大直径钢圆筒振动下沉可行性分析方法

胥新伟，刘亚平，高潮

大直径钢圆筒振动下沉可行性分析方法

胥新伟1，刘亚平2，高潮1

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300222；2.中交第一航务工程局有限公司，天津300461）

港珠澳大桥东、西人工岛岛壁结构采用直径22 m的钢圆筒围堰构成，通过APE600振动锤组振沉至设计标高。为确定钢圆筒振动下沉的可行性，将钢圆筒视为桩并划分为单元，确定桩侧动摩阻力与桩身振动加速度之间的关系，计算得到不同入土深度位置的桩侧振动加速度，同时考虑应力波在桩身的传递，最终获得桩在不同时刻的动摩阻力，并通过桩端单元的振动加速度计算得到桩端最大振幅，当振动锤激振力能够克服桩侧动摩阻力及端阻力，且桩端产生的最大振幅大于土体处于弹性阶段的最大位移时桩可继续下沉。

钢圆筒；振动下沉；可行性分析；振动锤；波动方程；动土阻力

0　引言

港珠澳大桥东、西人工岛岛壁结构采用直径22 m的钢圆筒围堰构成，通过APE600液压振动锤组成的振动锤组振动下沉至设计标高。文献[1]通过日本经验公式、法国PTC经验公式、美国ICE经验公式、压桩系数法、波动方程等多种计算方法对钢圆筒振动下沉可行性进行分析，最终确定8台APE600振动锤可满足工程需要，并在工程应用中得到验证。

日本经验公式认为桩侧动摩阻力与桩身振动加速度有关，同时桩身振动加速度在振动荷载作用下恒定不变。本文在日本经验公式基础上，认为振动沉桩过程中由于桩周动摩阻力的影响，桩身振动加速度随着入土深度的增加而逐渐减小，动摩阻力随着入土深度的增加而逐渐增大，当振动锤激振力能够克服桩侧动摩阻力及端阻力，同时桩端产生的最大振幅能够克服土处于弹性阶段的最大位移后桩可继续下沉。

1　桩侧动摩阻力计算

在日本经验公式基础上，将桩进行单元划分。假设采用振动锤将长为L的桩沉入土中，入土深度为Z，将桩划分为n个长度为ΔL的单元组成的模型，如图1所示。

图1　振动沉桩计算模型Fig.1 Calculation model of the pile installed by vibratory system

振动沉桩过程中，激振力F实际是随着时间变化的正弦函数，振动锤激振力的表达方式为：

式中：Qsi为单元i承担的静摩阻力，kN。

2　桩端振幅验算

桩侧若产生土体液化，进而由极限静摩阻力转化为动摩阻力，则桩身在振动荷载作用下产生的最大位移必须克服土体处于弹性阶段中的最大位移，否则振幅较小，桩身无法摆脱土壤，就不会有动摩阻力的产生[2-3]。

桩在振动下沉过程中，首先要将桩端附近的土壤液化，将桩端极限静阻力转化为动阻力，因此需要对桩端所产生的最大振幅进行计算。根据式（3），可以求得任一时刻桩端所产生的加速度比ηn，在某一时刻可以使其达到最大，得到ηnmax。假设桩端单元n在周期荷载的作用下发生简谐振动，则振动过程中能产生的最大位移计算公式如下：

式中：An为桩底部编号为n的单元所产生的最大振幅，m；anmax为桩底部编号为n的单元所产生的最大振动加速度，m/s2；f为钢管桩或钢圆筒振动主频率，Hz。

3　港珠澳大桥钢圆筒算例

分别对东、西人工岛选取2个土质相对较好，承载力相对较高的钻孔资料进行分析。对东、西人工岛钢圆筒振动下沉可行性进行计算如表1~表3，得到的振动加速度分布及摩阻力降低系数分布见图2~图3。

表1　振动锤计算参数Table 1 Calculation parameter of the vibrate hammer

表2　钢圆筒计算参数Calculation parameter of the steel caissons

表3　计算结果Table 3 Calculation result

图2　东人工岛μ随入土深度变化曲线Fig.2 Distribution ofμalong the steel caisson in theeast artificial island

图3　西人工岛μ随入土深度变化曲线Fig.3 Distribution of μ along the steel caisson in the west artificial island

实际工程中，东人工岛钢圆筒振沉施工过程比西人工岛困难，自沉完成后振动下沉所需时间较长。西人工岛位置的土阻力相对较差，钢圆筒在自沉完成后很容易振沉到位，振沉时间短的仅需十几分钟便可至设计筒底高程。

4　结语

港珠澳大桥岛隧工程采用美国APE600液压振动锤8锤联动工艺，经过工程实际验证，东、西人工岛钢圆筒均顺利振沉到位。但实际上由于计算理论不完善，钢圆筒振动下沉主要还是依靠经验及经验公式来估计钢圆筒所承受的动土阻力。

改进后的计算公式认为桩在动摩阻力的影响下，桩身振动加速度随着入土深度的增加逐渐减小。通过对桩身划分单元，求得不同单元动摩阻力随时间的变化，汇总单元动摩阻力可以得到桩的总动摩阻力随时间的变化。桩受到动摩阻力的影响，桩身的振幅随着入土深度的增加逐渐减小。假设桩端的振动为简谐振动，其振幅受到桩端单元振动加速度以及振动频率的影响。

在进行振动沉桩可行性计算过程中，桩静土阻力计算的准确性也是尤为重要，因此需要获得尽可能准确的地质资料，同时在计算桩的静土阻力过程中需要考虑钢圆筒与钢管桩的不同，对钢圆筒内侧摩阻力进行合理的估计[4-5]，同时需要判断是否存在土塞效应及挤土效应。

[1]胥新伟，刘亚平，黎双邵.大直径钢圆筒振沉计算方法[J].中国港湾建设，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]张捷.沉入式大圆筒下沉过程数值模拟[D].天津：天津大学，2009：1-6. ZHANG Jie.The numericalmodeling of embedded large-diameter cylinder[D].Tianjin:Tianjin University,2009:1-6.

[3]汪金卫，陈福全，简洪钰.高频液压振动锤打桩的可打入性分析模型[J].福建工程学院学报.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]刘润，禚瑞花，闫澍旺.大直径钢管桩土塞效应的判断和沉桩过程分析[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，杨铎，等.基于振动沉桩机的振动摩擦系统动力学分析[J].东北大学学报（自然科学版），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

国家支撑计划课题项目（2011BAG07B02）

胥新伟（1981—），男，河北张家口人，硕士，工程师，结构工程专业。E-mail：xxw.350@163.com