振冲系泊桩基础成桩试验研究

2018-09-22赵宇飞王玉杰朱晓勇

中国水利水电科学研究院学报 2018年4期

李斌，赵宇飞，王玉杰，朱晓勇

（1.中国水利水电科学研究院岩土工程研究所，北京 100048；2.中交天津港湾工程研究院有限公司港口岩土工程技术交通行业重点实验室，天津 300222；3.北京振冲工程股份有限公司，北京 100102）

1 研究背景

世界范围内海上风电以桩基础结构型式应用最为广泛［1-3］，而桩基础抗倾覆能力差、水平向位移大，如要提高桩基础的抗倾覆能力需增加桩基础的直径、壁厚、贯入深度等，这些将导致施工困难和工程投资大幅增加［4-5］。随着海上风机单机容量不断增加，现有的单桩基础结构型式建造工期长、成本高，桩基础抗拔承载能力差，施工周期长等缺陷，成为制约我国海上风电开发的技术瓶颈。

2015年3月，中国水利水电科学研究院基于振冲器加固土体的原理，借鉴锚杆中锚盘的布置形式对振冲器进行改良，综合高压旋喷桩和软土地基振冲加固的施工工艺，以形成扩底灌注桩为基本思路，实现桩与加固地基土体共同承担荷载的“振冲系泊桩”新型基础型式，新型基础以桩身内预应力钢绞线和桩底扩大头来提高桩身抗拔承载力，在满足风机上部结构以及荷载的抗压要求的同时，也满足了极端工况的抗拔要求。新型基础型式的研发将改变风机基础靠深插以及放大桩身直径提高桩身抗拔承载力的现状，以高效易行的方法实现不同地质情况下风机基础施工。

2 振冲系泊桩结构和成桩设备

2.1 振冲系泊桩结构振冲法最早被当作一种地基处理技术从德国引进［6］，其加固深度大、效果好、操作简单、以及工期短、成本低等优点被广泛应用。1978年唐山钱家营矿、官厅水库和南通天生港电厂工程中，采用振冲法进行地基加固处理取得了很好的效果［7-10］，此后在全国范围内得到了推广［11-12］。振冲碎石桩［13］最早应用于提高砂土地基的地基承载力，对比于加固前，地基承载力可有数倍的增长。各种介质的振冲桩［14］的出现是以提高桩身和地基的抗压承载力为主，但由于桩身材料以散粒体为主导致其抗拔承载力较低。

图1 振冲系泊桩单桩示意图

振冲系泊桩其实是一种复合地基处理技术，如图1所示，通过对风机所处位置地基土进行振冲挤密以及桩土复合地基型式进行双重加固处理，从而使风机基础坐落于一个稳定的且有一定强度的地基上；振冲系泊桩除了结合目前振冲桩的优点，还将预应力锚索的相关技术进行拓展，使得桩体内存在预应力钢绞线以及用于后张拉的桩底锚盘；结合旋喷桩施工技术，在桩体施工时会在锚盘上部桩体底部位置形成类似扩底桩的扩大头，以提高桩体的抗拔能力，不仅克服了振冲碎石桩缺少抗拔能力的弱点，还具有较高的抗拔能力。

2.2 施工设备振冲系泊桩的核心思想是将振冲器下部的出水振冲头换成专门设计的可以留在桩底的预应力锚盘，锚盘上有可以穿过钢绞线的索孔，在振冲桩成桩过程时，改装振冲器携带锚盘进入到地基预定深度，锚盘和振冲器自动分离，锚盘带钢绞线留在桩底，改良振冲器在上拔过程中喷射按一定配合比配制好的混凝土（或者混凝土碎石）浆液，并不断振捣，桩身底部振捣时间以及注浆压力大于桩身相关参数，桩身满足长度要求后张拉预留钢绞线使桩体产生预应力，形成预应力扩底桩，并与承台或者风力发电上部结构紧固连接。

常见的振冲施工设备，振冲器是由电机设备组成的振冲体和振冲头组合成不可分离的整体进行振冲施工。而振冲系泊桩成桩施工时需要将带有钢绞线的可脱离的振冲头留在桩底，所以需要对振冲器进行改造。

首先解决振冲头与振冲体脱离与连接的问题。施工设备需要将振冲头与振冲体设计为分离式，并且振冲体需有独立工作能力，为满足施工要求对振冲器进行二次设计，设计的新型振冲体和振冲头如图2和图3所示，振冲体顶部设计成合金材质并有棱体凸起，可分离的振冲头（锚盘）内部设有键槽，可与棱体凸起进行吻合组装，当振冲头被送入到土体预定深度时，在振冲头自重和土压力作用下可与振冲体脱离。

图2 新型振冲体

图3 新型振冲头

其次解决锚盘与钢绞线连接的问题，此处将预应力锚杆关键技术进行移植，为以后预应力施加提供了重要保证。设计的新型振冲头与预应力钢绞线的连接如图4所示，仿照预应力锚杆的技术，钢绞线穿过锚盘上的锚孔后，用挤压千斤顶把镦头加压握裹在钢绞线的端头，可防止在进行预应力张拉时钢绞线的脱落。

图4 振冲头与预应力钢绞线的连接

图5 预应力锚盘与改进振冲器组合设计示意

最终要解决桩底扩大头施工成型的问题。传统振冲器只能进行振捣作用，根据振冲系泊桩成桩设想，需要将振冲器改造成能进行喷射高压混凝土砂浆的设备，脱去振冲头的振冲体留有空腔如图2所示，可单独进行喷水、喷浆以及振捣工作，为增加喷浆或者喷水压力，将高压灌浆设备改进后与振冲器连接，在提高灌浆的效率的同时，减少了成桩施工时间。

图5为预应力锚盘与改进振冲器组合设计示意图，振冲系泊桩成桩设备将振冲施工设备下部锥头换成能够出水的锚盘，锚盘与振冲器主体结构之间靠键槽相连，锚盘上增加可以穿过钢绞线的索孔，改进振冲器将预应力锚盘及钢绞线一起下沉到设定深度，由于土压力作用锚盘与振冲器结构自动脱离，振冲器在上拔过程中同时进行水泥浆喷射并填充碎石，采用后张法对桩内部的钢绞线施加预应力，不断振捣直至形成振冲系泊桩。

3 振冲系泊桩施工工艺研究

为进一步研究振冲系泊桩成桩可能性，2016年3月至10月期间，中国水科院在北京通州振冲实验基地进行了多次成桩试验后，结合振冲系泊桩相关的设计，通过测量放线（区域划分）、场地平整以及实验器械准备后，进行3 m深试验桩的成桩实验。实验设备主要包括75 kW振冲器、改进的振冲器锚头、吊车以及商用混凝土。

试验主要工艺流程如下：

（1）清淤、清理场地；布置桩位，确定施工技术参数，根据图纸设计的桩位，在现场用经纬仪和钢尺配合，将桩位准确的标定在地面上，用木（竹）桩固定，做醒目标记桩号。

（2）组装调试施工设备。吊机就位，连接振冲器和导杆，确定振冲标尺，连接控制电路，接通电源，启动上水，开启振冲器，记录空载运行参数，按试桩确定的各项施工技术参数，调整电控系统、上水系统到正式开工状态。

（3）放线、定位。测量放线后吊车就位，徐徐吊起振冲器，使其竖直、悬空，距地面30 cm，并让尖端对准桩位，检查水压、电压和振冲器电流是否正常。

（4）造孔。将振冲器缓慢、稳妥地吊起，对准桩位缓慢下降振冲器至离地面10～20 cm以内，安装桩端预应力锚盘，检查钢绞线安装位置与质量。启动清水泵供水，待振冲器下端射水口出水的水压、水量达到工艺要求时，方启动振冲器，拉紧防扭绳索；

（5）清孔。当造孔达到设计深度时，振冲器出水口喷水进行清孔，清除孔内泥土，保证填料畅通，减小桩体含泥量。

（6）成桩。清孔完毕，控制室改用加密电流，并改变水压，采取连续填料，分段振密的制桩方法。将振冲器送至孔底，加注商用混凝土，再缓慢下沉振冲器，振密孔底桩体，当振冲器工作电流达到规定的密实电流后，留振30～50 s，为在桩端形式扩大头，在桩底施工时多留振20 s。循环上段工序，进行下一段桩体的压密工作直至孔口，则完成一根桩的制桩过程。

（7）关机、停水，振冲器移位至下一桩位。

（8）填料记录。每根桩体的充盈系数β=1.2～1.5，施工过程中通过振冲器上配备的施工自动监控系统记录仪，对每段桩体的成孔电流、密实电流、填料量及留振时间等进行现场施工过程的实时跟踪记录，作为设计、监理部门质量签认的主要依据。每桩施工均填写施工记录表。

4 振冲系泊抗拔试验

4.1 试验准备为了更进一步地了解振冲系泊桩的抗拔能力，进行了静载抗拔试验，具有预应力锚索特点的振冲系泊桩的抗拔特点。

试验场地主要土层为一般黏土，锚拉试验桩共2根。试验桩为混凝土桩，桩径1000 mm，有效桩长3.5 m，主筋采用4根7×ϕ5强度为1860 MPa无黏结钢绞线，底部采用ϕ500 mm锚盘。

4.2 试验过程试验桩预估最大加载为800 kN进行分级进行抗拔静载试验。首级进行预加载时杆体无黏结钢绞线变形200 mm左右后稳定，试验开始。加载至400 kN时桩顶总上拔量为12.78 mm，变形稳定，继续加载至480 kN时桩顶上拔量突然急剧增大，总变形量62.40 mm，桩顶上拔量大于前一级荷载作用下上拔量的5倍，试验终止，桩周地表土出现裂缝，试验共计持续13 h。

4.3 试验结果本次试验最大加载为480 kN，桩顶最大上拔量为62.4 mm试验桩取U-δ曲线发生陡降的起始点对应的荷载值400 kN为极限抗拔承载力。试验上拔位移U-δ曲线见图6所示。

图6 抗拔静载试验桩测试荷载变形曲线

通过荷载变形曲线可知，振冲系泊桩在上拔过程中，首先由于桩底扩大头不断上移挤压土体，上拔端阻力提供抗拔承载力，随着上拔量的不断增大，由桩身侧摩阻力和扩大头的端阻力提供抗拔力，随着上拔力的不断增加桩侧摩阻力将达到其峰值，扩大头的抗拔阻力不断增大，直至土体整体拉裂破坏或向上滑移而使桩体失去稳定。

通过振冲系泊桩的抗拔试验可知，在桩的抗拔试验过程中，桩体中钢绞线始终保持较好的受力状态，这说明预应力钢绞线在桩体中的不存在严重的弯曲现象，说明振冲桩施工工艺可行，振冲桩抗拔性能良好。

5 桩身抗拔承载力对比分析

为进一步了解振冲系泊桩抗拔性能的优势，利用有限元ABAQUS进行不同长度混凝土圆桩的抗拔承载力分析。

5.1 模型及参数为真实地模拟桩土作用，方便进行桩土接触设置，在建模时桩体和土体一样都采用实体单元，两者仅材料属性不同，模型桩分别采用圆柱桩和振冲系泊桩，直径D=1 m，桩身高分别为h=3.5 m，假设桩体四周为常规黏土。桩体为钢筋混凝土材料，在达到破坏强度之前呈线弹性，建模时将它作为线弹性材料考虑；土体为弹塑性材料，假定服从Mohr-Coulomb准则，保证计算结果的合理性，在桩土接触位置采用库仑摩擦接触设置，依据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011），选取混凝土与黏土之间摩擦系数为0.3。建立桩体和土体的相应接触对，采用主-从接触算法。模拟仿真过程不再赘述，材料参数见表1。

表1 模型计算参数

数值分析的结果与网格形状和密度密切相关。本算例模型桩及距其较近区域网格划分较密，距桩较远区域网格划分较疏。图7为桩土网格模型。

根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ106-2014）规定“按桩顶上拔量控制，当累计桩顶上拔量超过100 mm时可终止加载”，可认为此时桩基达到极限承载力，故将上拔量0.1 m作为荷载施加时位移边界条件。

图7 桩土分析有限元模型

图8 系泊桩与圆柱桩身荷载位移曲线

5.2 计算结果图8所示为3.5 m圆柱状和振冲系泊桩桩体沿桩身路径的应力应变曲线，由于计算时长应力图并未完全显示桩身抗拔承载的全过程；由计算结果可知，在相同土体参数和桩体参数情况下，振冲系泊桩是圆柱桩抗拔承载力的7.5倍。

圆柱桩随着桩身所受上拔力的不断增加，桩身上拔位移不断增加，当位移约为0.01 m时，应力出现拐点，当位移不断增加而桩身抗拔承载力不再增大，故认定其抗拔承载力约为60 kN。当桩顶施加位移荷载0.1 m时，地基土体最大应力发生在桩底土体处，最大应力为46.7 kN，地基土体最大位移发生在桩顶土体，最大应变达5 mm，桩体最大应力发生在桩身处，这主要是由侧摩阻力引起的，这些变化符合桩体相互作用的一般规律的。

振冲系泊桩随着桩身所受上拔力的不断增加，桩身上拔位移逐渐增加，在0～300 kN时，荷载位移曲线基本为直线，说明土体处于弹性阶段，在300 kN～450 kN时，荷载位移曲线为明显的曲线，桩顶位移增加加快，说明土体已经进入塑性阶段，当荷载继续增加时，位移急剧增大，说明土体破坏而失稳，故认定其抗拔承载力约为450 kN。

当振冲系泊桩桩顶位移为0.1 m时，地基土体最大应力发生在桩底土体处，最大应力为89.2 kN，地基土体最大位移发生在桩扩底部分土体，最大变形达167.7 mm。桩体最大应力发生在桩身扩底处，这主要是由扩底部分阻碍桩体上拔引起的，最大应力为792 kN。地基土体塑性区由扩大头底部逐渐向四周发展，其扩展的方向基本沿扩底锥面的法线方向，达极限荷载时，塑性区并没有发展到上部。根据计算可知扩大头端阻力所担负的总上拔荷载中的百分比也是随上拔位移量而逐渐增加的，可知扩大头端阻力是桩体极限抗拔承载力的决定因素。

5.3 振冲系泊桩与圆柱桩荷载传递差异振冲系泊桩在上拔过程中，由于扩大头上移挤压土体，土对其有反作用力，即上拔端阻力，首先由扩大头的端阻力提供桩身抗拔承载力，随着上拔量的增加，由桩身侧摩阻力和扩大头的端阻力共同提供抗拔承载力，当桩侧摩阻力达到其峰值以后，扩大头的抗拔阻力还要继续增长，直到桩上拔位移量达到相当大时，才可能因为土体整体拉裂破坏或向上滑移而失去稳定。因此扩大头的抗拔阻力所担负的总上拔荷载中的百分比也随着上拔位移的增大而逐渐增加，桩体接近破坏荷载时，扩大头阻力往往起决定因素。

圆柱桩受上拔荷载时，桩身拉应力开始产生在桩的顶部，随着桩顶向上位移增加，桩身拉应力逐渐向下部扩展，当桩顶部的桩土相对滑移量达到某一定值时，通常小于6 mm～10 mm，该界面摩阻力已经发挥其极限值，但桩下部侧摩阻力还没有充分发挥，随着荷载增加，发生侧摩阻力峰值的桩土界面不断往下移动，当达到一定荷载水平时，桩下部侧摩阻力得到充分发挥，引起抗拔力增加的速度等于桩上部由于过大位移而产生的总侧摩阻力的降低速率时，整个桩身侧摩阻力也已经达到峰值，其后桩的抗拔总阻力就将逐渐下降。桩土间表现为摩擦阻力，土与土之间表现为剪切应力。

圆柱桩荷载位移曲线有明显的转折点，甚至有峰值后强度降低的现象。与之相反，振冲系泊桩的荷载位移曲线，在相当大的上拔位移变幅内，上拔力不断上升，除非桩周土体彻底滑移破坏。

5.4 振冲系泊桩抗拔机理综合抗拔静载试验以及有限元计算的抗拔承载特点，可知：

在振冲系泊桩桩顶施加荷载的最初，振冲系泊桩的桩周侧摩阻力与端阻力共同发展，此时的桩顶上拔量主要由桩身的弹性变形引起，随着桩顶位移量的增大，桩身侧摩阻力随之增大并先达到极限；此后，继续在桩顶增加竖直向上的荷载，振冲系泊桩的桩周侧摩阻力几乎不再增长，而桩端扩大头上移挤压土，土对它的反作用力一般也是随着上拔位移的增加而逐渐增加的，端阻力开始发挥、逐渐增大，桩顶荷载的增量几乎完全由桩端扩大头的端阻力承担，桩顶的上拔量的增量几乎全部由桩端扩大头压缩其上方的土体而产生的位移组成；当桩端扩大头的端阻力达到极限时，整根振冲系泊桩将达到承载极限；继续加载，振冲系泊桩的承载力不再增加，直到桩上拔位移量达到相当大时，桩身因桩周土体整体破裂而失去稳定。

这表明在荷载的传递过程中，桩侧摩阻力和桩头端阻力共同提供抗拔力，随着荷载的增加及时间的推移，桩身侧摩阻力和端阻力不断发挥，同时振冲系泊桩的抗拔承载力以及所对应的上拔位移量由土质、土层埋藏条件以及桩形（尤其是桩扩大头顶部的形状和扩大头直径）等而异。

此外，在扩大头顶部以上一段桩杆侧壁上因扩大头顶托而不能发挥出桩土相对位移而引起的侧摩阻力。在一定的桩形条件下，扩大头的上移促使桩表面较早地出现环向裂缝和浅部的桩土脱开现象。带扩大头的扩底桩其抗拔承载力随扩头直径的增加而迅速增大。振冲系泊桩在很大的上拔位移量变化幅度内，上拔阻力随上拔位移量持续不断地增加，呈现所谓的“有后劲”的现象，振冲系泊桩一般在小位移时不易达到其上拔阻力的峰值。