胥新偉，劉亞平，黎雙邵

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

大直徑鋼圓筒振沉計(jì)算方法

胥新偉1，劉亞平2，黎雙邵1

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

港珠澳大橋東西人工島島壁結(jié)構(gòu)采用直徑 22m 的鋼圓筒圍堰構(gòu)成，通過 APE600 組成的振動(dòng)錘組振動(dòng)下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高。前期通過日本經(jīng)驗(yàn)公式、法國(guó) PTC 經(jīng)驗(yàn)公式、美國(guó) ICE 經(jīng)驗(yàn)公式、波動(dòng)方程等多種計(jì)算方法對(duì)鋼圓筒振動(dòng)下沉可行性進(jìn)行分析，最終確定 8 臺(tái) APE600 振動(dòng)錘可滿足工程需要，并在工程應(yīng)用中得到驗(yàn)證。

鋼圓筒；振動(dòng)錘；波動(dòng)方程；動(dòng)土阻力

0 引言

港珠澳大橋東、西人工島采用外徑為 22m的鋼圓筒圍堰構(gòu)成。鋼圓筒頂標(biāo)高+3.5m，高度為40.5~50.5 m 不等 ，下 沉 底 標(biāo)高 -22~-46 m 不等。鋼圓筒采用厚度為 16mm 的鋼板制作，筒底部采用 30mm 厚，500mm 高的鋼板進(jìn)行加固，豎向采用T形豎肋進(jìn)行加固，橫向采用6道橫肋進(jìn)行加固。

鋼圓筒需要穿過回填中粗砂、淤泥質(zhì)土，最終沉入粉質(zhì)黏土層。將鋼圓筒振動(dòng)下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，選擇具有足夠激振力的振動(dòng)錘尤為重要。因此需要對(duì)鋼圓筒下沉過程中的動(dòng)摩阻力進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算。

22m 直徑鋼圓筒在施工前，采用日本建機(jī)調(diào)查株式會(huì)社經(jīng)驗(yàn)公式、法國(guó) PTC 公司經(jīng)驗(yàn)公式、美國(guó) ICE 公司經(jīng)驗(yàn)公式、振幅分析法、波動(dòng)方程分析法等多種計(jì)算方法進(jìn)行振動(dòng)下沉可行性計(jì)算分析。由于各類經(jīng)驗(yàn)公式均源自于直徑較小的鋼管樁，從未進(jìn)行過直徑 22m的鋼圓筒的振沉能力分析，因此在采用上述方法進(jìn)行鋼圓筒振沉計(jì)算分析時(shí)，應(yīng)考慮到鋼圓筒與鋼管樁之間的不同之處。如鋼圓筒與鋼管樁內(nèi)側(cè)壁阻力不同以及鋼圓筒橫肋、縱肋的影響。

1 計(jì)算方法

當(dāng)鋼圓筒靜止存在于土體中，它與土之間存在著靜摩阻力。通過對(duì)鋼圓筒進(jìn)行強(qiáng)制振動(dòng)，鋼圓筒會(huì)將振動(dòng)傳遞給與鋼圓筒接觸的土壤顆粒。土壤顆粒之間繼而發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)減少顆粒間的相互摩擦，造成靜摩擦阻力急劇下降。

以 Tv代表通過振動(dòng)后降低了的摩阻力，以 μ代表摩擦力 T 變?yōu)?Tv時(shí)的降低率，那么，起振力P0和摩擦力的關(guān)系見下式[1-2]：

P0≥Tv= μT （1）

根據(jù)日本建調(diào)株式會(huì)社《鋼管樁振動(dòng)下沉計(jì)算》所述：μ的大小由振動(dòng)加速度支配。隨著振動(dòng)加速度的增大，將會(huì)帶來土體液化現(xiàn)象。當(dāng)振動(dòng)加速度超過 10g 以后，即使把振動(dòng)加速度無限加大，也不會(huì)把土體摩阻力降低至0，因此動(dòng)土阻力存在一個(gè)極限值 Tvmin。因此對(duì)于土阻力的降低率 μ 也存在一個(gè)極值 μmin。

1.1 日本建機(jī)調(diào)查株式會(huì)社公式

根據(jù)日本建機(jī)調(diào)查株式會(huì)社的經(jīng)驗(yàn)公式，μ值的大小與振動(dòng)體系的總質(zhì)量、振動(dòng)系統(tǒng)所能提供的最大加速度以及鋼圓筒所承受的最大靜阻力有關(guān)。日本建機(jī)調(diào)查株式會(huì)社得出了鋼圓筒振動(dòng)下沉最小激振力的計(jì)算公式，

式中：μmin為摩阻力降低率極值，根據(jù)日本提供經(jīng)驗(yàn)，取 μmin=0.05；η 為表示鋼圓筒振動(dòng)最大加速度與重力加速度的比值；Q0為振動(dòng)體系重力；β 為土阻力的降低系數(shù)，與材料性質(zhì)有關(guān)，根據(jù)日本經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于鋼材，取 β =0.52。

根據(jù)式 （2） 以及公式 （3） 可以得到 η-μ 關(guān)系。從而得到鋼圓筒摩阻力的降低率 μ，根據(jù)公式 （1） 即可得到鋼圓筒振動(dòng)下沉所需要的最小激振力。

1.2 法國(guó) PTC 經(jīng)驗(yàn)公式

法國(guó) PTC 公司匯集了世界范圍內(nèi) 58 個(gè)工程的土壤數(shù)據(jù)，找出了土壤的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)（SPT）N值與振動(dòng)構(gòu)件單位面積（以外表面積計(jì)算）的動(dòng)側(cè)摩阻力的關(guān)系。根據(jù)不同土層的動(dòng)側(cè)摩阻力，求出最終的樁動(dòng)側(cè)摩阻力，并根據(jù)公式 P0>Tv進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算[1]。

式中：Tv為各土層動(dòng)土阻力之和，kN； Tvi為第 i層土動(dòng)側(cè)摩阻力值，kN；Hi為第 i層土厚度，m；Ci為樁外側(cè)周長(zhǎng)，m。

1.3 美國(guó) ICE 公司經(jīng)驗(yàn)公式

美國(guó) ICE 公司通過大量工程測(cè)試后得出結(jié)論，在高速振動(dòng)時(shí)，樁的周圍土壤產(chǎn)生液化效果，促使樁側(cè)靜摩阻力降低，降低率 μ =0.1~0.4，根據(jù)工程土質(zhì)，可在其間選擇降低率具體數(shù)值。美國(guó)ICE 公司推薦土阻力降低率見表 1[1]。

表1 美國(guó) ICE 公司土阻力降低系數(shù)推薦表Table 1 Recommended form of the soil resistance reduction cofficientvalue μ

1.4 振幅分析法

該方法認(rèn)為：振動(dòng)體系的振幅 A0大于樁下沉過程中所需要的振幅A，樁可下沉至設(shè)計(jì)要求深度。根據(jù)歐美國(guó)家計(jì)算振幅的公式，認(rèn)為振動(dòng)體系的工作振幅可按照下式計(jì)算[1]：

同時(shí)，美國(guó) ICE 公司認(rèn)為，各類型土質(zhì)對(duì)最小振幅要求有所不同，在砂質(zhì)土壤中，振動(dòng)液化程度較高，所以振幅要求比較小，用 ICE 振動(dòng)錘只需要 3.0mm，在黏土里，由于土壤能跟隨樁壁運(yùn)動(dòng)，振幅要求達(dá)到 6.0mm。在非常理想情況下，如在水下的砂質(zhì)土壤，2.0mm 就足夠。

1.5 波動(dòng)方程分析法

波動(dòng)方程是一種重要的偏微分方程，主要描述自然界中的各種波動(dòng)現(xiàn)象，在樁基工程領(lǐng)域，一維波動(dòng)方程主要進(jìn)行樁基的可打性分析以及樁基的承載能力分析，在工程中有著廣泛的應(yīng)用。依據(jù)波動(dòng)方程理論而開發(fā)的樁基分析軟件種類也很多。此處采用了美國(guó) PDI公司出品的 GRWEAP打樁分析軟件。

GRLWEAP 主要用來計(jì)算樁的可打性，而鋼圓筒與鋼管樁之間有著明顯的不同，因此在計(jì)算過程中對(duì)計(jì)算參數(shù)的選取應(yīng)有所調(diào)整。主要涉及到鋼圓筒內(nèi)外筒壁摩阻力的判斷以及鋼圓筒端阻力的判斷，同時(shí)由于鋼圓筒屬于薄壁結(jié)構(gòu)，并設(shè)置有加勁肋，計(jì)算分析時(shí)需要考慮加勁肋的影響。

港 珠 澳大 橋 東 西人 工 島 分 別 以 CKD35、CKD56 號(hào)鉆孔資料進(jìn)行鋼圓筒振沉可行性的波動(dòng)方程分析，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 波動(dòng)方程分析法計(jì)算結(jié)果匯總Table2 Analysis resultsof theweaveequationmethod

波動(dòng)方程計(jì)算方法是目前較為先進(jìn)的振動(dòng)下沉計(jì)算分析方法，但是由于計(jì)算理論不完善，計(jì)算結(jié)果并不完全準(zhǔn)確，其中影響計(jì)算精度的主要因素如下：

1） 地質(zhì)勘查結(jié)果不準(zhǔn)確，將導(dǎo)致對(duì)土阻力估計(jì)不準(zhǔn)確[3]。

2） 在采用波動(dòng)方程分析計(jì)算中，沒有考慮孔隙水對(duì)土阻力的影響。

3） 真實(shí)振動(dòng)狀態(tài)下動(dòng)土阻力與靜土阻力不同，目前尚不能完全掌握動(dòng)土阻力與靜土阻力之間準(zhǔn)確的關(guān)系。在使用波動(dòng)方程軟件分析時(shí)，動(dòng)土阻力只是通過土阻力降低系數(shù)進(jìn)行調(diào)整[4-5]。

4） 振動(dòng)錘的真實(shí)工作性能與計(jì)算模型之間存在一定的差異。

5） 鋼圓筒的環(huán)形肋、豎肋等加強(qiáng)肋會(huì)對(duì)鋼圓筒振動(dòng)下沉產(chǎn)生一定的阻力，目前尚無法準(zhǔn)確估計(jì)加強(qiáng)肋對(duì)鋼圓筒振動(dòng)下沉造成的影響。

2 計(jì)算結(jié)果

以 8 臺(tái) APE600 振動(dòng)錘所能提供的最大激振力 P0，與計(jì)算得到動(dòng)摩阻力 Tv相比，得到振動(dòng)系統(tǒng)的富裕系數(shù)，計(jì)算結(jié)果匯總見表3。

表3 計(jì)算結(jié)果匯總表Table3 Summary of the calculating results

根據(jù)以上結(jié)果可以得到各種計(jì)算方法的結(jié)論相近，振動(dòng)錘的富裕系數(shù)相近。

3 工程驗(yàn)證及結(jié)論

在鋼圓筒振動(dòng)下沉分析時(shí)，需要掌握振動(dòng)錘的偏心力矩、最大激振力、振動(dòng)頻率、振動(dòng)錘功率以及動(dòng)力柜輸出功率能等參數(shù)。其中偏心力矩、最大激振力、振動(dòng)頻率、以及振動(dòng)錘的功率等參數(shù)用于進(jìn)行振沉能力的分析，動(dòng)力柜功率的計(jì)算是保證振動(dòng)錘能夠達(dá)到其工作性能的基礎(chǔ)保 證[3，6]。

波動(dòng)方程計(jì)算方法是目前較為先進(jìn)的振動(dòng)下沉計(jì)算分析方法，但是由于計(jì)算理論不完善，計(jì)算結(jié)果并不完全準(zhǔn)確，計(jì)算時(shí)需要充分考慮其他影響因素。

港珠澳大橋采用美國(guó) APE600 液壓振動(dòng)錘 8錘聯(lián)動(dòng)施工工藝，經(jīng)過工程實(shí)際驗(yàn)證，東、西人工島鋼圓筒均順利下沉。但實(shí)際上由于計(jì)算理論的不完善，除波動(dòng)方程計(jì)算方法外，鋼圓筒振動(dòng)下沉主要還是依靠經(jīng)驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)公式來估計(jì)鋼圓筒所承受的動(dòng)土阻力。因此在類似工程應(yīng)用中，仍需要采用多種計(jì)算方法綜合分析確定。

[1] 劉寶和，邊強(qiáng)，袁孟全.振動(dòng)沉樁錘的選型及應(yīng)用[J].中國(guó)港灣建設(shè)，2008（3）：39-41. LIU Bao-he,BIAN Qiang,YUAN Meng-quan.Selection and application of vibratory piling hammers[J].China Harbour Engineering,2008(3):39-41.

[2] 王胤.振動(dòng)打樁機(jī)下沉鋼管樁實(shí)用計(jì)算方法[J].河港工程，1996（3）：11-22. WANG Yin.Practical calculation method for sinking steel pipe pilesby vibratory pile driver[J].River&Port Engineering,1996(3): 11-22.

[3] 張捷.沉入式大圓筒下沉過程數(shù)值模擬[D].天津：天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，2009:1-6. ZHANG Jie.Numerical simulation of the embedded large cylinder sinking process[D].Tianjin:Architectural Engineering College of Tianjin University,2009:1-6.

[4] 汪金衛(wèi)，陳福全，簡(jiǎn)洪鈺.高頻液壓振動(dòng)錘打樁的可打入性分析模型[J].福建工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2002（1）：9-15. WANG Jin-wei,CHEN Fu-quan,JIAN Hong-yu.Themodels for vibratory drivability of piles by vibratory hammer[J].Journal of Fujian UniversityofTechnology,2002(1):9-15.

[5] 劉潤(rùn)，禚瑞花，閆澍旺.大直徑鋼管樁土塞效應(yīng)的判斷和沉樁過程分析[J].海洋工程，2005（2）：71-76. LIU Run,ZHUO Rui-hua,YAN Shu-wang.Plug effect on drivability of large-diameter steel piles[J].The Ocean Engineering, 2005(2):71-76.

[6] 李振國(guó).大直徑圓筒振動(dòng)下沉動(dòng)力分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2003:27-34. LIZhen-guo.Study on dynamic analysis and sitemeasurement for large diameter cylinder driving by vibration[D].Qingdao:Ocean University of China,2003:27-34.

Calculatingmethod for vibro-sinking large diameter steel caissons

XUXin-wei1,LIUYa-ping2,LIShuang-shao1
（1.CCCCTianjin PortEngineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China; 2.CCCCFirstHarbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China）

The east and west artificial islands of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge project are formed by 22 m diameter steel caissonswhich are sunk to the designed elevation by vibratory system consistof APE600 largestvibratory pile driver.Before this project,a seriesofanalyzingmethodswere applied to demonstrate the feasibility of the vibratory system,such as empirical equation in Japan,empirical equation of PTC Company in France,empirical equation of ICE Company in USA,and wave equation method.Finally,the results show that eight APE600 vibratory pile drivers can meet the engineering requirements,which has been proved in theengineeringapplication.

steel caisson;vibratory pile driver;weave equation;vibratory resistance of soil

U655.553

A

2095-7874（2014）10-0014-03

10.7640/zggw js201410004

2014-04-11

2014-09-02

胥新偉 （1981 — ），男，河北張家口市人，工程師，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)。E-mail:xxw.350@163.com