfshaslongbeenananalyzedandthemethodstoimprovethebearingcapacityofsteeltubularpilesunderthesameworkingconditionsareproposedanddescribedintheli

3、ghtoftheconstructionpracticeofsteeltubularpilesforpilingwharfsformanyyears.Keywords:pilingwharf;steeltubularpile;bearingcapacity1鋼管樁已成為高樁碼頭的主要樁基之一為了適應(yīng)港口建設(shè)的質(zhì)量要求,從1957年開(kāi)始就研制了具有較強(qiáng)抗彎,抗裂和耐久性好的預(yù)應(yīng)力混凝土方樁.20世紀(jì)70年代中期始,為適應(yīng)船舶國(guó)際運(yùn)輸大型化,高樁碼頭建設(shè)向深水化發(fā)展,這些高樁碼頭的樁需穿過(guò)較厚的軟土層后進(jìn)入持力層一定深度,具備更大承載和抗彎能力,預(yù)應(yīng)力混凝土方樁已不適應(yīng);另外,從20世紀(jì)80年代初

4、始,已逐步研制,開(kāi)發(fā)了鋼管樁防腐和增加使用年限的新技術(shù),新材料,如采用耐腐蝕鋼種,增加管壁腐蝕裕量厚度,外壁加覆防腐涂層或其他防腐蓋層和水下采用陰基中得到了廣泛應(yīng)用,逐步成為高樁碼頭的主要樁基之一.20余年應(yīng)用結(jié)果證明,鋼管樁與鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土方樁相比,鋼管樁具有以下優(yōu)點(diǎn):鋼管樁強(qiáng)度高,剛度大,材質(zhì)的離散性小,延伸性高,耐沖擊;打樁貫人性能好,適應(yīng)各類(lèi)土,能穿透硬土層或有效地打入硬地層;獲得較高的承載力,有利于建筑物的沉降控制;能承受較收稿日期:20070313作者簡(jiǎn)介:陳平(1964一),男,高級(jí)工程師,一航局一公司總工程師.港口與航道工程專(zhuān)業(yè).大的水平力,大量使用在棧橋,墩臺(tái),系船

5、柱等承受橫向荷載大的建筑物上;設(shè)計(jì)靈活性大,在有起伏的支承地基上使用時(shí),樁長(zhǎng)可任意調(diào)節(jié),樁尖可隨意改形,便于快速施工;樁尖是開(kāi)口型的鋼管樁易定位等.據(jù)打樁資料統(tǒng)計(jì),在其他條件相同的情況下,鋼管樁的正位率,斷樁率和滿足設(shè)計(jì)要求等都好于鋼筋混凝土方樁.2鋼管樁的受力機(jī)理一般來(lái)講,鋼筋混凝土方樁為實(shí)心封閉樁尖,而鋼管樁一般不另設(shè)樁尖,樁端下部為開(kāi)口式,所以習(xí)慣上把這種樁稱(chēng)為"開(kāi)口樁",開(kāi)口樁樁尖如圖1所示.IJ圖1開(kāi)口鋼管樁樁尖開(kāi)口鋼管樁承載力的計(jì)算,目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有一種公認(rèn)的理論計(jì)算方法,普遍采用半經(jīng)驗(yàn)半理論公式進(jìn)行估算,根據(jù)樁與土共同作用的關(guān)系,其計(jì)算承載力的模式如圖2,計(jì)算

6、承載力的公式如式(1).單樁承載力為鋼管樁外摩阻?2?中國(guó)港灣建設(shè)2007年第3期力,樁尖管環(huán)面積土的端承力和鋼管內(nèi)壁摩阻力(但以土芯底端端承力為上限)的總合,表達(dá)式為:P=OLf+-(D2d)g(1)式中:P為開(kāi)口鋼管樁的承載力,kN;D為管樁外徑,m;d為管樁內(nèi)徑,m;為管樁入土深度,m;,為管樁內(nèi)土芯長(zhǎng)度,m;廠為管樁外壁與土的單位摩阻力,kPa;為管樁內(nèi)壁與土的單位摩阻力,kPa;q為樁尖處的單位承載力.kPa.P鋼管樁原泥面I1土芯11山山1g圖2開(kāi)口管樁的靜力平衡在式(1)中后2項(xiàng)構(gòu)成樁總的端承力,該端承力一般比閉口樁為小,其二者的比值即為開(kāi)口樁閉塞系數(shù),因此低于同等條件下的閉口樁

7、,其原因由圖2和式(1)明顯地芯有足夠的長(zhǎng)度,內(nèi)壁摩阻力足以抵抗樁尖的反力,那么開(kāi)口鋼管樁的承載力可按閉口樁考慮.正如港口工程樁基規(guī)范(JTJ25498)第4.2.6條規(guī)定:"樁徑小于600mm的開(kāi)口鋼管樁,當(dāng)樁端進(jìn)入良好持力層的深度大于5倍樁徑時(shí),可以認(rèn)為樁端土的閉塞效應(yīng)得到充分發(fā)揮",其單鋼管樁,樁端土的閉塞效應(yīng)規(guī)范沒(méi)有做出規(guī)定,使其承載力的計(jì)算變得較為復(fù)雜.另外,由于大直徑開(kāi)口樁的擠土作用很小,樁外側(cè)極限摩阻力相對(duì)偏低,也是開(kāi)口鋼樁承載力偏低的一個(gè)主要原因.的變化是判斷管樁閉塞效果最直觀的方法,即用實(shí)測(cè)法可增加,土芯高度也在增加,則內(nèi)壁摩阻力小于土芯底端的阻力,樁尖為

8、無(wú)閉塞或閉塞效果很差;如果樁的入土深度繼續(xù)增加而土芯高度停止增長(zhǎng),即土芯底端的阻力與管內(nèi)壁間的摩阻力相平衡,此時(shí)土芯已閉塞,也就是閉塞效果發(fā)揮至100%.但據(jù)大量資料統(tǒng)計(jì),無(wú)論直徑大還是小,至今還沒(méi)有在打樁過(guò)程中看到開(kāi)171樁尖形成完全閉塞的實(shí)例.當(dāng)然打樁時(shí)樁尖不閉塞,不見(jiàn)得靜載試驗(yàn)時(shí)也不閉塞,這主要由土芯的長(zhǎng)度來(lái)決定.土芯長(zhǎng)度的定量計(jì)算,從圖2樁端靜力平衡條件,即令樁尖阻力等于內(nèi)壁摩阻力,可導(dǎo)出計(jì)算閉塞土芯長(zhǎng)度的公式(2):孚g=l(=dfi孚)(2)布4×等+式中:;為閉塞土芯的最小長(zhǎng)度,m;為土芯的水下浮容重,kN/m;q為樁尖處土的單位承載力,kPa;為管樁內(nèi)壁與土的單位摩阻

9、力,kPa;d為管樁內(nèi)徑,m.由式(2)所算得的是極限狀態(tài)時(shí)所需的最小土芯長(zhǎng)度.閉塞土芯的最小長(zhǎng)度同管樁內(nèi)徑,樁尖處的承載力成正比,同管樁內(nèi)壁摩阻力和土的浮容重成反比.這里需要說(shuō)明的是:用實(shí)測(cè)法的結(jié)果,開(kāi)口樁尖在打樁過(guò)程中難以形成完全閉塞,而計(jì)算的結(jié)果開(kāi)口樁可以閉塞,靜載試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn),這里有個(gè)動(dòng)和靜平衡問(wèn)題.打樁過(guò)程中,土層受到劇烈擾動(dòng),擾動(dòng)后的土強(qiáng)度必然降低,而樁的靜載試驗(yàn)是在打樁后靜置一定時(shí)間之后進(jìn)行的,此時(shí)土的強(qiáng)度得到恢復(fù),符合原狀土的情況,所以會(huì)出現(xiàn)打樁時(shí)樁尖未閉塞,而靜載試驗(yàn)時(shí)樁尖已閉塞的事實(shí),同時(shí)樁的工作荷載又是在打樁以后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間才施加上去的,這也就是打樁過(guò)程中開(kāi)口管樁的土

10、芯未閉塞,不一定按開(kāi)口樁考慮承載力的道理.至于開(kāi)口鋼管樁的閉塞效應(yīng)的取值,由于樁端土的閉塞效應(yīng)是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題,閉塞效應(yīng)的取值應(yīng)通過(guò)試樁來(lái)確定,在沒(méi)有試樁資料時(shí),經(jīng)試驗(yàn)分析得出:當(dāng)樁尖打入良好持力層時(shí),大直徑開(kāi)口樁端土的閉塞系數(shù)建議取值為O.4一O.5.3提高開(kāi)口鋼管樁承載力的方法由圖2和式(1)可知,既要提高開(kāi)口鋼管樁的承載力,又要在經(jīng)濟(jì)上比較合理,其方法可從兩個(gè)途徑人手,即,提高端承力和提高樁側(cè)摩阻力.提高端承力的主要方法是:選擇極限承載力高,層厚大,下臥層強(qiáng)度不比該層低,有利于產(chǎn)生閉塞效果的硬層作為持力層,并選擇進(jìn)入持力層一定深度;采用封閉樁尖,半封閉樁尖以及介于開(kāi)口,封閉,半封閉之

11、間靈活多樣的樁尖.提高樁側(cè)阻力的主要方法是:在制定方案的初期,在綜合考慮的前提下,盡量選大直徑和增加樁長(zhǎng),以增大側(cè)面面積;另外選用閉口或半閉口樁尖,加大擠土作用.提高端承力和提高樁側(cè)阻力的方法應(yīng)針對(duì)各自工程的2007年第3期陳平,等:提高高樁碼頭鋼管樁樁基承載力的方法?3'特點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)選擇,而這些方法是相輔相成的,互為因果關(guān)系的.樁尖無(wú)論采用何種形式,目的都是加大端承力,端承力增大擠土效應(yīng)亦增大,從而樁側(cè)摩阻力也隨之相應(yīng)加大;反之,提高樁側(cè)摩阻力,除加大樁表面積外,其他都通過(guò)樁尖擠土量的增加而提高.結(jié)合工程實(shí)例,將以上提高開(kāi)口樁承載力的幾種方法分類(lèi)介紹.乎為獲得鋼管樁最大承載力,首先想

12、到的是采用全閉口樁國(guó)援建某國(guó)高樁碼頭鋼管樁樁基做了開(kāi)口樁尖與封閉樁尖的平行對(duì)比靜載試驗(yàn),見(jiàn)表1.全封閉的樁尖如圖3所示.在同一條件下,開(kāi)口鋼管圖3全封閉樁尖表1開(kāi)口樁尖和封閉樁尖靜載試驗(yàn)結(jié)果樁類(lèi)型樁規(guī)格/mm人土深度/m錘型總錘擊數(shù),擊最后貫人度/(mm.擊一)極限承載力/t開(kāi)口樁700×l6×封閉樁尖700×l6×從表1看,錘擊數(shù)全閉口樁尖為開(kāi)口樁尖的8.39倍,承載力提高了2.28倍.全閉口樁的承載力較開(kāi)口樁大,其原因主要是樁尖端承力和擠土密度(擠土效應(yīng))的大小.所謂擠土密度是指樁人土部分?jǐn)D出的體積(V)除以樁的人土部分外表面積(,),即擠土密度P=

13、.擠土密度越,大,則樁的側(cè)摩阻力越大.在一定的擠土范圍內(nèi),擠土壓力與擠土密度成正比,沉樁時(shí)產(chǎn)生的超孔隙水壓力與擠土密度成正比,待孔隙水壓力消散后,有效壓力也與擠土密度成正比.土體的抗剪強(qiáng)度增加,因而使樁的側(cè)摩阻力大大增加,樁的承載力提高,這種樁的承載力隨著擠土密度增加而提高的現(xiàn)象,稱(chēng)為樁的擠土效應(yīng).因此,只要沉樁可能,采用全閉口樁尖是一個(gè)提高樁承載力的好辦法.半封閉的樁尖如圖4所示.開(kāi)口樁尖承載力低,全閉口樁尖沉樁又困難,因此要尋找一種既滿足承載力,又能尖,并作了半閉口樁尖,開(kāi)口樁尖和閉口樁尖的靜載平行比較試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.圖4半封閉樁尖表2開(kāi)口,半閉口,全閉口樁尖靜載試驗(yàn)結(jié)果最后平均貫人

14、度最后平均回彈量樁尖類(lèi)型人土深度/m一49.0m時(shí)錘擊數(shù)/擊錘擊總數(shù)/擊錘型極限承載力/t/(mm.擊一)/(mml擊一)表2結(jié)果表明:(1)不同樁尖形式對(duì)樁的貫人度影響很大,當(dāng)樁尖標(biāo)高達(dá)一49.0m時(shí),開(kāi)口樁的累計(jì)錘擊數(shù)為136擊,半閉口樁為1414擊,而全閉口樁為2760擊,打至標(biāo)高時(shí),全閉口樁貫人度很小,回彈量很大,沉樁困難;(2)不同的樁尖形式,對(duì)樁的承載力影響很大,人土深度34.9m的開(kāi)口樁極限承載力420t,而人土深度比開(kāi)口樁少6.9m的閉口樁和半閉口樁,其極限承載力都達(dá)到710t,這也意味著半閉口樁已經(jīng)起到全閉口樁的作用;(3)為使半閉口樁獲得與全閉口樁相同的承載力,而又不發(fā)生沉

15、樁困難,關(guān)鍵是據(jù)土質(zhì)狀況合理地選擇半閉口樁尖的內(nèi)管經(jīng)D,長(zhǎng)度日等有關(guān)參數(shù),選擇不當(dāng),不僅不能達(dá)到與全閉口樁相同的程度,反而造成沉樁的困難.3.3樁尖加"十"字隔板徑D,高度日選擇不當(dāng),適得其反,那么采用既易使開(kāi)口樁尖閉塞,又不使樁難以打人的更簡(jiǎn)易樁尖形式,如在某港鋼管樁中采用了樁尖內(nèi)縱向加"十"字隔板,把一個(gè)管口分成4個(gè)樁徑孔,促使其土芯進(jìn)入樁內(nèi)盡快形成閉塞或部分閉塞.圖5縱向加"十"字隔板樁尖3.4樁尖縱向加"T"形板工程中,在砂和貝殼礫巖相間成層的特殊地質(zhì)上,采用了"T"形和開(kāi)口兩種樁尖,從

16、試打結(jié)果可以看出:在其他m,"T"形樁為5.8036.002m,"T"形樁尖,土芯高度.?4?中國(guó)港灣建設(shè)2007年第3期外該樁尖還具備在施打中若發(fā)現(xiàn)貫入度達(dá)不到要求時(shí),可通過(guò)增減"T"形樁尖頂板(見(jiàn)圖6"T"形樁尖中的2號(hào)板)寬度即可達(dá)到改變貫入度的目的.圖6縱向加"T"型板樁尖3.5"H"形樁尖用了"H"形鋼樁尖.采用"H"形樁尖屬于組合樁,主要作用是利于穿過(guò)更深更硬土層,作為樁身組成部分,使樁尖達(dá)到持力層一定深度,增大樁的壓,拔力

17、,并有節(jié)省樁身長(zhǎng)度之功效.圖7"H"形樁尖樁尖加一內(nèi)襯圈見(jiàn)圖8.在計(jì)算開(kāi)口管樁承載力式(1)高樁碼頭鋼管樁樁基中,在樁端內(nèi)壁焊一鋼襯圈,使樁端8.5mm,而不加襯圈的是10.516.25mm,如果不加襯圈要使樁滿足施控貫入度P13mm/擊,那么樁要接長(zhǎng)3.7m以上,因此,加內(nèi)襯圈的效果是顯著的.圖8加內(nèi)襯圈樁尖這個(gè)試驗(yàn)是以貫入度大小作結(jié)論的,其道理是:因?yàn)榇驑哆^(guò)程就是1:1的觸探試驗(yàn).在打樁過(guò)程中,由于土的抗剪強(qiáng)度降低,樁側(cè)摩阻力變得很小,沉樁主要是克服樁尖阻力.樁端環(huán)斷面越大,阻力越大,貫入度越小,樁承影響,當(dāng)樁尖打入硬土層時(shí)貫入度有明顯的變化,所以最用貫入度的大小判斷樁

18、承載力的方法是現(xiàn)場(chǎng)最直觀,簡(jiǎn)易,便捷的方法.樁基中,根據(jù)靜載試樁確定了全封閉樁尖樁基的施控標(biāo)準(zhǔn).但在砂和貝殼礫巖相間成層的特殊地質(zhì)中,越向海里延伸,樁的最后貫入度離散性越大,且大部分超過(guò)施控標(biāo)準(zhǔn),于鋼樁已全部到現(xiàn)場(chǎng),加大樁長(zhǎng)和改變直徑已不可能,樁尖又是承載力最大的全封閉形,根據(jù)式(1)從加大樁側(cè)面面積入手,在樁身上焊槽鋼,角鋼等型鋼,但試打結(jié)果,貫入度雖略有減小,但均不滿足施工標(biāo)準(zhǔn).后經(jīng)反復(fù)研討,決定在距樁尖一定距離的樁身上焊一鋼圓盤(pán)(稱(chēng)為異形樁).將原形樁與異形樁進(jìn)行了靜載對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表3.A_A表3原形樁,異形樁靜載試驗(yàn)結(jié)果圖9樁身加圓盤(pán)IAA試樁號(hào)樁型試樁方法樁尖標(biāo)高/m樁人土深度,

19、m極限承載力/kN最后貫人度/(mm?擊)總錘擊數(shù)/擊錘型試1原形樁試2異形樁注:1,括號(hào)中數(shù)字為泥面以下樁長(zhǎng),7.0為鋼圓盤(pán)以下樁長(zhǎng);2,錘擊總數(shù)為該項(xiàng)試驗(yàn)打擊總數(shù);3,試3是為進(jìn)一步驗(yàn)證加圓盤(pán)樁承載力而增加的試樁.從表3靜載試驗(yàn)結(jié)果看,異形樁比原形樁極限承載力提高1.65倍,滿足了設(shè)計(jì)(極限承載力5000kN)要求.由于試3鋼圓盤(pán)多入泥27cm,錘擊數(shù)明顯增多,故試2為碼頭基樁采用的樁形.由于鋼圓盤(pán)入泥34m,圓盤(pán)以上形成了空穴,似乎(下轉(zhuǎn)第9頁(yè))2007年第3期洪勇,等:水平荷載下單樁有限元模擬結(jié)合py曲線法分析.9.在以后的實(shí)際使用中造成斷樁現(xiàn)象.一昌一,靜圖9各種模型樁身在泥面處的彎

20、距5結(jié)論對(duì)樁土相互作用體系進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬,并用大型通用有限元分析軟件ANSYS分析了樁基礎(chǔ)在水平荷載作用下,土體材料的彈塑性,樁土接觸面單元的考慮與否對(duì)單樁橫向響應(yīng)的影響,并提出了考慮接觸面的樁土彈塑性有限元模型,研究發(fā)現(xiàn)在相同水平荷載作用下,考慮地基土的彈塑性和樁土接觸界面單元時(shí),單樁的橫向響應(yīng)遠(yuǎn)大于彈性地基條件下單樁的橫向響應(yīng),即非線性因素的影響是不可忽略的.在提高有限元模型計(jì)算精度的方面,進(jìn)一步提出了接觸面剛度參數(shù)取值的方法及p曲線的地型的可行性和正確性,而且為進(jìn)一步研究群樁在水平荷載作用下的橫向響應(yīng)問(wèn)題奠定了基礎(chǔ).參考文獻(xiàn):1謝耀峰.大變位水平承載高樁性狀的研究J.土木工程,

21、2000,33(4):7479.2樁基工程手冊(cè)編寫(xiě)委員會(huì).樁基工程手冊(cè)Em.北京:中國(guó)270.J1.巖土力學(xué),2000,2l(2):98101.謝耀峰.港口靠船樁工作性狀計(jì)算的雙參數(shù)法J.海洋工程,2002,20(2):38-42.J.湘潭大學(xué)自然科學(xué),2005,27(1):94-96.高M(jìn).北京:清華大學(xué)出版社,2004,181199.郝文化,葉裕明.土木工程應(yīng)用實(shí)例M.北京:中國(guó)水利水電出版社.2005.郭乙木,陶偉明,莊茁.線性與非線性有限元及其應(yīng)用Em.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004,184185.APIRecommendedPracticeforPlanning,Designinga

22、ndConstrueringFixedOffshorePlatforms,17thEdition,1987.(上接第4頁(yè))減少了側(cè)摩阻力,降低了嵌固點(diǎn),但打樁后43d測(cè)樁周空穴底面和原泥面,泥面差僅43em,說(shuō)明在水流和波浪作用下,表層砂回淤較快;從標(biāo)貫試驗(yàn)來(lái)看,空穴回淤砂=24,而空穴外原表層土N=510,充分證明空穴土質(zhì)更密實(shí);從水平力試驗(yàn)來(lái)看,異形樁嵌固點(diǎn)僅比原形樁向下移41em,那么隨著時(shí)間的推移,嵌固點(diǎn)二者將逐步趨向一致.但異形樁應(yīng)該注意的是:鋼圓盤(pán)材質(zhì)要與樁身材質(zhì)相同,以防電偶腐蝕;鋼圓盤(pán)的位置和直徑要通過(guò)試打而定,其位置和直徑應(yīng)為一但鋼圓盤(pán)接觸并壓實(shí)圓盤(pán)下土直至沉樁發(fā)生困難時(shí),整個(gè)沉樁工作應(yīng)該接近結(jié)束,此況下沉樁既不困難又能