仅需一步,解决海上打入桩设计难题
发布时间:2019-05-22
 

打入桩

打入桩是指通过锤击或者振动的方式,将预先在工厂中生产好的桩打入土层至设计深度的一种桩。桩身材质方面,在国内主要是预应力混凝土管桩和钢管桩两种,在国外部分工程也会应用木桩。相比于现场浇筑的混凝土桩,打入桩由于是在工厂预制的,桩身质量能得到更好的控制,施工难度相对较低,施工过程相对也比较容易控制。

近年来,随着海上风电项目的增加,钢管桩基础,尤其是大直径,超长的钢管桩的应用越来越多。海上风电钢管桩基础具有承载力高,施工设备大,费用高等特点,这就要求设计方及施工方,在设计施工过程中,尽可能减少不确定因素,避免方案变更、施工停滞等造成的损失。

在设计阶段,设计方可以根据现场地质情况,及上部结构荷载要求,给出相应的设计方案,确定桩身尺寸参数,包括桩长、壁厚、入土桩长等。但是,我们知道,对于打入桩,设计方根据地质资料所确定的桩长只是一个初步结果,最终的桩长需要根据现场的情况来确定。

打入桩的停锤标准有两个:桩顶标高贯入度两者必须同时满足。桩顶标高是上部结构的位置所决定的;而贯入度(单次锤击桩身沉降)则是反映实时桩身承载力的一个指标。如果在施工过程中,这两个参数其中之一不能满足设计要求,或者都不满足要求,则需要设计方进行评估,给出变更方案。而这势必要对施工进度造成非常大的影响,造成的经济损失也是相当可观的。

 

如果能在实际施工之前,对打桩过程进行模拟,就可以提前发现一些可能存在的问题,从而很大程度上减少试错成本。

 

目前国内对于锤击管桩沉桩过程的模拟研究起步较晚,当前的研究工作开展的很少,且多以数值算法分析为主。

美国PDI(桩基动力学公司,桩基动测方法发明者)开发的波动方程分析软件GRLWEAP是目前应用最多的沉桩过程模拟分析软件。通过该软件,可以模拟桩在冲击或振动入土过程中的运动及受力状况。

 

GRLWEAP软件功能

 
 
 
  • 对于给定的桩锤系统,可依据现场观测的锤击数(每米锤击数)计算打桩阻力、桩身应力及预估承载力。

  • 对于设计承载力和地质情况已知的工程,可帮助打桩承包商(施工单位)选择合适的锤和打桩系统。

  • 可确定打桩过程中桩身应力是否超过桩身材料承受极限,是否能够按设计要求打入到预计深度。

  • 可估算总打入时间,总锤击数等。

 

GRLWEAP软件输出结果

 
 
 

 

01

承载力图

 

软件可预设10个承载力值,结合桩身尺寸信息、锤信息以及相应的地质信息,得到一个承载力与每米锤击数(即贯入度)的关系图。据此,用户可根据现场观测的实际锤击数(即贯入度)来推断对应的承载力。

承载力图

 

02

观察员图

 

软件设定一个承载力值(目标承载力),计算得出冲程(或锤击能量)与每米锤击数(即贯入度)的关系曲线。观察员图可帮助现场管理人员(业主或监理)根据贯入度(锤击数)要求,控制施工单位的锤击冲程(或能量),以达到控制停锤时机的目的。

检查员图

 

03

可打性分析

 

可打性分析是该软件最常用,也是最强大的一个功能。可帮助设计单位对设计方案进行打桩模拟,检查设计方案的合理性,比如所设计的桩型在实际施工过程中是否会出现应力过大的问题等等;对于施工单位,可以使用GRLWEAP软件,根据设计方案,模拟用各种型号打桩锤的打桩过程,选择最经济合理的打桩锤,避免换锤可能带来的经济损失。

可打性分析
 

在进行可打性分析之前,需要获取以下信息

桩身参数,包括桩长,桩径,壁厚,桩身材料等。

GRLWEAP软件需要根据用户输入的桩身参数,来建立相应的桩模型,计算在打桩过程中的实时承载力,桩身应力等信息。

 

打桩锤信息,锤芯重量,锤垫厚度、刚度,锤帽重量、刚度等。

GRLWEAP收录了大多数主流打桩锤的详细信息,目前,GRLWEAP锤库中已收录了MENCH,ICE,IHC,JUNTAN等厂家的800多个型号的打桩锤,且数据库还在不断更新。如果用户使用的锤未被收录在锤库中,用户也可以按照特定的格式,手动输入锤信息。

打桩锤信息录入界面

 

现场岩土参数

GRLWEAP软件需要结合岩土参数、桩身参数及锤信息,建立相应桩土模型,计算打桩过程中,不同入土深度时相应的承载力、贯入度、锤击数以及打桩时间等信息,从而对打桩过程的可行性进行评价,比如:桩打到设计标高时贯入度是否符合要求,总的锤击数是否在可接受范围,桩身应力是否合理,所选打桩锤是否能够在合理锤击数范围内把桩达到预计深度等等。

 

GRLWEAP软件提供了4种方法来对桩身静阻力进行计算,用户可以根据自己获取的岩土参数或者行业要求来选择相应的静阻力计算方法。

 

ST法(Soil Type法-土类型法)

如果掌握的岩土信息非常有限,只有大致的土的分层及土类型,就可以使用ST法来估算静土阻力。下图即为ST法信息输入界面,用户只需输入土层数,每层土的厚度,土类型(粘性土还是非粘性土),土特性(粘性土的硬度,非粘性土的密实度),软件就会自动根据输入的信息推荐各层土的参数,如各层土的单位侧阻力、单位端阻力、弹限、阻尼系数、恢复系数等。当然,由于输入信息极为粗略,ST法估算的静土阻力可能存在较大的误差。

 

SA法(SPT-N法)

SA法与ST法接近,但可以输入更详细的信息,比如SPT N值,不过最终目的也是根据输入的信息给出各层土的推荐土参数。

 

CPT法(静力触探法)

CPT法允许用户以文本导入的形式输入CPT测试参数,用以岩土参数的获取。

 

API法(美国石油协会法)

API方法与ST类似,但获取土参数推荐值的方法有所不同,API方法在海上石油开发领域应用较多。

 

可打性分析的最终结果表现为承载力、贯入度、桩身应力、锤击能量等与深度的关系曲线。分析中可考虑接桩、锤效能变化、垫层损坏以及打桩中断导致土阻力恢复等情况。可打性分析可帮助用户选择合适的打桩系统,以便在锤和桩承受范围内,将桩打入到预计深度。

GRLWEAP软件内置了强大的打桩锤数据库,包含了目前世界主流打桩锤的详细信息(液压锤,柴油锤,振动锤),该数据库还会不断地更新,目前数据库已包含了800多个型号的打桩系统。

 

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