基于反分析方法的沉樁過(guò)程分析

第23卷增1巖石力學(xué)與工程學(xué)報23(增1): 4610~46142004年7月Chinese Journal of Rock Mechanics and EngineeringJuly, 2004基于反分析方法的沉樁過(guò)程分析*劉潤1閆澍旺l楊曉剛2林源3(天津大學(xué)建工學(xué)院巖土工程研究所天津300072) 《海洋石油股份有限公司天津300450) (湖北省路橋公司武漢430052)摘要可靠的土性資料是準確 預測沉樁可打入性的前提條件。崖城氣田RDPP1平臺建設中的土性資料離散性較大，給進(jìn)行準確的打樁分析帶來(lái)了困難。根據現有的地質(zhì)勘察資料和試樁的打樁記錄，采用反分析方法借助波動(dòng)方程和相關(guān)的計算程序，經(jīng)過(guò)對比分析最終確定了適宜的土性參數并用于該工程的打樁分析中，沉樁過(guò)程的分析結果與工程實(shí)測資料吻合較好。說(shuō)明該方法具有較好的可行性和實(shí)用性，可為工程設計人員參考使用。關(guān)鍵詞土力學(xué)， 反分析，可打入性，貫入深度，一維波動(dòng)方程分類(lèi)號TU 473.1*4文獻標識碼A文章編號1000-6915(2004)增 1-4610-05ANALYSIS ON DRIVING PROCESS OF STEEL PILESBY BACK ANALYSIS METHODLiu Run'，Yan Shuwang', Yang Xiaogang', Lin Yuan'('Schoo of Civil Engineering, Tianjin Universiy，Tianjin 300072 China)(China Ocean Oil Engineering Company, Tianjin 300450 China)(The Road Bridge Company of Hubei Province, Wuhan 430052 China)Abstract Reliable soil properties play an important role in predicting the drivability of steel piles. There is greatdiscreteness in the investigation data of RDPP1 platform in Yangcheng Gas Field, which results in difficulty inpredicting the pile drivability. Therefore, these data can not be directly used in the prediction and it is necessary todetermine a set of reliable data. Based on the existing investigation data and the driving record of test piles, backanalysis method is adopted in determining the soil properties. A set of soil data is determined and applied in theprediction by using the one dimension wave equation and a computer program. The prediction results agree wellwith the observation, which shows the proposed back analysis procedure is reliable in similar projects.Key words soil mechanics, back analysis, drivability, penetration depth, one-dimension wave equation困擾。本文結合試樁的打樁記錄，借助波動(dòng)方程1引言.和相關(guān)的計算程序，采用反分析方法，參照現有的3組地質(zhì)勘察資料進(jìn)行分析比較，最終確定出與實(shí)對沉樁的可打入性進(jìn)行準確的分析和預測是關(guān)際土層情況最為接近的土性參數，用于對該工程的系到打樁施工能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵環(huán)節。掌握準確打樁分析。的土性資料是預測沉樁可打入性的前提條件。在崖城氣田RDPP1平臺樁基工程中，勘察得到的3組土2用于反分析的TNOWAVE計算程序性參數離散性較大，分別應用3組數據進(jìn)行打樁分析得到的結果相去甚遠，給后續的打樁施工造成了:較可靠的動(dòng)力打樁分中國煤化工2004年4月10日收到初稿，2004 年6月1日收到修改稿。YHCNMHG●國家自然科學(xué)基金項目(50309009)資助課題。作者劉潤簡(jiǎn)介:女1974年生，202年于天津大學(xué)建工學(xué)院巖土工程專(zhuān)業(yè)獲博士學(xué)位，現任副教授，主要從事巖土工程方面的教學(xué)和科研工作。E-mail: liurun74@yaboo.com.cn.第23卷增1劉潤等. 基于反分析方法的沉樁過(guò)程分析.4611●析軟件。該軟件可用于計算打樁過(guò)程中樁身各部位D(i, 1)=u(i, 1)-u(i+l, 1)(4)的拉、壓應力以及樁每貫入0.30m時(shí)所需的錘擊受力為數。該程序以一維應力波動(dòng)方程為理論基礎，應F(i, )= D(i, 1)EP(1)(5)用Smith波動(dòng)方程分析法.2求解1次錘擊過(guò)程中應速度為力波在樁錘墊層~樁-土系統中傳播所產(chǎn)生的波動(dòng)響V(i, 1)=V(i, 1-01)+應。[F(i-l, ()-F(i, (1)-R(i, 1)+G(0)]CO! (6)2.1動(dòng)力打樁-維應力波動(dòng)方程描述動(dòng)力打樁的一維波動(dòng)方程為21V(i, 1)可用于計算下一個(gè)O1的位移:Bu_ 1 H2u+R'(1)u(i, 1+01)=u(i, 1)+V(i, 1)01(7)xCdr2以錘心接觸墊層的撞擊瞬間為計算的初始時(shí)式中: x為樁截面的位置坐標; u為x處樁截面的質(zhì)刻，即1=0。由于在初始時(shí)刻之前，整個(gè)樁土系統點(diǎn)位移; t為時(shí)間; R' 為樁身土阻力: C=VE1ρ 為處于靜止狀態(tài)，故在t= 0時(shí)樁單元的彈簧力、土阻彈性應力波波速，E，ρ分別為彈性模量、密度。.力、位移、速度及加速度均為零。以錘心的錘擊初2.2波動(dòng)方程分析法速度為已知條件，進(jìn)行第1個(gè)Or內應力波在整個(gè)系波動(dòng)方程分析分法”是將整個(gè)打樁系統抽象化統內傳播的計算分析.錘心在時(shí)間段Or內產(chǎn)生的位成由許多離散的單元組成，樁錘、樁帽、墊層(錘墊移即為錘心彈簧的變形量，從而可算出作用在下- -和樁墊)以及樁身部分均由無(wú)質(zhì)量的彈簧模擬，各部個(gè)單元上的力。這個(gè)力使錘心速度減小，使錘心下分的質(zhì)量則由不可壓縮性的剛性塊體來(lái)模擬，即面的單元產(chǎn)生加速度并獲得新速度。同理在每- -個(gè)“質(zhì)量-彈簧模型”。樁周土體的彈性、塑性動(dòng)阻力Ot時(shí)段內逐個(gè)單元進(jìn)行迭代計算，直到滿(mǎn)足下面與靜阻力也分別用彈簧、摩擦鍵及緩沖壺來(lái)模擬，2個(gè)條件: (1) 樁單元的位移量不再增加; (2) 各單即“土的彈性理想塑性模型”。樁錘對樁的1次錘擊元的速度均已為零或負值。通過(guò)上述的運算就可以可轉化為錘樁土系統的運動(dòng)力學(xué)問(wèn)題來(lái)分析。得到樁在1次錘擊中的性狀。設單元長(cháng)度為0l ,計算中將1次錘擊歷時(shí)劃分2.3土阻力的計算模型為多個(gè)時(shí)間間隔At,選取相當短的時(shí)間間隔Ot，Smith法中的樁土相互作用由彈簧、摩擦鍵及使得彈性應力波在Or內來(lái)不及由一-個(gè)單元傳播到緩沖壺來(lái)模擬。樁土相互作用力R可看作由土的靜下一個(gè)單元，這樣所取的Ot單元的運動(dòng)可近似作為阻力R和土的動(dòng)阻力R組成。其中，R,用理想彈塑等速運動(dòng)。若以1。為臨界時(shí)間間隔，則性模型來(lái)模擬，而R與樁單元質(zhì)點(diǎn)速度v土的阻N(2)尼系數J 及靜阻力R有關(guān)。則有=R=R+R:=R(1+Jv)(8)應使0t<1。,一般取0.51。<0<14.則任.一樁單元i在時(shí)刻t的平衡方程式為該方法計算需要土的最大彈性變形Q、土的阻尼系數J及土的最大靜阻力R。其中，Q, J不是常EP(i-1)D(i-1, 1-01)- EP()D(i, 1-01)-1規的力學(xué)參數，需通過(guò)試驗分析得到。R(i, 1) +G(i)=G(0) H*u(i, 1)g02(3)3土性資料的反分析D(i-1, 1-01)=u(i-1, 1-01)-u(i, 1-0I)D(i, 1-AI)=u(i, 1-0I)-u(i+l, 1-OI)}3.1打樁記錄分析式中: EP()， EP(i-1) 分別為樁單元i和i-1的彈試樁的打樁記錄包括8根鋼管樁(見(jiàn)表1)。施工簧常數; u(i, 1-01)為1-Ot 時(shí)刻單元i的位移;中使用了VULCAN 5100錘，表2給出了平臺鋼管D(, 1-0r), D(i-1, 1-01)分別為樁單元i和i-1樁的中國煤化工-X52型鋼材制造，在1- Ot時(shí)刻彈簧的壓縮量; R(i, 1)為樁單元i所受THCNMH(據RP 2A-LRFD規的土阻力，外露單元此項為零; G() 為樁單元i的范[5] 1oon/血服地漢力350 MPa，抗拉屈服重量.強度為455 MPa.采用后差法求解可得1時(shí)刻單元i的變形為圖1給出了根據打樁記錄繪制的貫入深度與錘.4612.巖石力學(xué)與工程學(xué)報2004年面以下30m處;表1打樁記錄(2)采用F1型替打可將鋼管樁從泥面下30 mTable1 Records of pile driving處貫入到平均約40 m處;F1型替打F2型替打F3型替打(3)采用F2型替打可將鋼管樁從泥面下平均樁號深度單擊貫入深度單擊貫入灤度單擊貫44m處貫入到平均約70m處;lm 深度/m深度m m入深度(4)采用F3型替打可將鋼管樁從泥面下平均SI(YS-4) 32.9~43.6 0.9144 43.6~69.5 0.9144 69.5~925S2(YS-3)34.4~41.8 0.9144 41.8~-69.2 1.5240 69.2~92.5 1.52470 m處貫入到平均約94 m處;S3(YS-1)34.1~45.4 0.9144 45.4~69.8 1.5240 69.8~92.7(5)比較打樁記錄可知，與其他7根樁的打樁S4(YS-6)33.2~43.9 0.9144 43.9~68.3 1.5240 68.3~92.4記錄相比，s6 號樁在69~93 m段的錘擊數相對較SS(S-7)30.5-44.2 0.9144 4.2-69.8 1.5240 69.8~-94.0小，從安全角度出發(fā)，決定在隨后的分析中不使用S6(YS-8) 21.0~21.643.9~68.068.0~93.1該組數據。S7(YS-2) 34.1~46.3 0.9144 46.3~70.7 1.5240 70.7~93.0 1.5243.2土性參數分析S8(YS-5) 32.0~44.2 0.9144 44.2~68.9 1.5240 68.9~93.0 1.524現有的3個(gè)鉆孔揭示的土層分布情況見(jiàn)表3,入土深度與單位側摩阻力曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。由表3可看表2鋼管樁的設計參數出該區域的土體主要為粘土，局部分布一些松散~Table2 Design parameters of steel piles中密砂層，位置為0~6.4, 65~69 m或64~70，樁段直徑/m長(cháng)度/m壁厚/mm彈性模最t/GPa104~ 109m。圖2表明，在85~91.4 m段由鉆孔31(T頂)2.1343.04864210提供的粘土層側摩阻力明顯大于其他2組數據中的24.38430.4803810相應值，達到321.0kPa,這-數值顯然超出了粘土59.436不排水強度的正常值范圍，分析中不予考慮。5(底)1.524表3土層參數110Table 3 Soil parameters10090鉆孔1鉆孔2鉆孔3停打11h8d-----......58層數士層底板深度底板深度歐底板深度縣7名稱(chēng)/m土層名稱(chēng)1粉砂16.4粉砂16.43.2華4佛打8hII粘土30.0粘土30.0粘土夾砂層16.030II粘土39.0粘土、60.0IV粘土65.064.0206000Va44.0Vb65.0貫入深度/mV砂69.0沙69.0砂70.0圖1試樁貫入深度 與錘擊數關(guān)系曲線(xiàn)VI粘土84.0粘上8.0Fig.1 Blow counts vs. penetration depth of test piles擊數關(guān)系曲線(xiàn)。由圖1可知，在連續打樁施工過(guò)程Ilb84.0中,每貫入30 cm的錘擊數小于30擊,只有更換樁VI粘土98.098.091.4錘時(shí)的停錘造成后續施工錘擊數增加到101 擊/30VI粘土104.0104.0cm。即使這一-錘擊數也遠 遠小于拒錘標準:在連續的貫入1.5 m范圍內錘擊數達到300擊/30 cm。由于3.3反分析方法停打造成錘擊數迅速上升,是土體強度恢復的結果。根據以上3個(gè)鉆孔資料和打樁記錄，采用反分從打樁記錄可以看出，地基土體的強度在幾個(gè)小時(shí)中國煤化工Pp1平臺打樁分析的之內迅速恢復。YHCNMHG助TNOWAVE計算程分析以上數據可得到以下信息:序，用現有的3組土性參數分別進(jìn)行貫入深度與錘(1)在樁身自重作用下，樁的貫入度可達到泥擊數的分析計算，計算中適當變化土性參數的取值第23卷增1劉潤等. 基于反分析方法的沉樁過(guò)程分析●4613.范圍，直到分析結果接近現有的打樁記錄為止，此個(gè)鉆孔中的相應數值，取值原則依據API規范中的時(shí)便可確定最接近施工區域地基土體情況的土性參有關(guān)規定[)。其余土層取值與鉆孔2提供的數據相數。同。單位側摩阻力/kPa(4)確定了各個(gè)土層的端阻力:所有土層的極_50100150 200250300 350限端阻力取值與鉆孔2提供的數據相同。經(jīng)反分析最終確定的土層分布見(jiàn)表4，各個(gè)土20 F- *-鉆孔1層側摩阻力隨深度變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。- +一鉆孔20t-+.鉆孔3反分析得到的土性參數0本Table 4 Back analysis results about soil parameters30 t層數土層名稱(chēng)深度/m100十粉砂0~16.4 .120 L粘土16.4~30.0圖2側摩阻力與貫入深度曲線(xiàn)I130.0~39.0Fig.2 Lateral shaft resistance vs penetration depthIV39.0~44.044.0~64.0地基中存在2層相對較薄的砂土層，打樁記錄V64.0~90.0也表明在鋼管樁貫入深度范圍內錘擊數較低。因此在使用TNOWAVE計算程序時(shí)可按照如下假設模擬VI粘上70.0~73.0連續貫入過(guò)程中的土阻力: .73.0~84.0(1)鋼管樁外壁的靜摩阻力在粘土層和砂土層84.0~98.0中的發(fā)揮程度均為100%;98.0~104.0(2)鋼管樁內壁的靜摩阻力在粘土層中的發(fā)揮程度為20%，在砂土層中為50%;(3)樁端靜阻力發(fā)揮程度為100%,作用于鋼管5(100 150 200 250 300 35樁的環(huán)形面積上。為了便于確定各個(gè)土層的土性參數，反分析中----鉆孔1沒(méi)有考慮由于停打造成的土體強度恢復現象。根據40---鉆孔3打樁記錄，反分析中模擬實(shí)際工況分3步進(jìn)行:第-反分析1步貫入深度為30~40 m, 采用Fl型替打;第2步貫入深度為44~70 m,采用F2型替打:第3步80貫入深度70~94 m,采用F3型替打。1003.4反分析結果120L綜合3個(gè)鉆孔的地質(zhì)資料和試樁的打樁記錄可圖3反分析結 果曲線(xiàn)得到如下結果: .Fig.3 Back analysis results(1)確定了地基中土層數:反分析確定的土層層數.與鉆孔2提供的地質(zhì)資料相同。4基于反分析數據的連續打樁分析(2)確定了各個(gè)土層的埋深和厚度:其中砂土層的厚度和深度分別參照鉆孔1和3提供的數據:中國煤化工“導致管樁的內壁I層0~16.4m， V層64~70 m;粘土層的分布參產(chǎn)生MHCN M H于T入困難，錘擊數照鉆孔2提供的數據確定。迅速日以。很伯況月的TJ旺i比水可以判斷在樁進(jìn)入(3)確定了各土層的側摩阻力:反分析得到的64~70 m的砂層時(shí)出現了“拱效應”。因此在打樁側摩阻力在II, l, IVa 和IVb粘土層中取值小于3分析中考慮了動(dòng)力拱的存在，假設樁在進(jìn)入該層后，●4614●巖石力學(xué)與工程學(xué)報2004年其內壁摩阻力為外壁摩阻力的4倍。分別用鉆孔2,的打樁分析。3和反分析得到的土性參數進(jìn)行打樁分析。分析結果見(jiàn)圖4.5結論110-本文結合試樁的打樁記錄，借助波動(dòng)方程和相100-20)關(guān)的計算程序，采用反分析方法，對現有的3組地停打80-.必-鉆孔2質(zhì)勘察資料進(jìn)行分析比較，最終確定出與實(shí)際土層從分費0-情況最為接近的土性參數，并用于對實(shí)際工程進(jìn)行s0-打樁分析，分析結果與工程實(shí)測資料吻合較好，說(shuō)40-明該方法具有較好的可行性和實(shí)用性，可供工程設計人員參考使用。20}參考文獻。2(4(6800o貫入深度[mSmith E A L. Pile driving analysis by the wave equation[J]. Jourmal of圖4貫入深度與錘擊數關(guān)系曲線(xiàn)the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE，1960. 86(4):Fig.4 Blow counts vs. penetration depth35~61Smith E A L Pile driving analysis by the wave equation[]由圖4可知:樁身最大應力為f= 122.3 MPa;Transaction ofASCE，1962. 127(1): 11~45根據API規范，允許的樁身最大應力應小于屈服應BowlesJ E基礎工程結構分析及程序[M].胡人禮，陳太平譯.北力的90%，允許應力為F.=0.9x F,=0.9x 360= 324京:中國鐵道出版社，1982MPa.o可見(jiàn)f