超長(zhǎng)冷彎鋼板樁的沉樁理論分析與工程實(shí)踐

常紹杰，王明磊，沈燕來(lái)

（1.中交一航局第四工程有限公司，天津 300456；2.中海油海西寧德工業(yè)區(qū)開發(fā)有限公司，福建 寧德 352100）

冷彎鋼板樁采用較薄的板材（常用厚度為8～14mm），以冷彎成型機(jī)組加工而成，可根據(jù)工程實(shí)際情況，選取最經(jīng)濟(jì)、合理的截面，實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)上的最優(yōu)化，比同性能熱軋鋼板樁節(jié)省材料10%～15%，極大地降低了施工成本。但受冷彎加工設(shè)備能力制約，只能生產(chǎn)鋼種強(qiáng)度級(jí)別低、厚度較單薄的產(chǎn)品。隨著長(zhǎng)度的增加，冷彎鋼板樁的柔性逐漸增強(qiáng)，當(dāng)超過一定長(zhǎng)度，鋼板樁在其自重作用下將發(fā)生屈曲，為超長(zhǎng)樁的施工帶來(lái)很大困難。

1 鋼板樁直立穩(wěn)定分析

在初始彎曲條件下，插入土中的鋼板樁可以假設(shè)樁為底部鉛直固定，頂端自由，重量沿桿連續(xù)分布，受壓力P作用。鐵摩辛柯[1]分析了在自重荷載作用下細(xì)長(zhǎng)桿的屈曲，如圖1所示。

圖1 均布軸向荷載分析

對(duì)于軸向壓力沿桿件連續(xù)分布的情況，桿件的撓度曲線微分方程通常需要應(yīng)用無(wú)窮級(jí)數(shù)法求解。對(duì)于只受連續(xù)分布自重作用的桿件，其撓度曲線的微分方程為：

方程右邊為均布荷載q在任意截面mn所產(chǎn)生的彎矩，

將方程（1）對(duì)x求導(dǎo)，可得方程：

引入新的變量z代替x：

對(duì)x求導(dǎo)，并令：

將求導(dǎo)所得帶入方程（2），得貝塞爾微分方程：

通過對(duì)方程（3）求解，并使u=0時(shí)z的最小值與最小屈曲荷重相對(duì)應(yīng)，可得桿件均布荷重的臨界值：

桿件在無(wú)均布荷重，只有樁頂端受荷重P，其臨界值可由歐拉公式表示為：

由于均布荷重ql減少了荷重P的臨界值，由式（4）、（5）聯(lián)立可得到：

式（6）說(shuō)明，無(wú)自重桿件的穩(wěn)定臨界荷載與有自重桿件的0.315倍自重荷載相等，均布自重荷載q的影響相當(dāng)于一荷載0.315ql作用于桿頂端。因此，對(duì)于下端鉛直固定，頂端自由，質(zhì)量沿桿連續(xù)分布，兩端受壓力P作用樁頂?shù)呐R界荷載公式可寫為：

令式（7）Pcr=0可以得到自重作用下細(xì)長(zhǎng)桿的最大穩(wěn)定直立長(zhǎng)度為：

式（7）可以求在鋼板樁自由長(zhǎng)度為l時(shí)樁錘的重量和激振力。假設(shè)施工選定的振動(dòng)錘的重量為m，則隨著樁的打入，樁體可承擔(dān)的激振力為：

2 實(shí)際控制的最大樁長(zhǎng)分析

2.1 細(xì)長(zhǎng)樁的最大穩(wěn)定直立長(zhǎng)度的影響因素

自重作用下，一端固定一端自由細(xì)長(zhǎng)樁的最大穩(wěn)定直立長(zhǎng)度取決于樁的彈性模量E、截面慣性矩I和自重q，增大樁的截面慣性矩I或減小自重q均可以增大細(xì)長(zhǎng)鋼樁的最大穩(wěn)定直立長(zhǎng)度。

2.2 樁錘的最大控制質(zhì)量

在樁錘m一定時(shí)，減小樁的直立長(zhǎng)度可以增大樁可承受的激振力F。把式（9）變換為：

故可以在滿足樁穿越土層激振力確定的情況下，確定樁錘的最大質(zhì)量。

2.3 實(shí)際控制的最大樁長(zhǎng)

在樁錘質(zhì)量m和需求的激振力F確定的情況下，可以將式（9）變換為式（11）的一元三次方程。

通過解方程（11）可得一個(gè)實(shí)數(shù)解，即實(shí)際控制的最大樁長(zhǎng)：

式中：a=0.315q

2.4 施工應(yīng)采取的措施

在錘重和激振力確定的情況下，由式（12）可以得到在考慮樁自重影響條件下的實(shí)際控制最大樁長(zhǎng)。當(dāng)樁的實(shí)際長(zhǎng)度大于lcon時(shí)，樁在錘重和激振力的作用下，在克服樁端阻力和樁身摩擦力下沉之前，就會(huì)發(fā)生樁身屈曲變形。

施工來(lái)講，有三種措施解決這個(gè)問題[2]：一是換錘施工法，就是先用自重和激振力小的錘沉樁到一定深度，再換用自重和激振力大的錘沉樁至設(shè)計(jì)高程；二是提高樁的自由站立穩(wěn)定性，可以采用在鋼板樁開口處合理設(shè)置綴板增加截面慣性矩的方法；也可以采用設(shè)置雙層導(dǎo)向架或打樁機(jī)上設(shè)置導(dǎo)向槽的方法；三是采用預(yù)埋法，就是在樁位預(yù)鉆孔，直接埋入一定深度，縮短樁的自由直立長(zhǎng)度，增強(qiáng)樁身承受樁錘激振力、突破樁端阻力和側(cè)摩擦力，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)樁的沉樁。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

唐山德龍重工船務(wù)工程有限公司修船項(xiàng)目1號(hào)、2號(hào)修船塢雙排鋼板樁圍堰工程，頂面寬度25m，長(zhǎng)度430 m。鋼板樁采用9mm厚（Q345B鋼材）WRU23型冷彎鋼板樁，外排樁長(zhǎng)27m，內(nèi)排樁長(zhǎng)31m，單樁截面性能見表1。鋼板樁沉樁過程中從上至下需穿透的土層見表2。

表1 冷彎鋼板樁截面特征參數(shù)

3.2 現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的問題

根據(jù)劉寶河等[3]對(duì)振動(dòng)錘選型估算方法的分析，可以得到：各土層的極限動(dòng)側(cè)摩阻力總和為468.61 kN；振動(dòng)錘需要克服的樁端動(dòng)阻力為18.59 kN；振動(dòng)體系的工作振幅6.75mm，把樁沉至設(shè)計(jì)深度所需的最小振幅為5.08mm。表3所選的振動(dòng)錘均符合上述要求。

表2 土層分布表

表3 振動(dòng)錘參數(shù)一覽表

現(xiàn)場(chǎng)分別采用了表3的5種樁錘進(jìn)行了沉樁試驗(yàn)，鋼板樁入土21m即到達(dá)粉土夾粉質(zhì)黏土層時(shí)開始出現(xiàn)沉樁困難現(xiàn)象，鋼板樁扭曲變形嚴(yán)重，很難穿透粉土夾粉質(zhì)黏土層。輔助水沖法時(shí)，少數(shù)樁能夠打至設(shè)計(jì)標(biāo)高；使用ICE815和DZJ200兩種重錘，鋼板樁入土17m時(shí)沉樁速率明顯減慢，共振現(xiàn)象嚴(yán)重。

3.3 問題的分析

筆者分析認(rèn)為：土壤的打穿和液化需要消耗能量，以下幾個(gè)原因?qū)е抡駝?dòng)能沿樁長(zhǎng)衰減，使傳至樁尖的能量不足以使稍密～中密狀態(tài)的粉土液化。

1）鋼板樁自由長(zhǎng)度過長(zhǎng)，樁身柔度較大，樁身在樁錘和激振力的作用下發(fā)生大幅度振動(dòng)，使傳至樁尖的動(dòng)能發(fā)生衰減。

2）粉土上層松軟的沖填土、松散的粉砂和可塑狀態(tài)的粉質(zhì)黏土夾粉土也消耗了較多的振動(dòng)能。

3）在不考慮樁的初始彎曲的情況下由式（8）可以計(jì)算得到，WRU23型冷彎鋼板樁自重作用下細(xì)長(zhǎng)桿的最大穩(wěn)定直立長(zhǎng)度為61.55m。本工程選用的5種樁錘由式（12）可以計(jì)算得到相對(duì)應(yīng)的實(shí)際控制最大樁長(zhǎng)（見表3）。計(jì)算表明，WRU23型冷彎鋼板樁的最大自由直立樁長(zhǎng)在6～10.7m之間，樁錘和激振力之和越大，最大自由直立樁長(zhǎng)越短。考慮初始彎曲影響的情況下，WRU23型冷彎鋼板樁的最大自由直立樁長(zhǎng)還會(huì)更短。

3.4 采取的措施

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)問題的分析，采取了以下措施：

1）采用螺旋鉆進(jìn)行松土，破壞土層結(jié)構(gòu)，松土深度分別為30m。松土設(shè)備采用JZB90型長(zhǎng)螺旋鉆，電動(dòng)機(jī)功率為110 kW，樁架高度為36m，松土鉆孔直徑為0.6m，孔位中心間距為0.8m。

2）利用水流沖刷加速土體液化，水泵選用15 kW高壓水泵，揚(yáng)程50m，出水壓力1.2MPa。鋼板樁內(nèi)側(cè)加帶2根6.0 cm出水管，出水管通過尼龍水帶與高壓水泵連接。

3）為了增強(qiáng)鋼板樁的剛度，減少鋼板樁扭曲變形，在鋼板樁內(nèi)側(cè)按每2.5m加焊1根鋼板橫肋。

4）沉樁采用一次沉樁方法即每根鋼板樁一次打至距離設(shè)計(jì)標(biāo)高40 cm處停止沉樁，每5根鋼板樁為1組進(jìn)行施工，待5根鋼板樁均施打至該標(biāo)高處后，依次進(jìn)行二次復(fù)打至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

3.5 實(shí)踐效果

試樁10根全部達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，鋼板樁不再出現(xiàn)扭曲變形。鋼板樁95%以上達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，未達(dá)到標(biāo)高的控制在設(shè)計(jì)允許偏差范圍內(nèi)。工作效率也不斷提高，平均1個(gè)班組每天（10 h）可施工11根31m鋼板樁。

4 結(jié)語(yǔ)

超長(zhǎng)冷彎鋼板樁由于樁長(zhǎng)可以任意控制，減少了現(xiàn)場(chǎng)接樁，為工程施工提供了便利，也帶來(lái)了施工控制的困難。通過本工程的研究與實(shí)踐，摸索出了有益的經(jīng)驗(yàn)供類似工程參考，也為利用長(zhǎng)螺旋松土配合水沖法的施工方案有效解決冷彎鋼板樁易變形扭曲、沉樁困難等問題，取得非常好的效果，也帶來(lái)了一些問題需要解決，如樁身振動(dòng)和土層對(duì)振動(dòng)能量的消散對(duì)打樁的影響，樁的初始彎曲對(duì)樁錘選擇的影響。

[1] SP鐵摩辛柯，JM蓋萊.彈性穩(wěn)定理論（2版）[M].北京：科學(xué)出版社，1958.

[2] 劉潤(rùn)，禚瑞花，閆澍旺，等.超長(zhǎng)樁施工中樁身穩(wěn)定性的三維非線性有限元分析[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（3）：257-263.

[3] 劉寶河，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）：38-41.