大直径钢圆筒振沉计算方法

胥新伟，刘亚平，黎双邵

（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）

大直径钢圆筒振沉计算方法

胥新伟1，刘亚平2，黎双邵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 22m 的钢圆筒围堰构成，通过 APE600 组成的振动锤组振动下沉至设计标高。前期通过日本经验公式、法国 PTC 经验公式、美国 ICE 经验公式、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。

钢圆筒；振动锤；波动方程；动土阻力

0 引言

港珠澳大桥东、西人工岛采用外径为 22m的钢圆筒围堰构成。钢圆筒顶标高+3.5m，高度为40.5~50.5 m 不等 ，下 沉 底 标高 -22~-46 m 不等。钢圆筒采用厚度为 16mm 的钢板制作，筒底部采用 30mm 厚，500mm 高的钢板进行加固，竖向采用T形竖肋进行加固，横向采用6道横肋进行加固。

钢圆筒需要穿过回填中粗砂、淤泥质土，最终沉入粉质黏土层。将钢圆筒振动下沉至设计标高，选择具有足够激振力的振动锤尤为重要。因此需要对钢圆筒下沉过程中的动摩阻力进行准确的计算。

22m 直径钢圆筒在施工前，采用日本建机调查株式会社经验公式、法国 PTC 公司经验公式、美国 ICE 公司经验公式、振幅分析法、波动方程分析法等多种计算方法进行振动下沉可行性计算分析。由于各类经验公式均源自于直径较小的钢管桩，从未进行过直径 22m的钢圆筒的振沉能力分析，因此在采用上述方法进行钢圆筒振沉计算分析时，应考虑到钢圆筒与钢管桩之间的不同之处。如钢圆筒与钢管桩内侧壁阻力不同以及钢圆筒横肋、纵肋的影响。

1 计算方法

当钢圆筒静止存在于土体中，它与土之间存在着静摩阻力。通过对钢圆筒进行强制振动，钢圆筒会将振动传递给与钢圆筒接触的土壤颗粒。土壤颗粒之间继而发生相对运动减少颗粒间的相互摩擦，造成静摩擦阻力急剧下降。

以 Tv代表通过振动后降低了的摩阻力，以 μ代表摩擦力 T 变为 Tv时的降低率，那么，起振力P0和摩擦力的关系见下式[1-2]：

P0≥Tv= μT （1）

根据日本建调株式会社《钢管桩振动下沉计算》所述：μ的大小由振动加速度支配。随着振动加速度的增大，将会带来土体液化现象。当振动加速度超过 10g 以后，即使把振动加速度无限加大，也不会把土体摩阻力降低至0，因此动土阻力存在一个极限值 Tvmin。因此对于土阻力的降低率 μ 也存在一个极值 μmin。

1.1 日本建机调查株式会社公式

根据日本建机调查株式会社的经验公式，μ值的大小与振动体系的总质量、振动系统所能提供的最大加速度以及钢圆筒所承受的最大静阻力有关。日本建机调查株式会社得出了钢圆筒振动下沉最小激振力的计算公式，

式中：μmin为摩阻力降低率极值，根据日本提供经验，取 μmin=0.05；η 为表示钢圆筒振动最大加速度与重力加速度的比值；Q0为振动体系重力；β 为土阻力的降低系数，与材料性质有关，根据日本经验，对于钢材，取 β =0.52。

根据式 （2） 以及公式 （3） 可以得到 η-μ 关系。从而得到钢圆筒摩阻力的降低率 μ，根据公式 （1） 即可得到钢圆筒振动下沉所需要的最小激振力。

1.2 法国 PTC 经验公式

法国 PTC 公司汇集了世界范围内 58 个工程的土壤数据，找出了土壤的标准贯入击数（SPT）N值与振动构件单位面积（以外表面积计算）的动侧摩阻力的关系。根据不同土层的动侧摩阻力，求出最终的桩动侧摩阻力，并根据公式 P0>Tv进行验证计算[1]。

式中：Tv为各土层动土阻力之和，kN； Tvi为第 i层土动侧摩阻力值，kN；Hi为第 i层土厚度，m；Ci为桩外侧周长，m。

1.3 美国 ICE 公司经验公式

美国 ICE 公司通过大量工程测试后得出结论，在高速振动时，桩的周围土壤产生液化效果，促使桩侧静摩阻力降低，降低率 μ =0.1~0.4，根据工程土质，可在其间选择降低率具体数值。美国ICE 公司推荐土阻力降低率见表 1[1]。

表1 美国 ICE 公司土阻力降低系数推荐表Table 1 Recommended form of the soil resistance reduction cofficientvalue μ

1.4 振幅分析法

该方法认为：振动体系的振幅 A0大于桩下沉过程中所需要的振幅A，桩可下沉至设计要求深度。根据欧美国家计算振幅的公式，认为振动体系的工作振幅可按照下式计算[1]：

同时，美国 ICE 公司认为，各类型土质对最小振幅要求有所不同，在砂质土壤中，振动液化程度较高，所以振幅要求比较小，用 ICE 振动锤只需要 3.0mm，在黏土里，由于土壤能跟随桩壁运动，振幅要求达到 6.0mm。在非常理想情况下，如在水下的砂质土壤，2.0mm 就足够。

1.5 波动方程分析法

波动方程是一种重要的偏微分方程，主要描述自然界中的各种波动现象，在桩基工程领域，一维波动方程主要进行桩基的可打性分析以及桩基的承载能力分析，在工程中有着广泛的应用。依据波动方程理论而开发的桩基分析软件种类也很多。此处采用了美国 PDI公司出品的 GRWEAP打桩分析软件。

GRLWEAP 主要用来计算桩的可打性，而钢圆筒与钢管桩之间有着明显的不同，因此在计算过程中对计算参数的选取应有所调整。主要涉及到钢圆筒内外筒壁摩阻力的判断以及钢圆筒端阻力的判断，同时由于钢圆筒属于薄壁结构，并设置有加劲肋，计算分析时需要考虑加劲肋的影响。

港 珠 澳大 桥 东 西人 工 岛 分 别 以 CKD35、CKD56 号钻孔资料进行钢圆筒振沉可行性的波动方程分析，计算结果如表2所示。

表2 波动方程分析法计算结果汇总Table2 Analysis resultsof theweaveequationmethod

波动方程计算方法是目前较为先进的振动下沉计算分析方法，但是由于计算理论不完善，计算结果并不完全准确，其中影响计算精度的主要因素如下：

1） 地质勘查结果不准确，将导致对土阻力估计不准确[3]。

2） 在采用波动方程分析计算中，没有考虑孔隙水对土阻力的影响。

3） 真实振动状态下动土阻力与静土阻力不同，目前尚不能完全掌握动土阻力与静土阻力之间准确的关系。在使用波动方程软件分析时，动土阻力只是通过土阻力降低系数进行调整[4-5]。

4） 振动锤的真实工作性能与计算模型之间存在一定的差异。

5） 钢圆筒的环形肋、竖肋等加强肋会对钢圆筒振动下沉产生一定的阻力，目前尚无法准确估计加强肋对钢圆筒振动下沉造成的影响。

2 计算结果

以 8 台 APE600 振动锤所能提供的最大激振力 P0，与计算得到动摩阻力 Tv相比，得到振动系统的富裕系数，计算结果汇总见表3。

表3 计算结果汇总表Table3 Summary of the calculating results

根据以上结果可以得到各种计算方法的结论相近，振动锤的富裕系数相近。

3 工程验证及结论

在钢圆筒振动下沉分析时，需要掌握振动锤的偏心力矩、最大激振力、振动频率、振动锤功率以及动力柜输出功率能等参数。其中偏心力矩、最大激振力、振动频率、以及振动锤的功率等参数用于进行振沉能力的分析，动力柜功率的计算是保证振动锤能够达到其工作性能的基础保 证[3，6]。

波动方程计算方法是目前较为先进的振动下沉计算分析方法，但是由于计算理论不完善，计算结果并不完全准确，计算时需要充分考虑其他影响因素。

港珠澳大桥采用美国 APE600 液压振动锤 8锤联动施工工艺，经过工程实际验证，东、西人工岛钢圆筒均顺利下沉。但实际上由于计算理论的不完善，除波动方程计算方法外，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。因此在类似工程应用中，仍需要采用多种计算方法综合分析确定。

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Calculatingmethod for vibro-sinking large diameter steel caissons

XUXin-wei1,LIUYa-ping2,LIShuang-shao1
（1.CCCCTianjin PortEngineering Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300222,China; 2.CCCCFirstHarbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China）

The east and west artificial islands of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge project are formed by 22 m diameter steel caissonswhich are sunk to the designed elevation by vibratory system consistof APE600 largestvibratory pile driver.Before this project,a seriesofanalyzingmethodswere applied to demonstrate the feasibility of the vibratory system,such as empirical equation in Japan,empirical equation of PTC Company in France,empirical equation of ICE Company in USA,and wave equation method.Finally,the results show that eight APE600 vibratory pile drivers can meet the engineering requirements,which has been proved in theengineeringapplication.

steel caisson;vibratory pile driver;weave equation;vibratory resistance of soil

U655.553

A

2095-7874（2014）10-0014-03

10.7640/zggw js201410004

2014-04-11

2014-09-02

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