海上大直徑鋼管樁打樁過程中樁周土強度弱化研究

孟祥然，劉 潤，練繼建，賈沼霖，劉玉飛，王小合

(1.天津大學 建筑工程學院，天津 300350；2.河北工程大學，河北 邯鄲 056038；3.華電重工股份有限公司，天津 300010)

我國近海風能資源豐富，單樁基礎單樁作為最常見的海工結構物基礎形式之一[1]，在海上風電場中的使用率占65%以上[2]。隨著海洋風能資源的不斷開發，需要在環境復雜多變、波浪潮汐劇烈、地質條件不良的海域設置風電機組，這就促使了鋼管樁基礎向著大直徑、超長、深貫入、大承載力的方向發展，海上風電的單樁基礎已經從2008年的樁徑4 m增加到目前的樁徑10 m。這些特點的出現引發了一系列新的問題，尤其是沉樁過程中樁周土體強度弱化現象更為明顯，導致在實際工程中溜樁[3]現象頻發，成為海洋樁基施工中最大的安全隱患。因此深入研究動力沉樁機理，揭示沉樁過程中土體強度弱化規律，從而準確地進行樁的可打入性分析，對于保證工程安全高效地完成具有重要意義。

國內外學者對于打樁過程中樁周土體強度弱化問題開展了大量研究。早在1955年，Seed等[4]就研究了打入粉質黏土中的閉口樁，并對打樁前后沿樁身不同位置的土樣進行了試驗，發現樁側土體強度損失最大可達70%。Airhart等[5]也在粉質黏土中進行了閉口樁打入試驗，打樁結束后對樁周土體進行了室內三軸試驗，發現打樁完成時土體強度降低幅度最大，之后隨著超孔隙水壓力消散土體強度逐漸恢復，最終幾乎恢復到了沉樁之前的水平。Hwang等[6]開展了一系列的大尺寸沉樁試驗，并觀察沉樁過程中孔隙水壓力的變化，試驗結果表明，樁在下沉到4倍樁徑深度時孔隙水壓力達到最大值，并且黏土和砂土的孔隙水壓力變化趨勢并不相同。葉觀寶等[7]分析了打樁對樁周土的影響機理，并利用孔穴擴張理論來模擬沉樁過程，得到了沉樁瞬時超孔隙水壓力分布的理論解答，并通過工程實例初步驗證了利用孔壓靜力觸探試驗估算沉樁過程中產生的超孔隙水壓力的可行性。劉潤等[8-9]提出樁長時間連續運動導致樁側土體強度降低，土體產生了疲勞，沉樁相對容易，使得樁體的貫入度與錘擊數較預測偏低，并基于動力打樁分析軟件GRLWEAP，引入疲勞因子對土體強度的降低進行了數值模擬。Yan等[10]發現黏性土和密實砂土的土體強度弱化程度有很大的區別，砂性土相較于黏性土強度弱化程度不高，并在現有非線性算法的基礎上提出了對密實砂層進行“強度補償”的概念以及計算公式。綜上所述，打樁過程中影響打樁阻力的因素較多且作用規律復雜，特別對于直徑大于4 m的鋼管樁基礎，其打樁過程中樁周土體強度弱化規律還需進一步研究。

文中研究鋼管樁在打樁過程中樁周土體強度弱化的現象，開展了室內環剪試驗，分析了打樁過程中樁周土強度弱化機理，提出了大直徑鋼管樁打樁過程土體強度弱化的計算方法。

1 環剪試驗

動力沉樁過程中，樁身不斷剪切周圍土體導致土體的強度弱化，這一現象可以用室內循環剪切試驗來模擬，發生弱化后的強度即為土體的殘余強度。目前，研究土體殘余強度的循環剪切試驗方法主要有3種，分別為反復直剪試驗、三軸壓縮試驗和環剪試驗。其中，反復直剪試驗是應用應變控制式直接剪切儀，在排水條件下對土樣進行反復直剪，最終測得土體的殘余強度。三軸壓縮試驗過程中土樣受到的水平方向作用力不變，不斷增加豎向壓力，最終使土樣受到剪切作用出現破壞，由此通過對應的計算，能夠獲得所需要的殘余強度數值。環剪試驗是一種依靠環剪儀進行的剪切試驗，與反復直剪試驗和三軸壓縮試驗相比，環剪試驗具有能夠實現大剪切位移，試驗過程中保持剪切面積不變，以及試樣可在連續的位移條件下進行剪切等優點，樁身剪切土體的過程中也具有大剪切位移和剪切位移連續等特點，因此使用環剪試驗能更好地模擬動力沉樁過程中的土體強度弱化現象。

1.1 試驗方案

環剪試驗采用GCTS公司生產的SRS-150環剪儀，試驗儀器屬于Bromhead環剪儀，并且儀器本身對試驗精度的影響已經最大限度消除[11]。如圖1所示為裝樣的過程，荷載板底部為錐形，且荷載板與試樣盒并未接觸。

圖1 裝樣過程

分別采用了黏土和砂土進行環剪試驗。其中黏土是由高嶺土制成，并采用真空預壓的方法使土樣達到一定的初始強度。試驗黏土的物理性質指標如表1所示。試驗用砂土采用福建標準砂，物理性質指標如表2所示。

表1 高嶺土物理性質指標

表2 福建標準砂物理性質指標

環剪試驗的方法主要有3種，分別為預剪、單級剪和多級剪，每種方法各有不同的特點。單級剪每個土樣所受到的剪切位移較小，引起土樣的擠出量和試驗誤差也就較小，但操作較為復雜。多級剪能保持試樣的統一性并且簡便省時，但同一土樣連續受到剪切會產生較大的剪切位移，會引起較多土樣的擠出，試驗誤差也較大。根據不同剪切方法的特點，試驗中黏土采用單級剪，砂土采用多級剪，具體試驗方案如表3所示。

表3 環剪試驗方案

1.2 試驗結果

軟黏土采用單級剪的試驗方法，在每次剪切之前先用剪切時的正應力固結24 h，直到沉降穩定后開始剪切。軟黏土剪應力與剪切位移關系曲線如圖2所示。從圖2中可以看出，在剪切過程中，軟黏土的強度很快達到最大值，之后會有明顯衰減并最終達到一個穩定值。其中強度最大值稱為峰值強度τp，最終的強度τr穩定值稱為殘余強度。隨著正應力的增大，軟黏土的峰值強度和殘余強度均增大。

圖2 軟黏土剪應力與剪切位移關系曲線

砂土采用多級剪的試驗方法，在每次剪切之前先用剪切時的正應力固結15 h，直到沉降穩定后開始剪切，每次剪切完成后直接進入下一級的固結。圖3為砂土剪應力與剪切位移關系曲線。從圖3中可以看出，砂土強度達到峰值后開始衰減，最終在殘余強度附近波動，并且隨著正應力的增加，砂土的峰值強度τp和殘余強度τr也均有所增加。

圖3 砂土剪應力與剪切位移關系曲線

2 樁周土體強度弱化

2.1 土體強度弱化機理

打樁過程中土體強度弱化主要有兩個方面原因，一是土體中產生超孔隙水壓力[12]，二是土體結構發生破壞[13]。超孔隙水壓力引起的土體強度弱化可以用有效應力原理來解釋[14-15]。飽和土體任一平面上受到的總應力σ可以分為有效應力σ′和孔隙水壓力u兩部分。在打樁之前地基土中原有應力關系為：

σ=σ′+u0

(1)

式中：u0為初始孔隙水壓力，此時為靜水壓力。

打樁過程中地基土應力關系為：

σ=σ′+u0+Δu

(2)

式中：Δu為超孔隙水壓力。

地基土強度為：

τf=σ′tanφ=(σ-u0-Δu)tanφ

(3)

由式(3)知，地基土的變形和強度都只與有效應力有關，當土中產生超孔隙水壓力時，有效應力就會減小，土體強度則會發生弱化。

目前，國內外學者普遍采用孔穴擴張理論來研究樁側土體中應力和孔隙水壓力的變化，而打樁引起的土體結構改變則較難確定。打樁過程中樁周土體可分為4個區域[16]，如圖4所示。A區緊貼于樁身表面，受到的擠壓力也最大，瞬時形成極高的超孔隙壓力，同時土骨架受到激烈擠壓，土體結構完全破壞。B區的范圍較大，受沉樁擠壓的影響較為嚴重，土體發生較大的位移和塑性變形并產生較高的超孔隙水壓力。C區受到一定的影響，但是土體壓縮變形是彈性的，超孔隙水壓力較小可以忽略不計。D區不受沉樁的影響。A區牢固的黏附在樁身而隨樁一同移動，A、B區土的分界面就是單樁承載力達到極限時樁周土體的剪切滑動面，其面積顯然大于樁周側面積；極限摩阻力則取決于B區土逐漸增長著的抗剪強度。對各區的范圍有較為統一的結果，從樁面算起，A區約為0.125D～0.2D，B、C區分別為3D和10D，其中D為樁的直徑[17]。

圖4 沉樁對樁周土體影響范圍

2.2 土體強度弱化規律

環剪試驗中，殘余強度與峰值強度的比值反應了土體強度弱化的程度，將這一比值稱為殘余比，則殘余比越大土體強度弱化程度越小。文中在0.20 m/min的剪切速率下進行試驗分別得到了不同正應力下黏土和砂土殘余比。此外，文獻[17]在0.01 m/min的剪切速率下也進行了環剪試驗。將文中所得到的試驗結果與文獻[17]結果進行對比，表4所示為黏土和砂土在不同正應力不同剪切速率下的殘余比。圖5所示為不同剪切速率下，砂土和黏土殘余比與正應力的關系曲線。

表4 不同正應力不同剪切速率下的殘余比

圖5 土體殘余比與正應力關系曲線

從圖5可以看出，隨著正應力的增加，砂土和黏土的殘余比均增加且兩者近似為線性相關。相同正應力條件下，砂土的殘余比明顯大于黏土，說明砂土的強度弱化程度明顯小于黏土。此外，通過將文中試驗結果與文獻中的結果對比可知，在相同正應力條件下，剪切速率越大，砂土和黏土的殘余比均越小，分析原因在于，一方面剪切速率通過影響剪切帶周圍的孔隙水來影響土體抗剪強度，剪切速率越大，剪切面附近擾動越劇烈，局部剪切帶迅速形成并且不斷發展，孔隙水未能及時排出，從而產生超孔隙水壓力，導致剪切帶有效應力減小，而且匯聚到剪切帶的水起到一定的潤滑作用，土顆粒間相互作用力減弱，導致土體強度降低，因此土體殘余比較小；另一方面剪切速率對土顆粒重新排列有重要的影響，剪切速率較小時，土顆粒相對充分地接觸，沿剪切方向定向重排，細顆粒填充土骨架孔隙使土體更加密實，顆粒間可充分建立摩擦，所以土體強度較高，因此土體殘余比較大，進而說明剪切速率越大土體強度弱化程度越大。

2.3 土體強度弱化計算方法

在打樁分析過程中，土體強度弱化的模擬是十分關鍵的環節，通常是采用對靜態土體阻力進行折減獲得打樁時的動態樁周土體阻力的方法。常用的模擬方法中常系數法模擬土體強度弱化效果較好[15]。該方法采用了Gain/Loss系數fGL和恢復系數fs來模擬沉樁過程中土體強度的弱化。通過靜態土阻力分析得到的值稱為長期靜阻力LSTR，而在沉樁過程中遇到的實際阻力定義為沉樁阻力SRD，兩者的轉換關系為：

SRD=β·LSTR

(4)

式中：β為土體強度折減因子，當只有單一土層時β=1/fs，但當有多個土層時β的值則需要分層計算。

(5)

式中：fsx為最靈敏土層的恢復系數。

β=1-fs*+fs*fGL

(6)

式中：fs為定值且只與土的類型有關，因此上述方法在模擬土體強度弱化時充分考慮了土性的影響且相同土性的土層折減因子為常數，以下將這種強度折減方法稱為常系數法；fGL需要與最靈敏土層一致，對于其他的土層，土阻力的折減與恢復系數成正比。

研究和實踐表明，土性和土層深度對于土體強度弱化均有影響，但是常用的土體強度弱化計算方法都沒有綜合考慮兩種因素，因此在模擬土體強度弱化時還有較大的偏差。基于環剪試驗的結果，提出土體強度弱化推薦計算方法。

在環剪試驗中土體所受的正應力即為打樁過程中土體所受側向土壓力，因此根據圖5中的兩條擬合曲線可以分別得到黏土和砂土中不同深度處強度折減因子與該處所受側向土壓力的關系。其中黏土關系式如式(7)所示，砂土關系式如式(8)所示。

βs1=0.535+4×10-4×K0×σ′

(7)

βs2=0.77+2.5×10-4×K0×σ′

(8)

式中：βs1為黏土的強度折減因子；βs2為砂土的折減因子；K0為土體的靜止土壓力系數；σ′為計算點處有效上覆土壓力，σ′=γ′z，γ′為土體的有效容重，z為土層深度。

因此黏土和砂土中折減因子與土層深度的關系為：

(9)

(10)

對于其他土性土層的折減因子βs可以基于常系數法計算：

(11)

式中：βs為任意深度下其他土性土層的折減因子；βs1為相同深度下黏土的折減因子。

對于靜止土壓力系數K0可以根據1944年提出的雅基(Jaky)公式計算，即：

K0=1-sinφ′

(12)

式中：φ′為土的有效內摩擦角。當缺少土體有效內摩擦角數據時，也可以根據文獻[18]中的參數表選用。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

1)工程算例一

某海上風電樁基礎，樁長74.5 m，樁徑6.3 m，設計入泥深度為52 m。樁周土體參數見表5。選用IHC-S2000型打樁錘，無樁墊，額定功率為1 998 kJ，錘芯質量為100 t，錘效為95%，最大沖程為2.02 m。打樁分析結果與實際打樁記錄對比如圖6(a)所示。

表5 土層參數

2)工程算例二

某海上風電樁基礎，樁長72 m，樁徑6.3 m，設計入泥深度為50 m。樁周土體參數見表6。選用IHC-S2000型打樁錘，無樁墊，額定功率為1 998 kJ，錘芯質量為100 t，錘效為95%，最大沖程為2.02 m。打樁分析結果與實際打樁記錄對比如圖6(b)所示。

表6 土層參數

3)工程算例三

某海上風電樁基礎，樁長68 m，樁徑6.3 m，設計入泥深度為46.6 m。樁周土體參數見表7。選用IHC-S2000型打樁錘，無樁墊，額定功率為1 998 kJ，錘芯質量為100 t，錘效為95%，最大沖程為2.02 m。打樁分析結果與實際打樁記錄對比如圖6(c)所示。

表7 土層參數

3.2 分析結果

采用GRLWEAP打樁分析軟件對上述3個工程的樁基礎進行了打樁分析，分析結果和打樁記錄對比如圖6所示。現有研究表明，常用的土體強度弱化模擬方法中，常系數法效果最好[15]，因此將推薦方法與常系數法進行對比。

圖6 打樁分析結果與打樁記錄對比

從圖6中可以看出，推薦方法與常系數法得到的結果趨勢基本一致，但推薦法計算結果與實測打樁記錄更為接近，尤其在土層深度較深處較為明顯，說明推薦方法對土體強度弱化的模擬效果更好。原因在于，大量的工程實踐表明，土體的強度弱化不僅與土性相關而且受到土層埋深，即圍壓的影響。文中的推薦方法將土體強度的折減系數與土體所受的圍壓相關聯，可以更好地模擬深部土體的強度弱化規律。

4 結 語

針對大直徑鋼管樁在打樁過程中土體強度發生弱化的現象，開展了黏土和砂土的室內環剪試驗，揭示土體強度折減程度與剪切速率和所受正應力的關系，從而建立了土體強度折減因子的計算方法，用于實際工程的打樁分析，得到如下結論：

1)在循環剪切作用下，黏土和砂土的強度迅速達到峰值強度，之后明顯衰減并最終達到殘余強度；隨著正應力的增加，砂土和黏土的殘余比均增加且兩者近似為線性相關。相同正應力條件下，砂土的殘余比明顯大于黏土，并且剪切速率越大，砂土和黏土的殘余比均越小。

2)土體強度弱化程度與土性和土層深度均有關系，砂土受擾動而產生的強度弱化程度遠小于軟黏土且土層深度越大土體強度弱化的程度越小，因此打樁過程中埋深較淺的黏土層強度弱化最為顯著，在預測溜樁等極端狀況時應重點關注。

3)根據環剪試驗得到黏土和砂土的殘余比與正應力關系提出了綜合考慮土性和土層深度的土體強度弱化計算方法，利用GRLWEAP軟件對大直徑鋼管樁打樁實例進行了數值模擬，并將推薦土體強度弱化計算方法與常系數法進行了對比，結果表明推薦法對土體強度弱化的模擬效果更好，且對于大直徑，深貫入的樁效果更為明顯。