用grlveap软件对钢板桩打桩过程的分析

用grlveap软件对钢板桩打桩过程的分析

近年来，我国发展趋势加快，管道基础是海上风力建设的重要组成部分。随着单光束装置的增加，从1985年0.5mw到今天的8.10w不等，叶片直径从15m上升到当前160m，对桩基础承载能力的要求越来越高。大直径钢管桩因单桩承载力大、加工安装效率高的特点而广受青睐。桩基础是目前海洋工程中应用最为广泛的一种基础形式,海上平台最常用的桩基础是开口桩,通常是用以蒸汽、柴油或液压为动力的冲击锤将桩打入海底。由于大直径钢管桩需要的冲击功较大,一般采用液压锤。打桩过程中有以下问题需要解决:1)在一定的桩锤、打桩系统和地质条件下,桩是否可以打到一定的深度,桩尖能否达到某个持力层,怎样的收锤标准才能达到设计要求的承载力。2)了解打桩过程中桩身应力的变化,确定打桩应力。3)估计打桩锤数和打桩时间。1政府打桩时桩的波动方程打桩时,锤击能量克服土对桩的阻力而把桩击入土中。对于大直径、长度长的桩,按惯用的动力打桩公式预测桩的承载力等问题已不能适应,因为其将打桩过程看成是两个绝对刚体自由碰撞问题,认为锤击能量瞬间就传递到桩底,但实际上打桩的能量是以一种应力波的方式向下传递,所以用波动方程能给打桩提供较合理的分析。Smith提出一维波动方程,并用它来分析打桩时锤-桩-土系统的受力情况,他对计算参数作了分析和建议,从而使波动方程获得广泛应用。式中,ω为桩内某截面沿z轴向的位移;c为应力波在桩内的传播速度,c=(E/ρ)1/2,其中E为杆的弹性模量;R′为反映桩的土阻力参数项;ρ为桩的密度。波动方程在指导桩基工程的设计和施工方面有着广阔的发展前途,它能够预估桩锤的打桩能力、确定打桩应力和预测桩的长期载荷下的承载力等。2glrwap软件界面介绍波动方程的分析技术已成为大型桩基工程设计的重要工具,美国GobleRaucheLikinsandAssociateInc.公司推出的GRLWEAP程序可以模拟冲击或振动打桩机在打入过程中桩的运动及受力情况。软件界面如图1所示。目前,GRLWEAP已成为世界上打桩分析领域的主导及首选软件,具有以下功能:1)对于给定的桩锤系统,GRLWEAP可依据观测的锤击数预测打桩阻力、桩身动应力及预估承载力。2)GRLWEAP可用贯入度替代锤击数进行振动打入桩分析。3)对于已知的打桩过程、土质情况及承载力要求,GRLWEAP可以帮助选择合适的打桩锤和打桩系统。4)GRLWEAP可打入性分析可确定打桩过程中桩身应力是否超限或拒锤。5)GRLWEAP能估计总打入时间。3桩沉降分析3.1堆栈的基本组成桩为一中空钢管桩,长度为80m,壁厚60mm,设计入土深度46.5m。桩的材料选择DH36,其最小屈服强度355MPa。3.2设计现代打桩锤的应用液压式IHC系列打桩锤结合了完整一体的锤芯和全封闭打桩锤壳体两大特点,是一种设计别致且坚固可靠的打桩锤。独特的设计使其具有众多特点,该打桩锤适用于从对冲击敏感性桩到大而长的海上钻井平台管桩等,以及各种桩和地面基础工程,包括水下全能量碎石。选用的锤是:IHCS-500,属性如表1所示。3.3连续打桩时,桩的贯入度也大小,也需要控制在一个正常工作的锤作用下的拒锤标准为:1)连续打桩时,当250击,而桩的贯入度不大于25cm(1毫米/1击)的情况连续出现6次时,必须停止打桩。2)连续打桩时,当650击,而桩的贯入度不大于25cm(1毫米/2.6击)时,必须停止打桩。3)如果打桩操作中途停止,延迟1小时或更长时间,上述1)、2)条件将重新计算。3.4分析和配置土壤参数如表2所示,单位制选择国际单位制SI,桩锤设置好的模型如图2所示。3.5桩内部土体孔隙水压力桩体的贯入过程是一个相当复杂的问题,在打桩间歇阶段,连续打桩时产生的超静空隙水压力消散。根据土力学有效应力原理,空隙水压力的消散转化为有效应力的增长,使桩周土和桩尖土的强度有大幅度的增加,进而影响桩侧摩阻力和桩端阻力的大小。在大直径开口钢管桩连续打入的过程中,除了桩外侧土体的孔隙水压力增加,强度降低外,桩管内部的土体由于受到强烈的扰动,也产生很高的孔隙水压力,使土体结构破坏,出现裂缝。因此在连续打桩过程中桩管内的土体几乎不形成土塞,与桩管内壁的摩阻力较小使沉桩阻力大大减小。而停锤一段时间后,桩管内土体中的孔隙水消散,有效应力增长,使得土体强度增加,从而增大了土体与桩管内侧的摩阻力,形成土塞,造成后续打桩困难。由于本钢管桩作业区位于运粮河口至双洋河口之间的海域,地质偏软,从图3打桩过程信息可知,桩在自沉阶段,桩受自重和桩锤自重的压力,下沉已经达到32m,因此整段桩考虑一次打入,打桩过程中桩管内的土体几乎不形成土塞,因此在打桩分析过程中不考虑土塞效应。4冲击功效率及承担桩的可打入性分析结果如图3和图4所示:最大的轴向压应力为fa=79.4MPa;最大的轴向拉应力为ft=67.2MPa。根据APIRP2A规范3.2节,计算得到许用轴向拉应力为:213MPa,许用轴向压应力为171MPa。IHCS-500锤的冲击功效率保持0.95。最大的锤击数16.2次/0.25米。结果表明:在桩锤的驱动下,钢管桩随着变化的土壤阻力通过不同的土层,能够达到46.5m的贯入深度,桩的强度满足规范要求。5全程动力分析本文以一直径6m开口钢管桩为研究对象,运用GRLWEAP专业打桩分析软件,对打桩的全过程进