大直徑鋼圓筒振動下沉可行性分析方法

胥新偉，劉亞平，高潮

大直徑鋼圓筒振動下沉可行性分析方法

胥新偉1，劉亞平2，高潮1

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300222；2.中交第一航務工程局有限公司，天津300461）

港珠澳大橋東、西人工島島壁結構采用直徑22 m的鋼圓筒圍堰構成，通過APE600振動錘組振沉至設計標高。為確定鋼圓筒振動下沉的可行性，將鋼圓筒視為樁并劃分為單元，確定樁側動摩阻力與樁身振動加速度之間的關系，計算得到不同入土深度位置的樁側振動加速度，同時考慮應力波在樁身的傳遞，最終獲得樁在不同時刻的動摩阻力，并通過樁端單元的振動加速度計算得到樁端最大振幅，當振動錘激振力能夠克服樁側動摩阻力及端阻力，且樁端產生的最大振幅大于土體處于彈性階段的最大位移時樁可繼續下沉。

鋼圓筒；振動下沉；可行性分析；振動錘；波動方程；動土阻力

0　引言

港珠澳大橋東、西人工島島壁結構采用直徑22 m的鋼圓筒圍堰構成，通過APE600液壓振動錘組成的振動錘組振動下沉至設計標高。文獻[1]通過日本經驗公式、法國PTC經驗公式、美國ICE經驗公式、壓樁系數法、波動方程等多種計算方法對鋼圓筒振動下沉可行性進行分析，最終確定8臺APE600振動錘可滿足工程需要，并在工程應用中得到驗證。

日本經驗公式認為樁側動摩阻力與樁身振動加速度有關，同時樁身振動加速度在振動荷載作用下恒定不變。本文在日本經驗公式基礎上，認為振動沉樁過程中由于樁周動摩阻力的影響，樁身振動加速度隨著入土深度的增加而逐漸減小，動摩阻力隨著入土深度的增加而逐漸增大，當振動錘激振力能夠克服樁側動摩阻力及端阻力，同時樁端產生的最大振幅能夠克服土處于彈性階段的最大位移后樁可繼續下沉。

1　樁側動摩阻力計算

在日本經驗公式基礎上，將樁進行單元劃分。假設采用振動錘將長為L的樁沉入土中，入土深度為Z，將樁劃分為n個長度為ΔL的單元組成的模型，如圖1所示。

圖1　振動沉樁計算模型Fig.1 Calculation model of the pile installed by vibratory system

振動沉樁過程中，激振力F實際是隨著時間變化的正弦函數，振動錘激振力的表達方式為：

式中：Qsi為單元i承擔的靜摩阻力，kN。

2　樁端振幅驗算

樁側若產生土體液化，進而由極限靜摩阻力轉化為動摩阻力，則樁身在振動荷載作用下產生的最大位移必須克服土體處于彈性階段中的最大位移，否則振幅較小，樁身無法擺脫土壤，就不會有動摩阻力的產生[2-3]。

樁在振動下沉過程中，首先要將樁端附近的土壤液化，將樁端極限靜阻力轉化為動阻力，因此需要對樁端所產生的最大振幅進行計算。根據式（3），可以求得任一時刻樁端所產生的加速度比ηn，在某一時刻可以使其達到最大，得到ηnmax。假設樁端單元n在周期荷載的作用下發生簡諧振動，則振動過程中能產生的最大位移計算公式如下：

式中：An為樁底部編號為n的單元所產生的最大振幅，m；anmax為樁底部編號為n的單元所產生的最大振動加速度，m/s2；f為鋼管樁或鋼圓筒振動主頻率，Hz。

3　港珠澳大橋鋼圓筒算例

分別對東、西人工島選取2個土質相對較好，承載力相對較高的鉆孔資料進行分析。對東、西人工島鋼圓筒振動下沉可行性進行計算如表1~表3，得到的振動加速度分布及摩阻力降低系數分布見圖2~圖3。

表1　振動錘計算參數Table 1 Calculation parameter of the vibrate hammer

表2　鋼圓筒計算參數Calculation parameter of the steel caissons

表3　計算結果Table 3 Calculation result

圖2　東人工島μ隨入土深度變化曲線Fig.2 Distribution ofμalong the steel caisson in theeast artificial island

圖3　西人工島μ隨入土深度變化曲線Fig.3 Distribution of μ along the steel caisson in the west artificial island

實際工程中，東人工島鋼圓筒振沉施工過程比西人工島困難，自沉完成后振動下沉所需時間較長。西人工島位置的土阻力相對較差，鋼圓筒在自沉完成后很容易振沉到位，振沉時間短的僅需十幾分鐘便可至設計筒底高程。

4　結語

港珠澳大橋島隧工程采用美國APE600液壓振動錘8錘聯動工藝，經過工程實際驗證，東、西人工島鋼圓筒均順利振沉到位。但實際上由于計算理論不完善，鋼圓筒振動下沉主要還是依靠經驗及經驗公式來估計鋼圓筒所承受的動土阻力。

改進后的計算公式認為樁在動摩阻力的影響下，樁身振動加速度隨著入土深度的增加逐漸減小。通過對樁身劃分單元，求得不同單元動摩阻力隨時間的變化，匯總單元動摩阻力可以得到樁的總動摩阻力隨時間的變化。樁受到動摩阻力的影響，樁身的振幅隨著入土深度的增加逐漸減小。假設樁端的振動為簡諧振動，其振幅受到樁端單元振動加速度以及振動頻率的影響。

在進行振動沉樁可行性計算過程中，樁靜土阻力計算的準確性也是尤為重要，因此需要獲得盡可能準確的地質資料，同時在計算樁的靜土阻力過程中需要考慮鋼圓筒與鋼管樁的不同，對鋼圓筒內側摩阻力進行合理的估計[4-5]，同時需要判斷是否存在土塞效應及擠土效應。

[1]胥新偉，劉亞平，黎雙邵.大直徑鋼圓筒振沉計算方法[J].中國港灣建設，2014（10）：14-16. XU Xin-wei,LIU Ya-ping,LIShuang-shao.Calculatingmethod for vibro-sinking large diameter steel caissons[J].China Harbour Engineering,2014(10):14-16.

[2]張捷.沉入式大圓筒下沉過程數值模擬[D].天津：天津大學，2009：1-6. ZHANG Jie.The numericalmodeling of embedded large-diameter cylinder[D].Tianjin:Tianjin University,2009:1-6.

[3]汪金衛，陳福全，簡洪鈺.高頻液壓振動錘打樁的可打入性分析模型[J].福建工程學院學報.2009，7（1）：9-15. WANG Jin-wei,CHEN Fu-quan,JIAN Hong-yu.Themodels for vibratory driveability of piles by vibratory hammer[J].Journal of Fujian University of Technology,2009,7(1):9-15.

[4]劉潤，禚瑞花，閆澍旺.大直徑鋼管樁土塞效應的判斷和沉樁過程分析[J].海洋工程，2005，23（2）：71-76. LIU Run,ZHUO Rui-hua,YAN Shu-wang.Plug effect on drivability of large-diameter steel piles[J].The Ocean Engineering, 2005,23(2):71-76.

[5]滕云楠，李小彭，楊鐸，等.基于振動沉樁機的振動摩擦系統動力學分析[J].東北大學學報（自然科學版），2010，31（7）：10-15. TENGYun-nan,LIXiao-peng,YANGDuo,etal.Dynamic analysis ofvibration-friction system on a vibrating pile driver[J].Journalof Northerneastern University:Nature Science,2010,31(7):10-15.

Feasibility analyzing method of vibration sinking of large diameter steel caissons

XU Xin-wei1,LIU Ya-ping2,GAO Chao1
（1.CCCCTianjin PortEngineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China; 2.CCCCFirstHarbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China）

The eastand westartificial islandsof Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge projectwere formed by 22m diameter steel caissonswhich were installed to design evaluation by vibratory system consistof APE600 vibratory pile driver.To determine the feasibility of steel caisson vibration sinking,we divided the caisson into small units as a pile,determined the relationship between the friction and acceleration of the pile,and calculated the accelerations and dynamic friction ofdifferentunit.And the resistance of the pile in different time and themax amplitude at the end of the pile could be obtained.As the exciting force of the vibratory system was greater than the summary ofdynamic friction force and resistanceat the bottom of the caisson,and the max amplitude at the bottom of the caisson was greater than the elastic disp lacement of the soil,the pile could continue to sinking.

steel caisson；vibration sinking；feasibility analyzing;vibratory hammer;wave equation;resistance of soil

U655.553；TU473.2

A

2095-7874（2016）04-0009-03

10.7640/zggw js201604003

2015-11-11

國家支撐計劃課題項目（2011BAG07B02）

胥新偉（1981—），男，河北張家口人，碩士，工程師，結構工程專業。E-mail：xxw.350@163.com