挤密砂桩成桩过程的可打性分析方法
【专利摘要】本发明提供一种挤密砂桩成桩过程的可打性分析方法，包括步骤：A、测得桩管与沉管深度相应的端阻力值、静侧摩阻力值以及土质参数；B、测得振动沉管过程中桩管上各测试截面处的轴应力值、桩顶加速度值、动端阻力实测值和桩端加速度值；C、比较桩管的静端阻力计算值与动端阻力实测值，分析端阻力的振动衰减情况；D、建立桩管沉入至最低沉管深度时的运动平衡方程；E、将计算或测得的脱离体截面处的压力值、桩管内的空气压力值、动端阻力实测值、脱离体的加速度值、静侧摩阻力值、脱离体的质量、重力加速度代入运动平衡方程，得到动侧摩阻力折减系数，为挤密砂桩成桩过程中的可打性计算提供参考依据，保证施工质量，提高施工效率。
【专利说明】挤密砂粧成粧过程的可打性分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水下挤密砂桩领域，特别是涉及一种挤密砂桩成桩过程的可打性分析方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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%。
[0005]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极限阶段。振动成桩时，在桩身设置以电、气、水或液压驱动的振动锤，使振动锤中的偏心重锤相互逆旋转，其横向偏心力相互抵消，而垂直离心力相互叠加，使桩管产生垂直的上下振动，造成桩管及桩周土体处于强迫振动状态，从而使桩周土体强度显著降低并将桩间土体挤开，破坏了桩与土体间的粘结力和弹性力，桩周土体对桩壁产生的侧摩阻力和桩端处受到的土体抗力即桩端阻力大为减小，桩管在自重和振动力的作用下克服各种阻力而逐渐下沉。振动锤的激振力与偏心距、角速度有关，对于同一振动锤其激振力为定值。激振力的传递受偏心影响较大，而在挤密砂桩成桩过程中，桩管侧壁和端部的受力情况更能反映出振动锤振动能量的发挥程度。振动锤的激振力需要足以克服桩身受到的桩端阻力和侧摩阻力，才能令桩身下沉至要求深度。因此可见，挤密砂桩振动成桩过程的可打性计算与桩管受到的侧摩阻力和桩端处受到的桩端阻力密切相关，而且直接影响到水下挤密砂桩的施工质量和施工效率。
[0006]日本和欧美都曾针对钢管桩和板桩在成桩过程中的侧摩阻力、桩端阻力等进行过分析研究，他们的研究成果各有侧重且相互间也有很多不同之处。日本建机调查株式会社的经验公式主要是根据土体标准贯入度试验所得的标贯值来进行计算必要振幅、端阻力等。法国及美国的相关公司针对液压振动锤提出相关的经验计算公式。然而水下挤密砂桩的成桩过程与钢管桩和板桩的打设有很大的区别，如套管内压力控制、端部处理、挤密回打过程等，因此亟需根据水下挤密砂桩成桩特点，利用从水下挤密砂桩成桩过程的现场实际动态测试中获取的数据对挤密砂桩的成桩过程中的侧摩阻力、桩端阻力等进行研究，进行挤密砂桩成桩过程的可打性分析计算，从而可以指导水下挤密砂桩的设计施工，保证施工
质量，提高施工效率。
【发明内容】
[0007]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通过现场动态测试数据进行端阻力与侧摩阻力分析的挤密砂桩成桩过程的可打性分析方法，进而可指导水下挤密砂桩的设计施工，保证施工质量，提高施工效率。
[0008] 为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种挤密砂桩成桩过程的可打性分析方法，包括步骤:
[0009]A、测得所述挤密砂桩成桩区域处桩管与沉管深度相应的端阻力值、静侧摩阻力值以及土质参数；
[0010]B、将桩管从桩顶至桩端分为若干测试截面；所述测试截面为所述桩管的径向截面且彼此平行；在振动沉管过程中，测得各所述测试截面处的桩管对称两侧的轴应力值；测得所述位于桩顶的所述测试截面处的桩顶加速度值；测得桩端处的动端阻力实测值和桩端加速度值；
[0011]C、采用闭口桩的计算方式，利用所述步骤A中获得的所述土质参数和所述端阻力值计算得到所述桩管的静端阻力计算值，再将对应于不同沉管深度的所述静端阻力计算值与所述步骤B中测得的动端阻力实测值进行比较，分析桩管在振动沉管过程中的端阻力的振动衰减情况；
[0012]D、根据挤密砂桩的成桩特点，将振动锤与桩管视为一个整体，以一个所述测试截面作为脱离体截面，以桩管在所述脱离体截面以下的部分作为脱离体建立桩管沉入至最低沉管深度时的运动平衡方程:
[0013]Fc-Fs-Fr+Fa+mg = ma(式 2)
[0014]其中，F。一所述脱离体截面处的压力值；
[0015]Fs—所述桩管入土部分的动侧摩阻力值；
[0016]Fr—所述步骤B中得到的桩管的动端阻力实测值；
[0017]Fa—所述桩管内的空气压力值；
[0018]m—所述脱离体的质量；
[0019]g—重力加速度；
[0020]a—所述脱离体的加速度值；
[0021]所述动侧摩阻力值Fs的计算式为
[0022]Fs = β SFSC(式 3)
[0023]其中，Fs。一所述步骤A中测得的桩管入土部分的静侧摩阻力值；β s—动侧摩阻力折减系数；
[0024]E、根据挤密砂桩的成桩特点，计算桩管沉入至最低沉管深度时所述脱离体截面处的压力值F。、所述桩管内的空气压力值Fa;获得桩管沉入至最低沉管深度时的所述动端阻力实测值匕、所述脱离体的加速度值a、所述静侧摩阻力值Fs。、所述脱离体的质量m、重力加速度g ;结合所述步骤D中的式2和式3，得到动侧摩阻力折减系数β s。
[0025]优选地，所述步骤A中选用在挤密砂桩成桩区域的静力触探孔中测取所述端阻力值、静侧摩阻力值以及土质参数。
[0026]优选地，在所述步骤C中，先取测得的桩端平面以上4倍桩管直径范围内的端阻力值进行加权平均，再将所得到的加权平均值与所述桩端平面以下I倍桩管直径范围内的端阻力值进行平均，从而计算得到静端阻力值；
[0027]静端阻力计算值的计算式为
[0028]P = a qc(式 I)
[0029]其中:p—静端阻力计算值； [0030]q。一所述静端阻力值；
[0031]α—桩端阻力修正系数，土质为粘性土时α = 0.667，土质为砂性土 α =0.5。
[0032]优选地，所述步骤E中，桩管沉入至最低沉管深度时所述脱离体截面处的压力值F。由所述脱离体截面处桩管对称两侧的轴应力值的平均值乘以所述脱离体截面的面积得到。
[0033]优选地，在所述步骤D和步骤E中，计算所述脱离体截面处的压力值F。时，选取所述桩管刚入土的时刻作为基准点，已包括脱离体的重力mg，式I可表示为
[0034]Fc- β SFSC-Fr+Fa = ma(式 4)。
[0035]优选地，所述步骤E中，桩管沉入至最低沉管深度时所述桩管内的空气压力值Fa的计算式为:(I)所述桩管内无砂柱时，
[0036]Fa = P 水 +p 土(式 5)
[0037]其中，P*表示水压力，计算式为:
[0038]P水=Y*h(式 6)
[0039]Y水一水重度；
[0040]h—水深；
[0041 ] P 土表示土压力，计算式为:
[0042]P 土= Y 土 z(式 7)
[0043]y 土一土体的重度；
[0044]z—土层厚度；
[0045](2)所述桩管内有砂柱时，
[0046]Fa = P 水 +p 土 —P 砂柱(式 8)
[0047]其中，Pwi表示所述桩管内的砂柱重力，计算式为:
[0〇48] P砂柱=Y砂柱h砂柱(式9)
[0049]Y砂、柱一所述桩管内砂柱重度；
[0050]h砂柱一所述桩管内砂柱高度。
[0051 ] 优选地，所述步骤E中，桩管沉入至最低沉管深度时所述脱离体的加速度值a为所述步骤B中测得的所述最大桩顶加速度值与最大桩端加速度值的平均值。
[0052]如上所述，本发明的挤密砂桩成桩过程的可打性分析方法，根据挤密砂桩的成桩特点，利用从水下挤密砂桩成桩过程的现场实际动态测试数据进行了桩管的动端阻力与静端阻力的相关性分析，得出了桩管在粘性土中的静端阻应力计算值与动端阻应力实测值的比值(即动、静端阻力比值)，进而可得知挤密砂桩成桩过程中端阻力在粘性土中的衰减程度。通过动侧摩阻力与静侧摩阻力的相关性分析，利用实际测试数据建立了振动成桩过程中桩管的运动平衡方程，得到动侧摩阻力折减系数。由于在挤密砂桩在成桩过程中，桩管在振动锤的激振力和自重作用下克服端阻力和侧摩阻力而逐渐下沉，通过本发明的可打性分析方法得到的端阻力衰减程度以及动侧摩阻力折减系数为挤密砂桩的可打性计算提供了可靠的计算依据，从而可以指导水下挤密砂桩的设计施工，保证施工质量，提高施工效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0053]图1显示为本发明的挤密砂桩的桩管结构示意图。
[0054]图2显示为本发明的挤密砂桩成桩过程的可打性分析方法的步骤流程图。
[0055]图3显示为本发明中从静力触探孔测得的端阻应力值-沉管深度关系曲线。
[0056]图4显示为本发明中从静力触探孔测得的静侧摩阻应力值-沉管深度关系曲线。
[0057]图5显示为本发明中沉管过程中测得的动端阻应力实测值的时程曲线。
[0058]图6显示为本发明中桩管沉至-38.9m处时2#测试截面处I通道的轴应力时程曲线。
[0059]图7显示为本发明中桩管沉至-38.9m处时2#测试截面处3通道的轴应力时程曲线。 [0060]图8显示为本 发明中桩管沉至-38.9m处时动端阻应力时程曲线。
[0061]图9显示为本发明中桩管沉至-38.9m处时桩顶加速度时程曲线。
[0062]图10显示为本发明中桩管沉至-38.9m处时桩端加速度时程曲线。
[0063]元件标号说明
[0064]I桩管
[0065]111# 截面
[0066]122# 截面
[0067]133# 截面
[0068]144# 截面
[0069]155# 截面
[0070]166# 截面
[0071]177# 截面
[0072]181桩顶
[0073]182桩身
[0074]183桩端
[0075]2光纤光栅应变计
[0076]3加速度传感器
[0077]4光纤光栅土压力传感器
[0078]S1-S5步骤
【具体实施方式】
[0079]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。
[0080]请参阅图1至图10。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。
[0081]图1显示为本发明的挤密砂桩的桩管结构示意图。如图1所示，桩管I为中空的腔体，径向截面为圆形，桩管I竖直放置，包括构成桩管I主体的桩身182、位于桩身182顶部的桩顶181、位于桩身182下部的桩端183，桩端183的底部为桩底。于实施例中，桩管I的桩身182直径一般在0.8m-lm，桩身182与桩端183间采用焊接。桩端183的内径大于桩身182的内径，桩端183的空腔内固定装设有十字筋板，十字筋板连接于桩端183的内管壁且平行于桩管I的径向截面。十字筋板上固定装设有端板，端板为圆形或环形，用以提高桩端183结构的刚度和耐久性。激励桩管I下沉的振动锤与桩管I刚性连接形成一个振动体系。密砂桩成桩过程的可达性分析计算涉及端阻力和侧摩阻力的分析计算，端阻力包括静端阻力和动端阻力，侧摩阻力包括动侧摩阻力和静侧摩阻力。
[0082]图2显示为本发明提供的挤密砂桩成桩过程的可打性分析方法的流程图，图2中可以看到本方法包括以下步骤:
[0083]S1、测得挤密砂桩成桩区域处与沉管深度相应的端阻力值、静侧摩阻力值以及土质参数。
[0084]于实施例中，选用在挤密砂桩成桩区域的静力触探孔中测取桩管I的端阻力值、静侧摩阻力值以及沉管区域的土质参数。图3显示为从该静力触探孔测得的端阻应力值-沉管深度关系曲线，横坐标表示端阻应力值，单位为MPa ;纵坐标为桩管I的沉管深度，单位为m。图4显示为从该静力触探孔测得的静侧摩阻应力值-沉管深度关系曲线，横坐标表示静侧摩阻应力值，单位为kPa ;纵坐标表示桩管I的沉管深度,单位为m。将端阻应力值、静侧摩阻应力值乘以桩管I的截面面积可得到相应的端阻力值、静侧摩阻力值。
[0085]挤密砂桩成桩区域处先采用开挖的方式将上部淤泥层挖除，再打设挤密砂桩对下部土体进行地基处理，开挖后的泥面标高为-20.Sm，下方的粘性土层范围为-24.41m?-36.74m，底部为砂土层，沉管深度最低高程为-38.9m,形成的挤密砂桩直径为1.1Om?1.23m。从图3和图4中可以看到,在桩管I沉至_36.74m以下,从粘土层进入砂土层以后，端阻力值和静侧摩阻力值都明显变大。
[0086]S2、将桩管I从桩顶181至桩端183分为若干测试截面；测试截面为桩管I的径向截面且彼此平行；在振动沉管过程中，测得各测试截面处的桩管I对称两侧的轴应力值；测得位于桩顶181的测试截面处的桩顶加速度值；测得桩端183处的动端阻力实测值和桩端加速度值；
[0087]于实施例中，如图1所示，桩管I的总长为64.5m，从桩顶181至桩底布置有1#?7#共七个测试截面。1#测试截面11靠近桩顶181处，位于距桩底62.5m处；2#测试截面12位于距桩底52.5m处；3#测试截面13位于距桩底22.5m处；4#测试截面14位于距桩底12.5m处;5#测试截面15位于距桩底6.5m处;6#测试截面16靠近桩底，位于距桩底2.5m处;7#测试截面17位于距桩底0.25m的桩端183上。2#测试截面处桩管I的直径为0.Sm,桩端183的直径为1.0m，桩管I的壁厚为22mm。
[0088]与测试截面相对应，光纤光栅应变计2共有七组，依次布置于1#测试截面11至7#测试截面17，每组的两个光纤光栅应变计2相对于桩管I的中心轴线彼此对称，用于测试桩管I的轴应力值进而得到测试截面处的压力值。1#测试截面11和6#测试截面16的两侧各对称布置有两个加速度传感器3,用于实时测量桩管I的桩顶加速度和桩端加速度。光纤光栅应变计2与加速度传感器3相邻，便于线缆的保护和整理。光纤光栅土压力传感器4装设于桩端183的端板上，用于实时测试下部土体传递到桩管I底部的土压力，以获得桩端183处的动端阻力实测值。各测试截面一侧的信号通道为I通道，与之对称的另一侧信号通道为3通道。
[0089]S3、采用闭口桩的计算方式，利用步骤SI中获得的土质参数和端阻力值计算得到桩管I的静端阻力计算值，再将对应于不同沉管深度的静端阻力计算值与步骤S2中测得的动端阻力实测值进行比较，分析桩管I在振动沉管过程中的端阻力的振动衰减情况。
[0090]由于挤密砂桩在沉管及挤密扩径过程中，利用桩管I内的空气压力来保持桩管I内砂桩的高度，进而保证桩管I外的土体不进入桩管I内部，其成桩过程更接近于闭口桩形式，所以，在振动沉管过程采用闭口桩形式来计算分析桩管I的静端阻力值和动端阻力值。
[0091]根据《工程地质手册》，静端阻力计算值的计算式为:
[0092]P = a qc(式 I)
[0093]其中:p—静端阻力计算值；
[0094]qc一静端阻力值；
[0095]α 一桩端阻力修正系数。土质为粘性土时α = 0.667 ;土质为砂性土 α =0.5。
[0096]式I中的静端阻力值q。可根据端阻力值计算得到。先取测得的桩端平面(桩底)以上4倍桩管直径范围内的端阻力值进行加权平均，再将得到的端阻力的加权平均值与桩端平面以下I倍桩管直径范围内的端阻力值相加进行平均，从而得到静端阻力值q。。
[0097]静端阻力计算值P的计算过程中考虑了桩端183以上和以下共5倍桩管直径范围内的端阻力值，根据步骤SI中得到的土质参数，在5倍桩管直径范围内的土层性质并不相同，不便于计算分析，由于最深的沉管深度处仅刚刚进入砂性土层，因而在计算分析时，选择在此5倍桩管直径范围内土层性质均为粘性土的情况，即式I中取α = 0.667。
[0098]在沉管过程中，动端阻力值随着振动锤的振动而波动变化，图5显示为沉管过程中测得的典型的动端阻应力实测值的时程曲线，横坐标为时间，单位为s (秒)，纵坐标为动端阻应力实测值，单位为kPa。动端阻应力实测值乘以桩管截面面积得到动端阻力实测值。
[0099]于实施例中，将沉管至不同深度处测得的动端阻应力实测值与由式I计算得到的静端阻应力计算值进行比较，因为桩管I截面面积相同，所以其比值即为动、静端阻力的比值，比较结果请参见表1:
[0100]表1不同沉管深度处静端阻应力计算值与动端阻应力实测值比较
[0101]
【权利要求】
1.一种挤密砂桩成桩过程的可打性分析方法，其特征在于，包括步骤: A、测得所述挤密砂桩成桩区域处桩管与沉管深度相应的端阻力值、静侧摩阻力值以及土质参数； B、将桩管从桩顶至桩端分为若干测试截面；所述测试截面为所述桩管的径向截面且彼此平行；在振动沉管过程中，测得各所述测试截面处的桩管对称两侧的轴应力值；测得所述位于桩顶的所述测试截面处的桩顶加速度值；测得桩端处的动端阻力实测值和桩端加速度值； C、采用闭口桩的计算方式，利用所述步骤A中获得的所述土质参数和所述端阻力值计算得到所述桩管的静端阻力计算值，再将对应于不同沉管深度的所述静端阻力计算值与所述步骤B中测得的动端阻力实测值进行比较，分析桩管在振动沉管过程中的端阻力的振动衰减情况； D、根据挤密砂桩的成桩特点，将振动锤与桩管视为一个整体，以一个所述测试截面作为脱离体截面，以桩管在所述脱离体截面以下的部分作为脱离体建立桩管沉入至最低沉管深度时的运动平衡方程: Fc-Fs-Fr+Fa+mg = ma(式 2) 其中，F。一所述脱离体截面处的压力值； Fs—所述桩管入土部分的动侧摩阻力值； 匕一所述步骤B中得到的桩管的动端阻力实测值； Fa—所述桩管内的空气压力值； m—所述脱离体的质量； g—重力加速度； a—所述脱离体的加速度值； 所述动侧摩阻力值Fs的计算式为 Fs = β SFSC(式 3) 其中，Fs。一所述步骤A中测得的桩管入土部分的静侧摩阻力值； β s—动侧摩阻力折减系数； E、根据挤密砂桩的成桩特点，计算桩管沉入至最低沉管深度时所述脱离体截面处的压力值F。、所述桩管内的空气压力值Fa;获得桩管沉入至最低沉管深度时的所述动端阻力实测值匕、所述脱离体的加速度值a、所述静侧摩阻力值Fs。、所述脱离体的质量m、重力加速度g ;结合所述步骤D中的式2和式3，得到动侧摩阻力折减系数β s。
2.根据权利要求1所述的挤密砂桩成桩过程的可打性分析方法，其特征在于:所述步骤A中选用在挤密砂桩成桩区域的静力触探孔中测取所述端阻力值、静侧摩阻力值以及土质参数。
3.根据权利要求1所述的挤密砂桩成桩过程的可打性分析方法，其特征在于: 在所述步骤C中，先取测得的桩端平面以上4倍桩管直径范围内的端阻力值进行加权平均，再将所得到的加权平均值与所述桩端平面以下I倍桩管直径范围内的端阻力值进行平均，从而计算得到静端阻力值； 静端阻力计算值的计算式为 P = a Qc(式 I)其中:p—静端阻力计算值； q。一所述静端阻力值； α—桩端阻力修正系数，土质为粘性土时α = 0.667，土质为砂性土 α =0.5。
4.根据权利要求1所述的挤密砂桩成桩过程的可打性分析方法，其特征在于:所述步骤E中，桩管沉入至最低沉管深度时所述脱离体截面处的压力值F。由所述脱离体截面处桩管对称两侧的轴应力值的平均值乘以所述脱离体截面的面积得到。
5.根据权利要求1所述的挤密砂桩成桩过程的可打性分析方法，其特征在于:在所述步骤D和步骤E中，计算所述脱离体截面处的压力值F。时，选取所述桩管刚入土的时刻作为基准点，已包括脱离体的重力mg,式I可表示为 Fc- ^ SFSC-Fr+Fa = ma(式 4)。
6.根据权利要求1所述的挤密砂桩成桩过程的可打性分析方法，其特征在于:所述步骤E中，桩管沉入至最低沉管深度时所述桩管内的空气压力值Fa的计算式为 (1)所述桩管内无砂柱时， Fa = P 水+P 土(式 5) 其中，PI表示水压力，计算式为: P水=Y水h(式6) Y#一水重度； h—水深； P 土表示土压力，计算式为: P 土= Y 土 z(式 7) Y土一土体的重度； z—土层厚度； (2)所述桩管内有砂柱时， Fa = P 水+P 土—P 砂柱($8) 其中，Pftbtt表示所述桩管内的砂柱压力，计算式为: P砂柱一Y砂柱h砂柱(式9) Y砂柱一所述桩管内砂柱重度； h OTi—所述桩管内砂柱高度。
7.根据权利要求1所述的挤密砂桩成桩过程的可打性分析方法，其特征在于:所述步骤E中，桩管沉入至最低沉管深度时所述脱离体的加速度值a为所述步骤B中测得的所述最大桩顶加速度值与最大桩端加速度值的平均值。
【文档编号】E02D3/08GK104018486SQ201410250826
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月6日 优先权日:2014年6月6日
【发明者】周国然, 张曦, 刘璐, 吴心怡, 时蓓玲, 熊文峰, 邱松, 卢益峰, 张海, 胡小波, 徐明贤 申请人:中交上海三航科学研究院有限公司, 中交第三航务工程局有限公司, 中交三航局工程船舶有限公司