2

(1.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點實驗室, 山東 青島 266590)

海洋平臺作為提供生產(chǎn)與生活設(shè)施于一體的構(gòu)筑物，集鉆井、運輸、施工、觀測、導(dǎo)航于一身。其樁基施工一般使用大直徑超長鋼管樁，通過液壓打樁錘將管樁沿導(dǎo)管打入海底土層。打樁過程中，當(dāng)鋼管樁遇到海洋土層中的軟弱土層時，由于樁端阻力與樁側(cè)摩阻力減小，經(jīng)常會發(fā)生溜樁現(xiàn)象。溜樁不僅影響成樁質(zhì)量與樁基承載力，而且還會使樁的實際貫入度與樁基的設(shè)計高程產(chǎn)生較大誤差。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對溜樁問題開展了一系列研究。郭生昌等[1]結(jié)合工程實際分析了溜樁原因，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施；孫立強等[2]考慮樁周土體的強度折減和超孔壓等因素，提出了溜樁長度的計算方法；尹漢軍等[3]采用靜力平衡法對溜樁區(qū)間進行了估算；Dover等[4]提出了一種溜樁預(yù)測方法，并對26根管樁的溜樁可能性進行了預(yù)測；閆澍旺等[5]分析了大直徑鋼管樁的溜樁機理，并提出了溜樁長度的計算方法。以上研究大多是針對鋼管樁溜樁過程中樁側(cè)摩阻力的折減和溜樁長度的計算開展的，很少考慮溜樁過程中不同深度樁側(cè)摩阻力的變化，且沒有針對實際工程情況采用不同的溜樁計算方法。

針對以上問題，首先對海洋平臺大直徑鋼管樁的溜樁原因進行了分析，然后考慮溜樁對不同深度樁側(cè)摩阻力的影響，計算得到地基極限承載力與樁端阻力的關(guān)系，進而采用靜力平衡與功能原理建立了大直徑鋼管樁溜樁區(qū)間的新計算方法，并通過工程實例進行了對比分析，驗證了計算方法的合理性和可靠性。

1 溜樁原因分析

工程實踐[6]表明，溜樁通常會在以下兩種情況下發(fā)生：一是當(dāng)海洋土體表層為承載力較弱的軟土層；二是樁從承載力較高的土層打入承載力較小的土層時。由于海洋土體的性質(zhì)，每根鋼管樁在打樁過程中溜樁發(fā)生的次數(shù)會在0到3次之間。

當(dāng)鋼管樁剛進入海洋表面土層時，由于土層承載力較弱，在樁錘未錘擊的情況下，樁自由貫入土層一定深度。當(dāng)樁進入硬質(zhì)土層時，樁端阻力與側(cè)摩阻力變大，鋼管樁在錘擊作用下逐漸貫入土中。當(dāng)樁進入軟黏土層中，樁端阻力減小，樁側(cè)摩阻力不足以承受樁與樁錘的質(zhì)量，此時樁會在未錘擊的情況下貫入土層，即樁體發(fā)生溜樁。當(dāng)樁進入硬質(zhì)土層或樁側(cè)摩阻力增加到一定值時，溜樁停止。當(dāng)樁繼續(xù)貫入時，雖然側(cè)摩阻面積增加，但由于土體的重塑，樁側(cè)摩阻力實際上是不斷減小的。所以當(dāng)再次進入軟土層中，會發(fā)生二次溜樁現(xiàn)象。圖1為溜樁現(xiàn)象示意圖。

圖1 溜樁現(xiàn)象示意圖

當(dāng)樁體受到的總土阻力滿足以下條件之一時便有可能發(fā)生溜樁：①總土阻力小于樁身自重；②總土阻力小于樁與樁錘的重力；③總土阻力小于樁與樁錘的慣性力。

2 沉樁阻力計算

2.1 樁端阻力的計算

對于溜樁過程中大直徑鋼管樁受到的樁端阻力，可以通過求環(huán)狀樁端受到的土阻力得到。砂土層中的環(huán)狀樁端阻力采用別列柴策夫公式[7]計算，將計算得到的樁的環(huán)形端部截面的極限承載力視為樁端阻力。

根據(jù)別列柴策夫計算公式，砂土層中樁端阻力

qu=qDNq+γBNr。

(1)

式中：qu為樁端阻力，kPa；Nq，Nr為地基極限承載力系數(shù)，通過土體的內(nèi)摩擦角φ確定；qD為地基處的超載，kPa；B為鋼管樁的直徑，m；γ為土層浮容重，kN/m3。地基極限承載力系數(shù)見表1。

表1 地基極限承載力系數(shù)表

對于鋼管樁在黏性土中受到的環(huán)狀樁端阻力，可通過qu=Nrcu進行計算，cu為黏土的不排水抗剪強度，kN/m2。Som等[8]通過實驗和分析提出在黏性土中Nr取9比較合適，因此黏性土中樁端阻力為：

qu=9cu。

(2)

2.2 樁側(cè)摩阻力的計算

通過對溜樁現(xiàn)象的分析[9]可以得到，在樁貫入土體的過程中，樁底部土體會發(fā)生剪切破壞，土體形成重塑區(qū)，土體強度也隨之改變。這種現(xiàn)象會導(dǎo)致土體重塑強度低于原土體強度，側(cè)摩擦系數(shù)減小，因此樁土之間的靜態(tài)摩阻力并不適用于樁側(cè)摩阻力，需要計算樁土之間的動側(cè)摩阻力。

Dover和Davidson[4]通過實驗與分析認(rèn)為，鋼管樁在砂土中受到的動側(cè)摩阻力可以將靜側(cè)摩阻力折減0.7到0.9倍得到；張海山等[10-12]認(rèn)為沉樁過程中，大直街鋼管樁內(nèi)會形成10倍于樁徑的土塞，樁壁內(nèi)側(cè)摩阻力是樁外側(cè)摩阻力的50%。因此在考慮樁壁內(nèi)側(cè)摩阻力的基礎(chǔ)上，對樁土之間的靜態(tài)摩阻力使用折減因子進行折減，得到鋼管樁在砂土層中的動側(cè)摩阻力fs為：

fs=αkp0tanδ。

(3)

圖2 單位側(cè)摩阻的變化

式中：α為砂土動摩側(cè)阻力折減系數(shù)，海洋巖土中α取0.75比較合理；k為地基壓力系數(shù)；p0為土層上覆壓力，kN；δ為土體外摩擦角。

對鋼管樁在黏土層中樁側(cè)摩阻力的計算，同樣需要對土體強度進行折減。李颯等[13-15]通過分析與實驗得出土體表面以下不同位置處的樁側(cè)摩阻力受溜樁影響程度不同，將樁的入土深度劃分為3個影響區(qū)，圖2為不同影響區(qū)單位側(cè)摩阻力的變化。

如圖2所示，曲線a表示在溜樁結(jié)束時各深度處的單位側(cè)摩阻力；曲線b表示了在打樁結(jié)束時各深度處的單位側(cè)摩阻力，z為土體在泥面以下的深度，H為溜樁結(jié)束時的深度。根據(jù)土體在泥面以下的深度z與管樁溜樁結(jié)束時的深度H之間的比值，將管樁入泥土層分為完全影響區(qū)、不完全影響區(qū)和不影響區(qū)。

結(jié)合以上考慮，當(dāng)鋼管樁發(fā)生第一次溜樁時，樁動側(cè)摩阻力可采用修正的API法來計算，計算公式為：

fd=0.3βcu。

(4)

式中：β為黏著系數(shù)，cu為不排水抗剪強度，kN/m2。當(dāng)cu≥72 kPa時，β=0.5，當(dāng)24 kPa≤cu<72 kPa時，β值在[0.5,1]區(qū)間內(nèi)線性增加。

對于鋼管樁發(fā)生二次溜樁的情況，計算樁在黏土層中的動側(cè)摩阻力時，需要考慮第一次溜樁對樁側(cè)摩阻力的影響，并根據(jù)影響程度的不同將樁基入泥深度區(qū)間分成三個影響區(qū)，分別是完全影響區(qū)、半完全影響區(qū)和無影響區(qū)。

1) 完全影響區(qū)

當(dāng)z/H<0.5時，溜樁結(jié)束時的側(cè)摩阻力與打樁結(jié)束時的側(cè)摩阻力基本相同，且數(shù)值很小，這部分土體是受溜樁影響最為嚴(yán)重的區(qū)域，稱其為完全影響區(qū)。將樁受到的動側(cè)摩阻力通過折減成靜摩側(cè)阻力的0.075倍得到，計算公式為：

fd=0.075f。

(5)

式中：fd為黏土層中的動側(cè)摩阻力，kN，f為靜側(cè)摩阻力，kN。

2) 半完全影響區(qū)

當(dāng)0.50.44，即設(shè)計入泥深度較小，溜樁后，后續(xù)打樁距離設(shè)計入泥深度較小，后續(xù)打樁對土體性質(zhì)影響較小，仍可采用修正的API法進行計算；②如果z/Hend<0.44即溜樁后，設(shè)計入泥深度較大時，后續(xù)打樁對土體性質(zhì)影響較大，此時動側(cè)摩阻力

fd=0.075f。

(6)

3) 無影響區(qū)

當(dāng)z/H>0.8時，該區(qū)域溜樁對土體的擾動小，樁體側(cè)摩阻力受溜樁的影響忽略不計，樁體動側(cè)摩阻力仍可用修正的API法計算方法，則該區(qū)域側(cè)摩阻力

f=0.3βcu。

(7)

式中：當(dāng)cu≥72 kPa時，β=0.5；當(dāng)24 kPa≤cu<72 kPa時，β值在[0.5,1]區(qū)間內(nèi)線性增加。

3 溜樁區(qū)間計算方法

通過對溜樁機理的分析，針對現(xiàn)有的溜樁區(qū)間算法的計算過程進行了改進。首先采用別列柴策夫公式得到樁端阻力，再考慮溜樁對樁側(cè)摩阻力的影響，將黏性土分成不同影響區(qū)并使用不同的折減因子計算摩阻力，砂質(zhì)土中則通過常規(guī)方法計算樁側(cè)摩阻力，并基于溜樁這一動態(tài)過程，采用靜力平衡與功能原理建立大直徑鋼管樁溜樁區(qū)間的新計算方法。

當(dāng)鋼管樁貫入海洋土層中時，樁體會受到液壓錘的錘擊力、自身重力、浮力、樁端阻力及樁側(cè)摩阻力的作用。根據(jù)動力學(xué)經(jīng)驗，在液壓錘錘擊管樁時，管樁與液壓錘的動力視為1.2倍的樁與液壓錘的重力之和(G1+G2)，所以管樁受力條件滿足式(8)時會發(fā)生溜樁。通過式(8)～(9)即可計算出溜樁發(fā)生時管樁入泥深度L。

1.2(G1+G2)=f外+qu+F，

(8)

(9)

式中：F為管樁受到的浮力，kN；B為鋼管樁直徑，m；γs為海水的容重。

隨著溜樁的進行，鋼管樁的速度會在土阻力與浮力的作用下逐漸減小至零，即樁的動能在克服土阻力與浮力的做功中耗散，因此可根據(jù)功能原理列出能量方程，求出溜樁長度l。溜樁過程中樁側(cè)摩阻力所做功的計算公式為:

(10)

式中：W1為樁側(cè)摩阻力做的功，kJ；B為鋼管樁直徑，m；x為開始溜樁時的土層數(shù)；fmj為溜樁發(fā)生位置前第i層土的摩擦力，kN；y溜樁區(qū)間的土層數(shù)；fmj為溜樁區(qū)間內(nèi)的第j層土的摩擦力，kN，v為樁在溜樁區(qū)間內(nèi)的每層土中的滑動距離，m。

由積分學(xué)方法可得，fmj在溜樁區(qū)間為分段函數(shù)，故在溜樁區(qū)間內(nèi)黏土層與砂土層的動摩擦阻力通過如下兩式計算：

(11)

(12)

式中：fmd為溜樁區(qū)間內(nèi)第j層黏土的摩擦力，kN；t為相應(yīng)土層的厚度，m；fms為溜樁區(qū)間內(nèi)第j層砂土的摩擦力，kN；pj-1為第j-1層土的上覆土壓力，kN；γj為第j層砂土的重度，kN/m3；pj為第j層土的上覆土壓力，kN。

對于溜樁過程中樁端阻力做的功，可通過對別列柴策夫公式積分得到，計算公式為：

(13)

式中：W2為樁端阻力做的功，kJ；t′為溜樁結(jié)束時鋼管樁在所停留土層的插入長度，m。

鋼管樁所受到浮力Ff會隨著溜樁的進行逐漸增大，因此浮力所做的功

(14)

式中：ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

當(dāng)液壓錘對鋼管樁進行錘擊時，會有能量耗散，通常使用η系數(shù)進行修正，因此樁與錘在溜樁開始時具有的能量為ηE。綜合以上考慮，根據(jù)能量守恒可得出樁的能量方程滿足：

ηE=(G1+G2)l+W1+W2+W3。

(15)

根據(jù)式(15)即可求出溜樁長度l，結(jié)合溜樁發(fā)生時管樁入泥深度L，即可得到鋼管樁的溜樁區(qū)間。

4 工程實例驗算

根據(jù)南海荔灣樁基平臺現(xiàn)場施工時采集的工程數(shù)據(jù)，選取合理的土體參數(shù)，使用新計算方法求出鋼管樁的溜樁區(qū)間，將計算結(jié)果與實際工程中的溜樁區(qū)間進行比對分析，驗證新計算方法的合理性。

該樁基平臺共有16根鋼管樁，平均分布在樁基平臺的四個角上，每根鋼管樁重643.9 kg，直徑2.74 m，樁長為158 m。液壓錘的型號為MHU1200S，額定輸出能量1 200 kJ。為保證鋼管樁周圍土層性質(zhì)相同，選取了平臺一個角上的四根鋼管樁進行計算分析。通過對土體參數(shù)分析可知，鋼管樁所在土層軟硬土層交替，土體淺層具有較長的黏土層，極易發(fā)生溜樁，并且在58.8 m和108 m的土體深度時，土體再次出現(xiàn)軟黏土層，此時很大可能會發(fā)生二次溜樁乃至三次溜樁，鋼管樁所在土層的土體參數(shù)列于表2。

結(jié)合實際工程選取的土體參數(shù)，使用式(1)～(7)計算得到鋼管樁打樁過程中每層土的樁端阻力，砂土動側(cè)摩阻力以及黏土的靜摩擦阻力。由表2的計算結(jié)果可知，砂土層中樁體受到的樁端阻力較大，樁側(cè)摩阻力較小，黏土層中樁端阻力較小，樁側(cè)摩阻力較大，而在管樁剛貫入土層時，主要是通過樁端阻力承受樁與樁錘重力，由此也驗證了溜樁產(chǎn)生的原因。

將表2的各土層阻力代入式(8)～(15)，求出溜樁發(fā)生時管樁的入泥深度與溜樁長度,得到了三個溜樁區(qū)間，分別為13.3～27 m、38.0～60 .5 m和64.9～84.0 m。通過理論溜樁區(qū)間與實際工程的溜樁區(qū)間的比對，得到了如圖3所示的比對結(jié)果。

由比對結(jié)果可知，溜樁發(fā)生時樁的入泥深度及前兩次溜樁區(qū)間與實際工程情況基本一致。對于第三次溜樁區(qū)間的計算有些偏差，這是由于第二次溜樁同樣對土體產(chǎn)生了影響，使樁側(cè)摩阻力發(fā)生變化，但第三次溜樁區(qū)間比理論計算的區(qū)間長度小，處于樁基工程安全范圍內(nèi)，故理論溜樁區(qū)間仍可為樁基設(shè)計提供參考。同時說明溜樁區(qū)間的計算需要考慮溜樁對土體產(chǎn)生的影響，新計算方法得到的溜樁區(qū)間與實際溜樁區(qū)間基本吻合，新計算方法的合理性得到驗證。

表2 各土層土體參數(shù)與土阻力計算結(jié)果

圖3 理論溜樁區(qū)間與實際溜樁區(qū)間的比對

5 結(jié)論

通過對溜樁過程及產(chǎn)生原因的分析與研究，主要結(jié)論如下：

1) 當(dāng)鋼管樁發(fā)生二次溜樁時，考慮溜樁對樁側(cè)摩阻力影響程度的不同，將黏土層中樁的側(cè)摩阻力分為三個影響區(qū)，分別是完全影響區(qū)、半影響區(qū)和無影響區(qū)，對不同影響區(qū)的樁側(cè)摩阻力使用不同的折減因子計算，新計算方法得到的溜樁區(qū)間更接近工程實際。

2) 計算鋼管樁溜樁區(qū)間時，利用靜力平衡原理，求出在溜樁開始時管樁的入泥深度，使用積分學(xué)方法列出不同影響區(qū)的樁側(cè)摩阻力與樁端阻力所做功的表達(dá)式，再結(jié)合功能原理列出管樁的能量方程，即可求出溜樁長度，進而得出鋼管樁溜樁區(qū)間。

3) 通過工程實例驗核，新計算方法的第一、二次溜樁區(qū)間的計算結(jié)果與實際情況誤差范圍為8%～16%，具有較高的準(zhǔn)確度；第三次結(jié)果雖有所偏差，理論溜樁區(qū)間小于實際溜樁區(qū)間，仍處于樁基工程安全范圍內(nèi)，仍可供海洋平臺樁基設(shè)計及施工提供參考。