胥新偉，劉亞平，黎雙邵

（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(wù)工程局有限公司，天津 300461）

大直徑鋼圓筒振沉計算方法

胥新偉1，劉亞平2，黎雙邵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(wù)工程局有限公司，天津 300461）

港珠澳大橋東西人工島島壁結(jié)構(gòu)采用直徑 22m 的鋼圓筒圍堰構(gòu)成，通過 APE600 組成的振動錘組振動下沉至設(shè)計標(biāo)高。前期通過日本經(jīng)驗公式、法國 PTC 經(jīng)驗公式、美國 ICE 經(jīng)驗公式、波動方程等多種計算方法對鋼圓筒振動下沉可行性進(jìn)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(yīng)用中得到驗證。

鋼圓筒；振動錘；波動方程；動土阻力

0 引言

港珠澳大橋東、西人工島采用外徑為 22m的鋼圓筒圍堰構(gòu)成。鋼圓筒頂標(biāo)高+3.5m，高度為40.5~50.5 m 不等 ，下 沉 底 標(biāo)高 -22~-46 m 不等。鋼圓筒采用厚度為 16mm 的鋼板制作，筒底部采用 30mm 厚，500mm 高的鋼板進(jìn)行加固，豎向采用T形豎肋進(jìn)行加固，橫向采用6道橫肋進(jìn)行加固。

鋼圓筒需要穿過回填中粗砂、淤泥質(zhì)土，最終沉入粉質(zhì)黏土層。將鋼圓筒振動下沉至設(shè)計標(biāo)高，選擇具有足夠激振力的振動錘尤為重要。因此需要對鋼圓筒下沉過程中的動摩阻力進(jìn)行準(zhǔn)確的計算。

22m 直徑鋼圓筒在施工前，采用日本建機調(diào)查株式會社經(jīng)驗公式、法國 PTC 公司經(jīng)驗公式、美國 ICE 公司經(jīng)驗公式、振幅分析法、波動方程分析法等多種計算方法進(jìn)行振動下沉可行性計算分析。由于各類經(jīng)驗公式均源自于直徑較小的鋼管樁，從未進(jìn)行過直徑 22m的鋼圓筒的振沉能力分析，因此在采用上述方法進(jìn)行鋼圓筒振沉計算分析時，應(yīng)考慮到鋼圓筒與鋼管樁之間的不同之處。如鋼圓筒與鋼管樁內(nèi)側(cè)壁阻力不同以及鋼圓筒橫肋、縱肋的影響。

1 計算方法

當(dāng)鋼圓筒靜止存在于土體中，它與土之間存在著靜摩阻力。通過對鋼圓筒進(jìn)行強制振動，鋼圓筒會將振動傳遞給與鋼圓筒接觸的土壤顆粒。土壤顆粒之間繼而發(fā)生相對運動減少顆粒間的相互摩擦，造成靜摩擦阻力急劇下降。

以 Tv代表通過振動后降低了的摩阻力，以 μ代表摩擦力 T 變?yōu)?Tv時的降低率，那么，起振力P0和摩擦力的關(guān)系見下式[1-2]：

P0≥Tv= μT （1）

根據(jù)日本建調(diào)株式會社《鋼管樁振動下沉計算》所述：μ的大小由振動加速度支配。隨著振動加速度的增大，將會帶來土體液化現(xiàn)象。當(dāng)振動加速度超過 10g 以后，即使把振動加速度無限加大，也不會把土體摩阻力降低至0，因此動土阻力存在一個極限值 Tvmin。因此對于土阻力的降低率 μ 也存在一個極值 μmin。

1.1 日本建機調(diào)查株式會社公式

根據(jù)日本建機調(diào)查株式會社的經(jīng)驗公式，μ值的大小與振動體系的總質(zhì)量、振動系統(tǒng)所能提供的最大加速度以及鋼圓筒所承受的最大靜阻力有關(guān)。日本建機調(diào)查株式會社得出了鋼圓筒振動下沉最小激振力的計算公式，

式中：μmin為摩阻力降低率極值，根據(jù)日本提供經(jīng)驗，取 μmin=0.05；η 為表示鋼圓筒振動最大加速度與重力加速度的比值；Q0為振動體系重力；β 為土阻力的降低系數(shù)，與材料性質(zhì)有關(guān)，根據(jù)日本經(jīng)驗，對于鋼材，取 β =0.52。

根據(jù)式 （2） 以及公式 （3） 可以得到 η-μ 關(guān)系。從而得到鋼圓筒摩阻力的降低率 μ，根據(jù)公式 （1） 即可得到鋼圓筒振動下沉所需要的最小激振力。

1.2 法國 PTC 經(jīng)驗公式

法國 PTC 公司匯集了世界范圍內(nèi) 58 個工程的土壤數(shù)據(jù)，找出了土壤的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)（SPT）N值與振動構(gòu)件單位面積（以外表面積計算）的動側(cè)摩阻力的關(guān)系。根據(jù)不同土層的動側(cè)摩阻力，求出最終的樁動側(cè)摩阻力，并根據(jù)公式 P0>Tv進(jìn)行驗證計算[1]。

式中：Tv為各土層動土阻力之和，kN； Tvi為第 i層土動側(cè)摩阻力值，kN；Hi為第 i層土厚度，m；Ci為樁外側(cè)周長，m。

1.3 美國 ICE 公司經(jīng)驗公式

美國 ICE 公司通過大量工程測試后得出結(jié)論，在高速振動時，樁的周圍土壤產(chǎn)生液化效果，促使樁側(cè)靜摩阻力降低，降低率 μ =0.1~0.4，根據(jù)工程土質(zhì)，可在其間選擇降低率具體數(shù)值。美國ICE 公司推薦土阻力降低率見表 1[1]。

表1 美國 ICE 公司土阻力降低系數(shù)推薦表Table 1 Recommended form of the soil resistance reduction cofficientvalue μ

1.4 振幅分析法

該方法認(rèn)為：振動體系的振幅 A0大于樁下沉過程中所需要的振幅A，樁可下沉至設(shè)計要求深度。根據(jù)歐美國家計算振幅的公式，認(rèn)為振動體系的工作振幅可按照下式計算[1]：

同時，美國 ICE 公司認(rèn)為，各類型土質(zhì)對最小振幅要求有所不同，在砂質(zhì)土壤中，振動液化程度較高，所以振幅要求比較小，用 ICE 振動錘只需要 3.0mm，在黏土里，由于土壤能跟隨樁壁運動，振幅要求達(dá)到 6.0mm。在非常理想情況下，如在水下的砂質(zhì)土壤，2.0mm 就足夠。

1.5 波動方程分析法

波動方程是一種重要的偏微分方程，主要描述自然界中的各種波動現(xiàn)象，在樁基工程領(lǐng)域，一維波動方程主要進(jìn)行樁基的可打性分析以及樁基的承載能力分析，在工程中有著廣泛的應(yīng)用。依據(jù)波動方程理論而開發(fā)的樁基分析軟件種類也很多。此處采用了美國 PDI公司出品的 GRWEAP打樁分析軟件。

GRLWEAP 主要用來計算樁的可打性，而鋼圓筒與鋼管樁之間有著明顯的不同，因此在計算過程中對計算參數(shù)的選取應(yīng)有所調(diào)整。主要涉及到鋼圓筒內(nèi)外筒壁摩阻力的判斷以及鋼圓筒端阻力的判斷，同時由于鋼圓筒屬于薄壁結(jié)構(gòu)，并設(shè)置有加勁肋，計算分析時需要考慮加勁肋的影響。

港 珠 澳大 橋 東 西人 工 島 分 別 以 CKD35、CKD56 號鉆孔資料進(jìn)行鋼圓筒振沉可行性的波動方程分析，計算結(jié)果如表2所示。

表2 波動方程分析法計算結(jié)果匯總Table2 Analysis resultsof theweaveequationmethod

波動方程計算方法是目前較為先進(jìn)的振動下沉計算分析方法，但是由于計算理論不完善，計算結(jié)果并不完全準(zhǔn)確，其中影響計算精度的主要因素如下：

1） 地質(zhì)勘查結(jié)果不準(zhǔn)確，將導(dǎo)致對土阻力估計不準(zhǔn)確[3]。

2） 在采用波動方程分析計算中，沒有考慮孔隙水對土阻力的影響。

3） 真實振動狀態(tài)下動土阻力與靜土阻力不同，目前尚不能完全掌握動土阻力與靜土阻力之間準(zhǔn)確的關(guān)系。在使用波動方程軟件分析時，動土阻力只是通過土阻力降低系數(shù)進(jìn)行調(diào)整[4-5]。

4） 振動錘的真實工作性能與計算模型之間存在一定的差異。

5） 鋼圓筒的環(huán)形肋、豎肋等加強肋會對鋼圓筒振動下沉產(chǎn)生一定的阻力，目前尚無法準(zhǔn)確估計加強肋對鋼圓筒振動下沉造成的影響。

2 計算結(jié)果

以 8 臺 APE600 振動錘所能提供的最大激振力 P0，與計算得到動摩阻力 Tv相比，得到振動系統(tǒng)的富裕系數(shù)，計算結(jié)果匯總見表3。

表3 計算結(jié)果匯總表Table3 Summary of the calculating results

根據(jù)以上結(jié)果可以得到各種計算方法的結(jié)論相近，振動錘的富裕系數(shù)相近。

3 工程驗證及結(jié)論

在鋼圓筒振動下沉分析時，需要掌握振動錘的偏心力矩、最大激振力、振動頻率、振動錘功率以及動力柜輸出功率能等參數(shù)。其中偏心力矩、最大激振力、振動頻率、以及振動錘的功率等參數(shù)用于進(jìn)行振沉能力的分析，動力柜功率的計算是保證振動錘能夠達(dá)到其工作性能的基礎(chǔ)保 證[3，6]。

波動方程計算方法是目前較為先進(jìn)的振動下沉計算分析方法，但是由于計算理論不完善，計算結(jié)果并不完全準(zhǔn)確，計算時需要充分考慮其他影響因素。

港珠澳大橋采用美國 APE600 液壓振動錘 8錘聯(lián)動施工工藝，經(jīng)過工程實際驗證，東、西人工島鋼圓筒均順利下沉。但實際上由于計算理論的不完善，除波動方程計算方法外，鋼圓筒振動下沉主要還是依靠經(jīng)驗及經(jīng)驗公式來估計鋼圓筒所承受的動土阻力。因此在類似工程應(yīng)用中，仍需要采用多種計算方法綜合分析確定。

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Calculatingmethod for vibro-sinking large diameter steel caissons

XUXin-wei1,LIUYa-ping2,LIShuang-shao1
（1.CCCCTianjin PortEngineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China; 2.CCCCFirstHarbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China）

The east and west artificial islands of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge project are formed by 22 m diameter steel caissonswhich are sunk to the designed elevation by vibratory system consistof APE600 largestvibratory pile driver.Before this project,a seriesofanalyzingmethodswere applied to demonstrate the feasibility of the vibratory system,such as empirical equation in Japan,empirical equation of PTC Company in France,empirical equation of ICE Company in USA,and wave equation method.Finally,the results show that eight APE600 vibratory pile drivers can meet the engineering requirements,which has been proved in theengineeringapplication.

steel caisson;vibratory pile driver;weave equation;vibratory resistance of soil

U655.553

A

2095-7874（2014）10-0014-03

10.7640/zggw js201410004

2014-04-11

2014-09-02

胥新偉 （1981 — ），男，河北張家口市人，工程師，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)。E-mail:xxw.350@163.com