PHC鄄钢管组合桩高应变检测修正方法

王海军汤 雷官福海胡骏文杨石扣

(1.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210029;2.河海大学力学与材料学院,江苏南京 210098)

PHC管桩因其强度高、承载力大、适应性强、生产周期短等优点,在国内港口和水利工程中的应用越来越广泛[1鄄2]。但是,在一些地质条件或桩身较长的情况下,PHC管桩即使配钢桩靴仍然无法穿透坚硬夹层,导致断桩、爆头等而无法沉桩到设计标高[3鄄5]。为解决此问题,近年来出现了一种新桩型——PHC鄄钢管 组 合 桩[6](PHC鄄steel compound pile,PSC桩),PSC桩上部为PHC管桩,下部为钢管桩,中间采用法兰盘焊接。不同于PHC管桩的钢桩靴,PSC桩中钢管桩参与承载力设计,在某些工程中长度超过10 m[6]。除此之外,PSC桩还具有以下优点:淤下部钢管桩能有效减弱打桩过程中桩顶反弹力,减少上部PHC管桩裂缝的生成,有助于提高桩基的施工质量;于桩基上部为PHC管桩,和钢管桩相比,无须刷防腐涂料;盂比钢管桩节约工程造价和维护费用。

极限承载力是否满足要求是桩基工程设计及施工中的关注重点[7鄄8]。研究者针对PHC管桩开展了大量高应变动力测桩(PDA)与静载试验的比较[7,9鄄12]以及高应变曲线拟合法的研究与分析[13鄄14],对于钢管桩,开展了如常规钢管桩桩型高应变动力检测[15鄄16]甚至海上超长大钢管桩极限承载力的动力检测研究[17]等。因此,在竖向极限承载力的检测方面,PHC管桩及钢管桩积累了较多的工程应用经验,JTJ249—2001《港口工程桩基动力检测规程》及JTS167鄄4—2012《港口工程桩基规范》也相应给出了参考依据。PSC桩应用时间及范围与PHC管桩等常规桩型有较大差距,相关规程和规范尚未对PSC桩给出专门参考依据,相关研究成果较少,只能参考PHC管桩或钢管桩等的经验。由于PSC桩上下两段的桩径、材质、密度、波阻抗差异明显,且PSC桩存在法兰盘接桩,接桩部位出现较大错台面积[6],因此参考PHC管桩和钢管桩的检测依据得到的PSC桩极限承载力检测结果是否可靠就显得极为关键。

针对PSC桩极限承载力检测问题,本文通过竖向静载试验、现场高应变检测试验结合理论分析,提出了PSC桩高应变检测修正方法,为PSC桩极限承载力的检测提供试验及理论依据。

1 工程背景及试验桩设计

1.1 工程背景

研究依托镇江润华物流通用码头工程上游7万t级泊位高桩码头开展。工程位于长江下游泰兴水道炮子洲左岸的中段幸福河口处,镇江港扬中港区西来桥作业区。码头平台长278 m、宽30 m,平台桩基为PSC桩,每榀排架设4根直桩和2对4郾5颐1叉桩,桩端进入细砂层中部。

试验地点位于码头引桥喇叭口,地质勘查钻孔ZK11位于此处,有精确地质勘查参数可供参考,避免了局部试验地点与工程区域范围整体地质勘查参数不符的问题,符合规范要求。试验地点土层物理力学性质见表1。

表1 各土层物理力学性质指标_

1.2 试验桩设计制作

PSC试验桩共设计制作3根,总长度都为33 m,分别编号为 PSC 桩鄄1、PSC 桩鄄2、PSC 桩鄄3,采用不同的PHC管桩及钢管桩的长度组合,桩型上粗下细,具体参数见表2。试验桩中PHC管桩基本参数按照《国家建筑标准设计图集:预应力混凝土管桩(10G409)》设计,采用高速离心、高温高压蒸养标准工艺制作(1郾0 MPa,180益)。为保证桩端部在锤击沉桩下不出现破碎而影响试验,试验桩顶部2 m范围内掺加钢纤维。

表2 试验桩设计参数

表3 锚桩设计参数

2 高应变试验

2.1 现场试验

高应变检测基本原理是采用重锤打击桩顶,使桩土之间产生一定的相对位移。在距离桩顶约1郾5倍桩径的两侧对称安装应变传感器和加速度传感器,如图1所示。记录单次锤击过程中作用在桩上的力波F(t)(由应变数值转换得到)和加速度波a(t)时程曲线,由实测曲线拟合法分析可得到极限承载力。

图1 现场高应变检测传感器安装

此次试验采用武汉岩海基桩动力检测系统,该系统的采集装置与应变、加速度传感器等测前经过检定,精度完全符合JTJ249—2001《港口工程桩基动力检测规程》要求。试验桩采用锤击沉桩施工工艺,在沉桩到设计标高时,继续锤击开展试验桩高应变试验;采用筒式D138柴油锤,锤距1郾8 m。

2.2 实测曲线拟合法结果

按照JTJ249—2001《港口工程桩基动力检测规程》,拟合结果如表4所示。试验桩PSC桩鄄1、PSC桩鄄2、PSC桩鄄3的实测曲线分别在距底部9m、7m和5 m处存在力曲线(由实测的应变曲线得到)反向反射和速度曲线同向反射,即出现“缩颈冶现象,这是因为此处是PHC管桩和钢管桩的连接部位。虽然钢管桩的密度和波速都大于PHC管桩,但是其截面积远远小于PHC管桩,因此其阻抗小于PHC管桩,反应在实测曲线上就出现上述的“缩颈冶现象。实测曲线中的这一“缩颈冶现象导致拟合结果中平均侧摩阻力在PHC管桩和钢管桩接桩部位存在明显的减小趋势,这与地质报告中平均摩阻力单调递增的趋势略有差别。

表4 高应变试验极限承载力分析结果

3 竖向静载试验

3.1 现场试验

为了得到PSC桩极限承载力真实值,开展了组合桩的竖向静载试验。采用锚桩反力梁装置的“四锚一冶形式开展试验,连接形式如图2所示。

由于竖向静载试验在水上悬空组装及试验,且抗拔锚桩采用PHC管桩,试验难度极大。试验现场如图3所示,试验期间,为避免振动影响,距离试验平台50 m范围内全部停止打桩施工作业,同时禁止船舶行驶,避免碰撞试桩平台。

图2 竖向极限承载力静载试验示意图(单位:m)

图3 竖向静载试验现场

采用快速维持荷载法开展竖向静载试验。每级荷载维持时间为60 min,在第5 min、10 min、15 min、30 min、45 min和60 min进行沉降等数据测读,累计1 h以后每隔30 min测读一次沉降数据。每级卸载维持荷载时间为15 min,测读时间为第 5 min、15 min。试验终止条件:桩顶总沉降量超过40 mm,且在某级荷载作用下,桩的沉降量为前一级荷载作用下的5倍或q鄄s曲线出现可判定极限承载力的陡降段,认为加载已达到试桩设备的承载能力。

3.2 试验结果

竖向极限承载力判据采用JTS167鄄4—2012《港口工程桩基规范》判据,得到结果如下:试验桩PSC桩鄄1及PSC桩鄄3极限承载力为3 000 kN,PSC桩鄄2极限承载力为2750 kN。

4 PSC桩高应变检测方法的不足与修正

综合考虑PSC桩的特殊材质及构造,在竖向静载试验结果及现行高应变实测曲线拟合结果的基础上,对高应变实测曲线拟合结果进行修正。

本文输入的评论通过分词以及提取关键字，最大词数为64，为了保证CNN输入维数一致，其他评论提取的关键词词数不足64的词向量全部取0，所以结合Word2vec得到的400维词向量，CNN模型初始输入矩阵为64×400，通过改进LeNet-5模型所得到的CNN-3C模型各层具体的的卷积池化范围特征图矩阵大小以及特征图个数如表3所示。

4.1 高应变检测方法的不足

参考现行的高应变检测方法,计算得到PSC桩鄄1、PSC桩鄄2和PSC桩鄄3极限承载力分别为3304郾2 kN、3442郾3 kN和3480郾6 kN,分别比竖向静载试验结果高出10郾1%、25郾2%和16郾0%。 PSC桩完全不同于一般常规桩型,实际上是两种桩拼接而成的,上下两段的波阻抗明显不同,是一种非标准桩,而现行的高应变实测曲线拟合法都以均质材质的桩为基础,因此极限承载力检测难以按照现行规范执行和评定。

4.2 修正方法

根据高应变检测原理,单桩极限承载力与桩身截面力学阻抗Z有关,Z符合下式:

式中:A为桩身截面积,m2;C为桩身应力波波速,m/s;E为桩材弹性模量,MPa;酌为桩材容重,kN/m3;g为重力加速度,m/s2。

由此,高应变实测曲线拟合得到的单桩极限承载力Q可表示为

传统高应变实测曲线拟合法得到的极限承载力实际包含两部分,一是PHC管桩贡献的极限承载力,一是下部钢管桩贡献的极限承载力。而在实际高应变检测分析中,在采集波形时只能按照一种桩型采集信号,无法考虑接桩部位的端承力,由此得到的高应变检测结果必然包含下部钢管桩极限承载力的偏差。

首先,将实测极限承载力中侧摩阻力和端承力分别按照面积进行权重分离。定义上部PHC管桩和下部钢管桩侧摩阻力权重系数分别为姿phc1和姿st1,端承力权重系数分别为姿phc2和姿st2,满足以下关系式:

式中:Aphc1、Aphc2分别为上部PHC管桩侧表面积和端部面积,m2;Ast1、Ast2分别为下部钢管桩侧表面积和端部面积,m2。

将实测极限承载力中端承力及侧摩阻力分别进行权重分离后,对钢管桩贡献的极限承载力进行修正。定义PHC管桩参数下测定的钢管桩极限承载力修正系数为渍,由式(1)~(6),可得到修正系数渍近似符合:

式中:Aphc、酌phc、Cphc分别为 PHC 管桩桩身截面积、桩材容重和桩身应力波波速;Ast、酌st、Csth分别为钢管桩桩身截面积、桩材容重和桩身应力波波速。

由式(3)~(7)可得到PSC桩在PHC管桩参数下的高应变实测曲线拟合法实测极限承载力的修正公式:

式中:Q为极限承载力修正值,kN;Qg1为高应变试验实测侧摩阻力,kN;Qg2为高应变试验实测端承力,kN。

4.3 结果对比

通过式(8)对高应变试验下PSC桩极限承载力进行计算,结果如表5所示。

表5 PSC桩极限承载力修正结果与竖向静载试验结果对比

由表5可知,高应变实测曲线拟合法结果经过修正计算之后,误差有了明显降低。PSC桩鄄1、PSC桩鄄2 及 PSC 桩鄄3 误差分别由 10郾1%、25郾2% 及16郾0%降低为 2郾7%、13郾8% 及 5郾5%,修正结果与竖向静载试验得到的极限承载力相差不大但仍比实际竖向静载试验结果略微偏高。

5 结 论

a.高应变检测方法作为一种快速、经济的方法,可以应用于PSC桩的极限承载力检测,但是参考JTS167鄄4—2012《港口工程桩基规范》高应变实测曲线拟合法得到的极限承载力值比竖向静载试验下的极限承载力值高出10郾1%~25郾2%。

b.式(8)充分考虑了PHC管桩和钢管桩差别及对极限承载力贡献的权重系数,修正计算结果精度明显提高,与竖向静载试验结果基本一致但仍略高,本次试验桩条件下高出2郾7%~13郾8%。

c.提出的修正方法及公式以现行高应变检测仪器、设定及分析系统为基础,无须开发新的硬件平台及软件分析系统,作为一种建立在通用的软硬件产品基础上的修正方法,精度可以满足施工过程中对极限承载力高效、精确的检测要求。

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