王海軍湯 雷官福海胡駿文楊石扣

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210029;2.河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院,江蘇南京 210098)

PHC管樁因其強(qiáng)度高、承載力大、適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn),在國(guó)內(nèi)港口和水利工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1鄄2]。但是,在一些地質(zhì)條件或樁身較長(zhǎng)的情況下,PHC管樁即使配鋼樁靴仍然無(wú)法穿透堅(jiān)硬夾層,導(dǎo)致斷樁、爆頭等而無(wú)法沉樁到設(shè)計(jì)標(biāo)高[3鄄5]。為解決此問(wèn)題,近年來(lái)出現(xiàn)了一種新樁型——PHC鄄鋼管 組 合 樁[6](PHC鄄steel compound pile,PSC樁),PSC樁上部為PHC管樁,下部為鋼管樁,中間采用法蘭盤(pán)焊接。不同于PHC管樁的鋼樁靴,PSC樁中鋼管樁參與承載力設(shè)計(jì),在某些工程中長(zhǎng)度超過(guò)10 m[6]。除此之外,PSC樁還具有以下優(yōu)點(diǎn):淤下部鋼管樁能有效減弱打樁過(guò)程中樁頂反彈力,減少上部PHC管樁裂縫的生成,有助于提高樁基的施工質(zhì)量;于樁基上部為PHC管樁,和鋼管樁相比,無(wú)須刷防腐涂料;盂比鋼管樁節(jié)約工程造價(jià)和維護(hù)費(fèi)用。

極限承載力是否滿(mǎn)足要求是樁基工程設(shè)計(jì)及施工中的關(guān)注重點(diǎn)[7鄄8]。研究者針對(duì)PHC管樁開(kāi)展了大量高應(yīng)變動(dòng)力測(cè)樁(PDA)與靜載試驗(yàn)的比較[7,9鄄12]以及高應(yīng)變曲線(xiàn)擬合法的研究與分析[13鄄14],對(duì)于鋼管樁,開(kāi)展了如常規(guī)鋼管樁樁型高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)[15鄄16]甚至海上超長(zhǎng)大鋼管樁極限承載力的動(dòng)力檢測(cè)研究[17]等。因此,在豎向極限承載力的檢測(cè)方面,PHC管樁及鋼管樁積累了較多的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),JTJ249—2001《港口工程樁基動(dòng)力檢測(cè)規(guī)程》及JTS167鄄4—2012《港口工程樁基規(guī)范》也相應(yīng)給出了參考依據(jù)。PSC樁應(yīng)用時(shí)間及范圍與PHC管樁等常規(guī)樁型有較大差距,相關(guān)規(guī)程和規(guī)范尚未對(duì)PSC樁給出專(zhuān)門(mén)參考依據(jù),相關(guān)研究成果較少,只能參考PHC管樁或鋼管樁等的經(jīng)驗(yàn)。由于PSC樁上下兩段的樁徑、材質(zhì)、密度、波阻抗差異明顯,且PSC樁存在法蘭盤(pán)接樁,接樁部位出現(xiàn)較大錯(cuò)臺(tái)面積[6],因此參考PHC管樁和鋼管樁的檢測(cè)依據(jù)得到的PSC樁極限承載力檢測(cè)結(jié)果是否可靠就顯得極為關(guān)鍵。

針對(duì)PSC樁極限承載力檢測(cè)問(wèn)題,本文通過(guò)豎向靜載試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)高應(yīng)變檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)合理論分析,提出了PSC樁高應(yīng)變檢測(cè)修正方法,為PSC樁極限承載力的檢測(cè)提供試驗(yàn)及理論依據(jù)。

1 工程背景及試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)

1.1 工程背景

研究依托鎮(zhèn)江潤(rùn)華物流通用碼頭工程上游7萬(wàn)t級(jí)泊位高樁碼頭開(kāi)展。工程位于長(zhǎng)江下游泰興水道炮子洲左岸的中段幸福河口處,鎮(zhèn)江港揚(yáng)中港區(qū)西來(lái)橋作業(yè)區(qū)。碼頭平臺(tái)長(zhǎng)278 m、寬30 m,平臺(tái)樁基為PSC樁,每榀排架設(shè)4根直樁和2對(duì)4郾5頤1叉樁,樁端進(jìn)入細(xì)砂層中部。

試驗(yàn)地點(diǎn)位于碼頭引橋喇叭口,地質(zhì)勘查鉆孔ZK11位于此處,有精確地質(zhì)勘查參數(shù)可供參考,避免了局部試驗(yàn)地點(diǎn)與工程區(qū)域范圍整體地質(zhì)勘查參數(shù)不符的問(wèn)題,符合規(guī)范要求。試驗(yàn)地點(diǎn)土層物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)_

1.2 試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)制作

PSC試驗(yàn)樁共設(shè)計(jì)制作3根,總長(zhǎng)度都為33 m,分別編號(hào)為 PSC 樁鄄1、PSC 樁鄄2、PSC 樁鄄3,采用不同的PHC管樁及鋼管樁的長(zhǎng)度組合,樁型上粗下細(xì),具體參數(shù)見(jiàn)表2。試驗(yàn)樁中PHC管樁基本參數(shù)按照《國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集:預(yù)應(yīng)力混凝土管樁(10G409)》設(shè)計(jì),采用高速離心、高溫高壓蒸養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)工藝制作(1郾0 MPa,180益)。為保證樁端部在錘擊沉樁下不出現(xiàn)破碎而影響試驗(yàn),試驗(yàn)樁頂部2 m范圍內(nèi)摻加鋼纖維。

表2 試驗(yàn)樁設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 錨樁設(shè)計(jì)參數(shù)

2 高應(yīng)變?cè)囼?yàn)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

高應(yīng)變檢測(cè)基本原理是采用重錘打擊樁頂,使樁土之間產(chǎn)生一定的相對(duì)位移。在距離樁頂約1郾5倍樁徑的兩側(cè)對(duì)稱(chēng)安裝應(yīng)變傳感器和加速度傳感器,如圖1所示。記錄單次錘擊過(guò)程中作用在樁上的力波F(t)(由應(yīng)變數(shù)值轉(zhuǎn)換得到)和加速度波a(t)時(shí)程曲線(xiàn),由實(shí)測(cè)曲線(xiàn)擬合法分析可得到極限承載力。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)高應(yīng)變檢測(cè)傳感器安裝

此次試驗(yàn)采用武漢巖海基樁動(dòng)力檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)的采集裝置與應(yīng)變、加速度傳感器等測(cè)前經(jīng)過(guò)檢定,精度完全符合JTJ249—2001《港口工程樁基動(dòng)力檢測(cè)規(guī)程》要求。試驗(yàn)樁采用錘擊沉樁施工工藝,在沉樁到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí),繼續(xù)錘擊開(kāi)展試驗(yàn)樁高應(yīng)變?cè)囼?yàn);采用筒式D138柴油錘,錘距1郾8 m。

2.2 實(shí)測(cè)曲線(xiàn)擬合法結(jié)果

按照J(rèn)TJ249—2001《港口工程樁基動(dòng)力檢測(cè)規(guī)程》,擬合結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)樁PSC樁鄄1、PSC樁鄄2、PSC樁鄄3的實(shí)測(cè)曲線(xiàn)分別在距底部9m、7m和5 m處存在力曲線(xiàn)(由實(shí)測(cè)的應(yīng)變曲線(xiàn)得到)反向反射和速度曲線(xiàn)同向反射,即出現(xiàn)“縮頸冶現(xiàn)象,這是因?yàn)榇颂幨荘HC管樁和鋼管樁的連接部位。雖然鋼管樁的密度和波速都大于PHC管樁,但是其截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于PHC管樁,因此其阻抗小于PHC管樁,反應(yīng)在實(shí)測(cè)曲線(xiàn)上就出現(xiàn)上述的“縮頸冶現(xiàn)象。實(shí)測(cè)曲線(xiàn)中的這一“縮頸冶現(xiàn)象導(dǎo)致擬合結(jié)果中平均側(cè)摩阻力在PHC管樁和鋼管樁接樁部位存在明顯的減小趨勢(shì),這與地質(zhì)報(bào)告中平均摩阻力單調(diào)遞增的趨勢(shì)略有差別。

表4 高應(yīng)變?cè)囼?yàn)極限承載力分析結(jié)果

3 豎向靜載試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了得到PSC樁極限承載力真實(shí)值,開(kāi)展了組合樁的豎向靜載試驗(yàn)。采用錨樁反力梁裝置的“四錨一冶形式開(kāi)展試驗(yàn),連接形式如圖2所示。

由于豎向靜載試驗(yàn)在水上懸空組裝及試驗(yàn),且抗拔錨樁采用PHC管樁,試驗(yàn)難度極大。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示,試驗(yàn)期間,為避免振動(dòng)影響,距離試驗(yàn)平臺(tái)50 m范圍內(nèi)全部停止打樁施工作業(yè),同時(shí)禁止船舶行駛,避免碰撞試樁平臺(tái)。

圖2 豎向極限承載力靜載試驗(yàn)示意圖(單位:m)

圖3 豎向靜載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

采用快速維持荷載法開(kāi)展豎向靜載試驗(yàn)。每級(jí)荷載維持時(shí)間為60 min,在第5 min、10 min、15 min、30 min、45 min和60 min進(jìn)行沉降等數(shù)據(jù)測(cè)讀,累計(jì)1 h以后每隔30 min測(cè)讀一次沉降數(shù)據(jù)。每級(jí)卸載維持荷載時(shí)間為15 min,測(cè)讀時(shí)間為第 5 min、15 min。試驗(yàn)終止條件:樁頂總沉降量超過(guò)40 mm,且在某級(jí)荷載作用下,樁的沉降量為前一級(jí)荷載作用下的5倍或q鄄s曲線(xiàn)出現(xiàn)可判定極限承載力的陡降段,認(rèn)為加載已達(dá)到試樁設(shè)備的承載能力。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

豎向極限承載力判據(jù)采用JTS167鄄4—2012《港口工程樁基規(guī)范》判據(jù),得到結(jié)果如下:試驗(yàn)樁PSC樁鄄1及PSC樁鄄3極限承載力為3 000 kN,PSC樁鄄2極限承載力為2750 kN。

4 PSC樁高應(yīng)變檢測(cè)方法的不足與修正

綜合考慮PSC樁的特殊材質(zhì)及構(gòu)造,在豎向靜載試驗(yàn)結(jié)果及現(xiàn)行高應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線(xiàn)擬合結(jié)果的基礎(chǔ)上,對(duì)高應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線(xiàn)擬合結(jié)果進(jìn)行修正。

本文輸入的評(píng)論通過(guò)分詞以及提取關(guān)鍵字，最大詞數(shù)為64，為了保證CNN輸入維數(shù)一致，其他評(píng)論提取的關(guān)鍵詞詞數(shù)不足64的詞向量全部取0，所以結(jié)合Word2vec得到的400維詞向量，CNN模型初始輸入矩陣為64×400，通過(guò)改進(jìn)LeNet-5模型所得到的CNN-3C模型各層具體的的卷積池化范圍特征圖矩陣大小以及特征圖個(gè)數(shù)如表3所示。

4.1 高應(yīng)變檢測(cè)方法的不足

參考現(xiàn)行的高應(yīng)變檢測(cè)方法,計(jì)算得到PSC樁鄄1、PSC樁鄄2和PSC樁鄄3極限承載力分別為3304郾2 kN、3442郾3 kN和3480郾6 kN,分別比豎向靜載試驗(yàn)結(jié)果高出10郾1%、25郾2%和16郾0%。 PSC樁完全不同于一般常規(guī)樁型,實(shí)際上是兩種樁拼接而成的,上下兩段的波阻抗明顯不同,是一種非標(biāo)準(zhǔn)樁,而現(xiàn)行的高應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線(xiàn)擬合法都以均質(zhì)材質(zhì)的樁為基礎(chǔ),因此極限承載力檢測(cè)難以按照現(xiàn)行規(guī)范執(zhí)行和評(píng)定。

4.2 修正方法

根據(jù)高應(yīng)變檢測(cè)原理,單樁極限承載力與樁身截面力學(xué)阻抗Z有關(guān),Z符合下式:

式中:A為樁身截面積,m2;C為樁身應(yīng)力波波速,m/s;E為樁材彈性模量,MPa;酌為樁材容重,kN/m3;g為重力加速度,m/s2。

由此,高應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線(xiàn)擬合得到的單樁極限承載力Q可表示為

傳統(tǒng)高應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線(xiàn)擬合法得到的極限承載力實(shí)際包含兩部分,一是PHC管樁貢獻(xiàn)的極限承載力,一是下部鋼管樁貢獻(xiàn)的極限承載力。而在實(shí)際高應(yīng)變檢測(cè)分析中,在采集波形時(shí)只能按照一種樁型采集信號(hào),無(wú)法考慮接樁部位的端承力,由此得到的高應(yīng)變檢測(cè)結(jié)果必然包含下部鋼管樁極限承載力的偏差。

首先,將實(shí)測(cè)極限承載力中側(cè)摩阻力和端承力分別按照面積進(jìn)行權(quán)重分離。定義上部PHC管樁和下部鋼管樁側(cè)摩阻力權(quán)重系數(shù)分別為姿phc1和姿st1,端承力權(quán)重系數(shù)分別為姿phc2和姿st2,滿(mǎn)足以下關(guān)系式:

式中:Aphc1、Aphc2分別為上部PHC管樁側(cè)表面積和端部面積,m2;Ast1、Ast2分別為下部鋼管樁側(cè)表面積和端部面積,m2。

將實(shí)測(cè)極限承載力中端承力及側(cè)摩阻力分別進(jìn)行權(quán)重分離后,對(duì)鋼管樁貢獻(xiàn)的極限承載力進(jìn)行修正。定義PHC管樁參數(shù)下測(cè)定的鋼管樁極限承載力修正系數(shù)為漬,由式(1)~(6),可得到修正系數(shù)漬近似符合:

式中:Aphc、酌phc、Cphc分別為 PHC 管樁樁身截面積、樁材容重和樁身應(yīng)力波波速;Ast、酌st、Csth分別為鋼管樁樁身截面積、樁材容重和樁身應(yīng)力波波速。

由式(3)~(7)可得到PSC樁在PHC管樁參數(shù)下的高應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線(xiàn)擬合法實(shí)測(cè)極限承載力的修正公式:

式中:Q為極限承載力修正值,kN;Qg1為高應(yīng)變?cè)囼?yàn)實(shí)測(cè)側(cè)摩阻力,kN;Qg2為高應(yīng)變?cè)囼?yàn)實(shí)測(cè)端承力,kN。

4.3 結(jié)果對(duì)比

通過(guò)式(8)對(duì)高應(yīng)變?cè)囼?yàn)下PSC樁極限承載力進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表5所示。

表5 PSC樁極限承載力修正結(jié)果與豎向靜載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表5可知,高應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線(xiàn)擬合法結(jié)果經(jīng)過(guò)修正計(jì)算之后,誤差有了明顯降低。PSC樁鄄1、PSC樁鄄2 及 PSC 樁鄄3 誤差分別由 10郾1%、25郾2% 及16郾0%降低為 2郾7%、13郾8% 及 5郾5%,修正結(jié)果與豎向靜載試驗(yàn)得到的極限承載力相差不大但仍比實(shí)際豎向靜載試驗(yàn)結(jié)果略微偏高。

5 結(jié) 論

a.高應(yīng)變檢測(cè)方法作為一種快速、經(jīng)濟(jì)的方法,可以應(yīng)用于PSC樁的極限承載力檢測(cè),但是參考JTS167鄄4—2012《港口工程樁基規(guī)范》高應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線(xiàn)擬合法得到的極限承載力值比豎向靜載試驗(yàn)下的極限承載力值高出10郾1%~25郾2%。

b.式(8)充分考慮了PHC管樁和鋼管樁差別及對(duì)極限承載力貢獻(xiàn)的權(quán)重系數(shù),修正計(jì)算結(jié)果精度明顯提高,與豎向靜載試驗(yàn)結(jié)果基本一致但仍略高,本次試驗(yàn)樁條件下高出2郾7%~13郾8%。

c.提出的修正方法及公式以現(xiàn)行高應(yīng)變檢測(cè)儀器、設(shè)定及分析系統(tǒng)為基礎(chǔ),無(wú)須開(kāi)發(fā)新的硬件平臺(tái)及軟件分析系統(tǒng),作為一種建立在通用的軟硬件產(chǎn)品基礎(chǔ)上的修正方法,精度可以滿(mǎn)足施工過(guò)程中對(duì)極限承載力高效、精確的檢測(cè)要求。

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