提高打入式大直径开口钢管桩桩基承载力的研究

提高打入式大直径开口钢管桩桩基承载力的研究

王海刚

浙江伊麦克斯基础工程有限公司浙江杭州311215

摘要：随着我国综合国力的不断加强，我国的科技在不断的进步，结合国外某港工程中开口钢管桩的施工实践，将高应变动测试桩及静载试桩的统计资料和相关规范的推荐方法进行对比分析，验证桩内回填砂振冲法在提高大直径开口钢管桩桩基承载力方面发挥的有利作用，可为类似的工程的桩基设计提供借鉴。

关键词：回填；振冲；砂；大直径开口钢管桩；桩基承载力；港口；码头

引言

近年来，随着我国海上资源的开发与利用日益增多，诸如深水港码头、跨海大桥、石油钻井平台等深海海上工程建设需求逐步增大。桩基础作为深海工程建设的选择，其直径和长度也随着工程建设规模的增大而增大。对于大直径钢管桩，因其具有结构简单、安装便利、穿透力出色、承载性能优越等众多优点而被广泛应用于海上大型工程，但其承载特点有别于传统的小直径管桩，因此，对大管径钢管桩受力机理、荷载传递特性的研究是必不可少的。

1开口钢管桩闭塞效应分析

开口钢管桩属于小置换桩，其承载机理为：随着桩的沉入，桩端土不断被破坏，一部分被挤向桩周，桩周土扰动重塑，侧向压应力增加，挤土效应发挥，桩外侧阻力随之增大；另一部分进入管内形成“土芯”，在荷载较小时管内土芯连同管桩同步下沉，此时桩端实际受力面积为管桩净截面，随着管内土芯足够长开始产生沉降，而管内壁桩土之间的摩阻力不足于阻挡土芯下沉，土芯受力传递到桩端，桩端土开始发生沉降，桩端实际受力面逐步扩大，产生土拱作用，使土体堵塞，部分或完全阻止外部土体进入桩内，此现象即开口桩的土塞效应，也称闭塞效应。在静载条件下，开口桩的端阻力为管壁端阻力与桩端土体对桩内土芯的反力之和，它与闭口端阻力之比称为闭塞效应系数，当闭塞效应系数为1时则相当于闭口，也可称为开口钢管桩闭塞效应充分发挥。桩内土体为隔离体进行受力分析，设t为桩内土体自重，ir为管桩内径，pL为桩内土体长度，bp为单位桩端土地基极限承载力，fsi为桩内侧摩阻力。根据上述原理分析，当桩内土塞

持力层的单位极限承载力是确定的，但实际桩端承载力的发挥却与闭塞效应有关，闭塞效应又与管内径、桩内土体容重、管内土体桩壁摩阻力、土芯长度直接相关，而本文针前提是不影响沉桩，所以管内径保持不变，下边结合公式（5）对其他因素进行分析。1）桩内土体容重t?：在桩端持力层确定的前提下，桩端单位极限承载力不变，桩内土体的容重越大，土芯的长度越小，也就越容易形成土塞，因此淤泥及结构性土等容重较轻含水量较大的土土塞难以形成。2）桩内侧摩阻力sif：相关资料所述，桩侧摩阻力的发挥是由于挤土效应导致桩侧土侧向应力增大引起，但不同土类的挤土效应也不同：非密实砂土中的挤土桩，沉桩过程中桩周土因侧向挤压而趋于密实，导致桩侧阻力提高；饱和黏土中的挤土桩，沉桩过程使桩侧土受到挤压、扰动、重塑，产生超孔隙水压力，随后出现孔压消散、再固结和触变回复，导致侧阻力产生显著的时间效应。湿陷性、胀缩性、可液化性、欠固结等土的特性在一定条件下引起桩侧阻力降低，甚至出现负摩阻力。3）土芯长度pL：土芯长度与桩周桩端土层及沉桩方式有关，对于既定工程，这些因素都是确定的，因此如果不人为处理，原始桩周土进入桩内的土芯长度也是确定的。

2不同方法的差异性分析

2．1土体影响范围的差异

由于大直径钢管桩本身的特殊性，不同理论计算方法并不全部适用于大直径钢管桩的竖向承载力计算。大直径钢管桩通常具有较深的贯入深度，桩底塑性区只在土层在一定范围内发展，不出现贯通至地表的情况，如图1所示。

图2太沙基深基础破坏模式

2.2不同计算方法的对比

结合文中所涉及的理论与规范算法，对渤海油田M平台大直径钢管桩承载力进行计算，将各个方法计算结果列于表1，并与动测结果（考虑固结度影响值）进行对比，给出了相对误差。

表1承载力计算结果

经典理论计算公式中，别列柴策夫法计算结果较为可靠，土体影响范围相比太沙基法和梅耶霍夫法更加合理。从表1中可看出，相对于动测结果误差为17．4%，在理论计算法中误差最小，边载的影响也较小，通过表6可以看出边载贡献率为26．4%。不同行业桩基规范计算得到的桩基承载力值较小。由表1可知，与考虑土体固结特性的桩基高应变动测结果相比，规范法的计算结果普遍偏小20%以上。

3提高桩基承载力方法的提出

结合上述分析，对于已经打入良好持力层的大直径开口钢管桩，从力平衡的角度而言，增大桩芯长度，提高桩芯重量，加大桩芯与桩壁的侧向摩阻力可以有效激发桩端土承载力的发挥。同时考虑到开口桩桩内无排水条件，不利于黏土的固结；细砂不易密实，强度不高，且容易液化；块石容易损伤管壁。因此中粗砂是桩内回填比较适宜的土类。砂土越密实，其内摩擦角越大，但因为是在桩内受限，无法自由排水，建议分层回填，分层振冲至桩顶，最后把桩顶桩芯混凝土部分空间相对松软的砂挖除，抽出桩顶多余的水，这样既能达到改善由桩底进入的原有土的性状的目的，又可以得到增加桩芯长度和桩内壁摩阻力的效果，有效保证了大直径开口钢管桩闭塞效应的充分发挥，使桩端承载力得到大幅提高。

4工程实例

4.1概况

印尼某35000DWT散货卸船码头水工结构采用高桩梁板结构，下部桩基为φ1000钢管桩。码头面高程为4.08m，设计海底高程为-13.20m。港池采用挖入式，施工顺序为陆上施打钢管桩、陆上现浇上部结构、港池开挖等。为合理确定码头桩基长度，并验证码头桩基极限承载能力，选取典型钻孔进行静载实验。码头区现有平均地面线为2.00m，地层由中砂、细砂、粉质黏土、中风化泥岩组成。码头桩基拟将钢管桩打入中风化泥2m（岩层无侧限抗压强度平均值为2.85MPa）。

4.2桩基承载力计算

及高应变动力检测。

结语

通过研究及对比结果可以发现，沉桩后在桩内回填砂，在增加桩的抗剪切能力的同时，可以在不影响打桩的前提下有效地把开口大直径管桩桩端改变为闭口，切实解决了困扰设计与施工的桩端闭塞效应与沉桩的矛盾，有效地提高了桩端承载力，但是由于实际工程处于海外，条件恶劣，静载实验投入成本过高，仅对桩内回填中粗砂振冲密实的方法按照设计的要求进行了初步验证，而未对不同回填高度、不同振冲密实效果以及其他土类的效果进行大量的对比验证，建议如果采用此方法进行类似工程的施工，在条件许可下，进行更深入的验证，以达到保证结构安全，节省工程造价、方便施工的目的。

参考文献

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