一種考慮錘擊沖擊波的鋼管樁靜承載力分析方法

姚志偉

摘 要：為了簡化現有靜承載力的評估測算過程，提高實際工程中的施工效率和可靠性，提出了一種簡單實用的樁基靜承載力分析方法。通過測定現場鋼管樁打入過程中樁頭加速度以及整體應變波形的數據，得到最大錘擊能量和最大樁頭貫入度;利用準靜態分析法計算得到鋼管樁的靜承載力，并將此計算結果與實際測定值進行對比驗證。結果表明：1）通過錘擊鋼樁激發沖擊波求得的最大靜承載力與設計容許承載力基本一致;2）樁先端部到達堅實層時，所受最大沖擊力約為設計容許承載力的1.9倍;3）通過控制打樁時的錘擊次數可以對鋼管樁的貫入度進行施工管理。研究提出的靜承載力分析方法是可行的，能夠為鋼管樁的打樁施工提供更多的選擇，為樁基施工技術管理優化提供參考。

關鍵詞： 巖土力學;鋼管樁;靜承載力;加速度;貫入度

中圖分類號： TU458 +.3? ?文獻標識碼：? A

doi：? 10.7535/hbgykj.2020yx06009

An analysis method of static bearing capacity of steel pipe pile

with shock wave induced by heavy hammer

YAO Zhiwei

（Jiangxi Zhongmei Engineering Group Limited， Nanchang， Jiangxi? 330101， China）

Abstract：

In order to simplify the evaluation and calculation of the current static load capacity and to improve the efficiency

and reliability in practical engineering， a simple and practical method for analyzing the static bearing capacity of steel pile foundations was proposed in this research. The maximum hammer energy and the maximum pile penetration were obtained by measuring the acceleration of the pile head and the waveform of the overall strain during the driving process of the steel pipe pile. The static bearing capacity of the pile was estimated based on the quasi-static method， and the inferred results were contrasted and validated with the actual measured results. The results show that： 1） the maximum static bearing capacity obtained by hammering the steel pile to excite shock waves is basically consistent with the design allowable bearing capacity; 2） when the head of pile reaches the solid layer， the maximum impact force is approximately 1.9 times the design allowable bearing capacity; 3）

the penetration of the steel pipe pile can be managed by controlling the hammering times. The proposed method of static bearing capacity anlaysis is proved to be feasible， which can provide more choices for the pile driving construction of steel pipe piles， and a reference for the optimization of the technical management of pile foundation construction.

Keywords：

geotechnical mechanics; steel pipe pile; static bearing capacity; acceleration; penetration

目前不同基礎設施鋼管樁的研究主要集中于基于彈性波動理論和樁側摩擦對樁的動極限承載力的評估，其值是否超過設計上的靜承載力已經成為判斷是否停止錘擊的重要指標? [1-3] 。近年來，施工現場大多利用沖擊載荷試驗進行動態響應? [4-7] 。動態響應法是通過測定樁底打入的加速度和樁底的應變波形，將樁的整體模型化，在處理樁與土層接觸問題時引入類似彈簧阻尼的計算方法，通過測定結果進行動態響應分析，求得承載力。是于靜承載力的設計，KWAK等? [8-10] 在可靠度理論的框架下，從動鋼管樁靜承載力的阻力因子角度進行了分析。HAN等? [11] 為了更好地了解驅動封閉式管樁在軸向荷載作用下的響應，對多層土剖面中驅動封閉式管樁進行了靜荷載試驗。FENG等? [12] 在近海地區對2根超長鋼管樁進行了現場試驗，采用光纖光柵技術監測樁身的應變，對2根試樁進行靜載試驗，確定其承載能力。應用CASE法選取地基中的物理參數，通過一維波動論展開，求得靜承載力和樁側摩擦力? [13] 。

在施工現場應用任何一種方法，都需要技術人員有實時分析的測量工具和分析系統，這增加了施工難度，減緩了施工進度。如果能夠有效利用錘擊次數，錘擊產生的沖擊波形以及樁頭貫入度等基本數據，通過測試錘擊貫入度獲得靜承載力，將能夠提高施工的可靠性? [14-15] 。本研究選取了 Φ =600 mm， L =44.5 m的鋼管樁，通過測定現場鋼管樁打入過程中樁頭加速度以及整體應變波形的數據，得到最大錘擊能量和最大樁頭貫入度， 以現場試驗數據為基礎推測樁的靜承載力，隨后通過測到的樁身應變波形驗證推測結果。

1? 錘擊產生的加速度和樁身軸向應變波形的測定

試驗場地地質條件如下，30 m以上地層以粉質黏土為主，30 m以下地層以砂土為主，40～45 m地層為中砂層。

1.1 測量規格

用于試驗的鋼管樁的形狀尺寸和樁身的應變儀安裝位置如圖1所示。為了測量軸向應變，應變儀（長2 mm）設置在圖中的L1—U等點的兩側位置上，并用防水材料覆蓋。樁頭安裝了1 000 m/s 2的應變式加速度計。如圖2所示在焊接位置以下 0.5 m 的A-2點。加速度計可測量最大頻率為 7 kHz 。

隨著鋼管樁打入深度的增加，應變儀出現了斷線無法測定等問題。因此筆者使用了打入深度為35.5 m的應變儀和加速度計所測定的數據進行討論。試驗中使用的重錘質量為10 t，最大錘擊能量為141 kJ，采樣頻率為10 kHz，對測定值取平均值進行數據處理。

1.2 測量結果

鋼管樁貫入狀況如圖2所示。

由于打擊波形有時出現偏心加載狀態，會產生較大誤差，所以針對貫入度使用平均波形計算。鋼管的彈性縱波波速由式（1）計算：

v=[KF（]E[]ρ[KF）]， （1）

式中： v 為彈性縱波波速，m/s; E 為鋼管彈性模量，N/mm 2 ， E =2×10 5 N/mm 2; ρ為密度 ，kg/m 3，? ρ =? 7 850 kg/m 3 。彈性縱波波速 v =5 045 m/s。根據距離和彈性波波速，以加速度的峰值時刻（ t =20.1 ms）為基準，推算到達各深度時應變儀的波動到達時刻，從而確認錘擊引起沖擊波波形的傳播過程。關于波動的到達時刻，可通過波形上升時間進行計算。

根據對地層鉆探調查結果，貫入度 D 為 18.0～ 35.5 m，加速度波形和各點的應變波形如圖3所示。

當貫入度 D 超過30.0 m時，樁頭加速度開始大于300 m/s 2。在地基 N 值急劇增大的? 34.0～35.5 m 深度區間，加速度達到400～550 m/s 2。當貫入度 D 超過34.0 m時， 地基 N 值急劇增加，沖擊力也在增大，樁頭加速度波形呈現銳角狀，一般在沖擊荷載作用下也顯示出類似的波形。 圖3 a） —e）的應變波形對應圖2中接近A-2點的MU點或U點的最大應變波形，加速度波形高頻輸出。另一方面，在遠離樁頭各點的最大應變波形附近，加速度波形低頻輸出，可以看出這些點比理論上的波動晚 5～8 ms 到達。分析可知，當樁底部地基 N 值較小時，鋼管樁在貫入過程中來自樁底部的反射波振幅較小，并且樁側摩擦力也會對其產生一些影響。與此相對如圖3 f）所示，貫入度 D 為35.0～35.5 m， 地基N值 急劇增大時，圖2中U點到L2點得到的結果基本上對應于理論上的到達時間。這是由于樁先端部到達 N 值大的堅實層，隨著貫入度的變小，鋼管樁側摩擦力也在變小。

圖3 b）-f）的應變波形，對應圖2中最接近樁頭U點的軸向應變量比第2個接近點MU小，是為了更容易將鋼管樁打入土體，上部樁管壁的厚度需大于下部樁壁厚度。U 點和MU 點中間鋼管厚度由 t =9 mm變化到14 mm，截面面積增加了1.5倍，這與U點和MU點得到的應變峰值的比大致相對應。

1.3 樁體貫入度

圖4 a）表示了錘擊1次樁頭受到的加速度波形。樁體貫入度由加速度波形二次積分算出。

為了提升精度，本研究在上述觸發前后使用了20～110 ms的波形，并在波形的末端進行了速度為0的校正。圖4 b）表示了對圖4 a）所示的加速度波形進行一次積分并進行校正而獲得的速度波形。圖4 c）表示了再經過一次積分計算的樁體貫入度波形。圖5表示了將圖4 c）所示的1次錘擊的貫入度累計計算出的錘擊次數與樁體貫入度的關系曲線。圖5中的細實線表示根據鉆探調 查得到的地基N值的分布。

從圖5中可以看出，當貫入度 D 超過30.0 m時，打樁效率會下降，基本上形成與 N值 大小對應的形態。由此可以推斷通過鋼管樁貫入度和錘擊次數的比例關系，在施工現場對鋼管樁的錘擊進行管理。當打入22.0～28.0 m深時，出現貫入度的不連續現象是由錘擊時沖擊引起的加速度計黏結松動導致。最后部分的不連續現象是加速度計故障導致顯示波形異常。

2 樁靜承載力的換算

2.1 錘擊能量

鋼管樁貫入30.0 m時，錘擊1次所受到沖擊力以及樁頭貫入度波形如圖4 c）所示。鋼管樁所受沖擊力是通過安裝在樁頭下方2 m的應變儀測定值（樁兩側平均值）乘以鋼管樁截面面積和彈性模量計算得出。1次錘擊產生的能量通過所受沖擊力與樁頭貫入度關系曲線的面積求得。1次錘擊產生的能量曲線如圖6所示。圖中曲線為實際能量增加曲線，直線為理論變化趨勢。錘擊能量到最大樁頭貫入度為止一直呈現增加趨勢，但之后由于樁體反彈了10 mm左右，能量在保持大致相同值的狀態下貫入度相對減少。圖7表示了錘擊停止時的累計能量變化，以貫入量作為橫軸 與N值的分布進行了比較。從圖7中也可以看出，當N值增大時，與此對應的累積能量也呈現出增加的趨勢，打樁 貫入效率降低。

2.2 靜承載力的換算

采用受到高頻沖擊力波形計算樁的靜承載力時，計算過程會變得繁瑣。因此本研究通過使用最大錘擊能量和最大樁頭貫入度，利用準靜態分析法對鋼管樁承載力進行計算。圖6中的直線表示假定最大錘擊能量和最大樁頭貫入度具有線性關系，從設計理念出發，定義錘擊產生的沖擊力可以通過準靜態分析法換算成樁的靜承載力。根據圖6的實際測試結果進行靜承載力換算，樁頭的最大貫入度為46.2 mm，最大錘擊能量為81.4 kJ，換算成靜承載力為1 762 kN。考慮施工的安全性，計算時建議使用鋼管樁最大貫入度。

2.3? 容許承載力及換算靜承載力與測定值的比較

圖8為最大錘擊力，換 算得到的靜承載力，樁端承載力以及N值變化曲線圖，施工設計容許承載力如圖中虛線所示 ，此處樁端承載力F= L1 最大應變ε×樁截面面積S×彈性模量E。

1）所受最大沖擊力

受到的最大沖擊力是根據樁頭下方2 m處安裝的應變儀的測定值乘以樁截面面積和彈性模量求得。從圖8可以看出，在樁貫入4 m左右時所受最大沖擊力急劇增大，但與 N值分布情況相反，其主要原因尚不清楚。在N值沒有增加，樁 貫入度為 5～20 m 時，所受最大沖擊力也顯示出具有增加的趨勢，據推測是受鋼管樁側向摩擦力影響。當貫入度達到30 m后，因受鋼管樁側向摩擦力影響，并且隨著 N值增大樁端阻力也隨之增加，所受最大沖擊力將進一 步增大。在貫入度達到35 m時，所受最大沖擊力為3 500 kN左右，是換算得到的靜承載力的1.9倍左右。

2）樁端承載力

從樁端承載力分布來看，在 N 值相對較小的20.0 m深度的范圍內，排除中間4～9 m深范圍，與換算得到的靜承載力分布相對一致。在貫入度為28.0～34.0 m時與 N值 不對應，樁端承載力表現為 1 000 kN 左右。鋼管樁貫入度達到35 m以后，樁先端阻力逐漸增大，達到了換算的靜承載力和設計容許承載力相近的值。測定樁端承載力最直接方法是在樁底直接測定，但由于需要在樁尖安裝應變儀，在實際操作中難以實現。

3）靜承載力

由圖8所示，通過本研究提出的方法換算的靜承載力基本上對應 于N值的分布。在N值達到30以上，樁 體貫入度為35 m左右時，可以很好地滿足設計容許承載力，由此判斷本文提出方法較為合適。

3 結 語

鋼管樁基礎是高層建筑常用基礎，本研究為解決樁頭部靜承載力分析方法復雜、評估結果難以實際應用等問題，創新性地提出了通過測定鋼管樁打入過程中樁頭加速度以及整體應變的波形進行綜合判定，研究結論如下：

1）通過樁頭所受加速度計算能夠得到貫入度波形和沖擊力波形，進而求得錘擊能量波形，假定錘擊能量波形與樁頭貫入度呈線性關系，換算得到的最大靜承載力與設計容許承載力是基本一致的;?2）所受最大沖擊力受鋼管樁側向摩擦力的影響，樁先端部到達堅實層時，所受最大沖擊力約為設計容許承載力的1.9倍;?3）錘擊次數和樁的貫入度關系與地基 N值分布基本對應，說明通過錘擊次數可以對鋼管樁的貫入度進行施工管理。

在滿足樁基設計規范的前提下，本研究證實了可以通過樁所受沖擊力來推測樁先端部容許承載力，可為今后鋼管樁基施工管理提供參考。然而在錘擊過程中存在著應變儀和加速度計經常脫落以及斷線問題，將在下一步試驗中根據不同的地質條件、場地類型和樁徑樁長等情形，使用樹脂外殼和鋁膠帶加以保護。另外，本研究的檢測樣本較少，效果對比不夠顯著，今后還將進行多樣本試驗。

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