一种管桩沉桩过程中闭塞状态判断方法与流程

1.本发明属于基工程领域，尤其涉及一种管桩沉桩过程中闭塞状态判断方法。


背景技术：

2.开口管桩具有抗冲击、易打入、施工简单、竖向承载力强等优点，随着港口、码头等近海区域建设的蓬勃发展，开口管桩的应用愈加广泛，其承载机理与多种因素有关，比闭口桩复杂很多。开口管桩在沉桩过程中，土体受到桩端的挤压，一部分土体进入管桩内部形成土塞，产生土塞效应。管桩土塞效应对承载力有重要影响，土塞高度变化是反映土塞性状的重要指标，因此需要对沉桩过程中闭塞状态进行判断。
3.现有是基于实测法确定闭塞状态，即在打桩过程中观测桩的入土深度与土芯增长的关系，如果桩的入土深度继续增加而土芯停止增长表示土芯已闭塞，反之亦然。实测法观测成本较大，且容易出现误判。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种管桩沉桩过程中闭塞状态判断方法，可以用于判断管桩在沉桩至任意深度时桩内土塞的闭塞程度。
5.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
6.一种管桩沉桩过程中闭塞状态判断方法，包括：管桩沉桩过程中土塞受到向下的重力g、桩向下的摩擦力f和土塞底面土层向上的支持力n的共同作用，由于土塞的重力g相对于摩擦力f和支持力n较小，在这里忽略不计；
7.其中摩擦力f的计算方法如下，假设管桩内壁摩阻力沿桩长呈三角形分布，管桩入土深度范围有n层土，每层土的厚度分别为h1、h2、
…
、hn，注意hn表示桩进入第n层土的深度，重度分别为γ1、γ2、
…
、γn，管桩内径为r，每层土的土塞与管桩内壁的摩擦系数为μ1、μ2、
…
、μn，每层土的侧向压力系数为k1、k2、
…
、kn，则
[0008][0009]
其中支持力n的计算方法如下，n与土塞底面土层及土塞横截面积有关，第n层土的极限端阻力标准值为qn，则
[0010]
n＝πr2qn[0011]
管桩土塞的拱效应破坏机理为土拱内部的剪切力达到抗剪强度最大值后，拱结构发生剪切破坏，当土体内部的剪切应力达到抗剪强度时，土塞底部土层对土塞的临界作用力为n0，当n》n0时，土拱发生破坏；
[0012]
土塞底部土层对土塞的临界作用力n0与土层性质、土塞高度和管桩内径有关，对于单层土采用太沙基承载力公式进行计算得到数值，对于多层土可采用专业数值软件工况模拟得到具体数值；
[0013]
假定管桩在沉桩过程中桩外土层高度变化忽略不计，通过比较摩擦力f、支持力n
以及土塞底部土层对土塞的临界作用力n0，将管桩沉桩时的闭塞效应发挥过程分为3个状态：未闭塞状态，部分闭塞状态，完全闭塞状态；
[0014]
(1)当n》n0≥f时，属于未闭塞状态，此时处于打桩开始阶段，闭塞效应尚未发挥，桩入土深度较小，沉桩时对土塞的向下摩擦力f较小。因为n》f，土拱平衡状态被打破，桩内土向上涌出，使桩内外土层高度一致，或桩内土塞顶面略高于桩外土层；
[0015]
(2)当n》f》n0时，属于部分闭塞状态，随着沉桩过程的不断进行，n0与f同时增大，f增大的速率比n0快，但比n小，此时闭塞效应开始发挥作用，桩内土塞顶面低于桩外土层，土拱的平衡状态整体不会被打破，只会出现局部破坏；
[0016]
(3)当f》n≥n0时，属于完全闭塞状态，沉桩继续进行，管桩摩阻力比土塞底部土层提供的最大支持力还大，此时土拱的平衡状态完全不会被破坏出现完全闭塞现象，桩内土塞高度不会发生变化，土塞像“瓶塞”一样阻止土体继续涌入桩内，开口桩就像闭口桩一样贯入土中。
[0017]
优选的，在上述的管桩沉桩过程中闭塞状态判断方法中，所述对于单层土采用太沙基承载力公式进行计算得到数值包括：
[0018]
其中摩擦力f的计算方法如下，假设管桩内壁摩阻力f(z)沿桩长呈三角形分布，所述管桩内壁摩阻力f(z)表示管桩内壁在深度z处径向单位面积所受的摩擦阻力；管桩内壁摩阻力f(z)与其上层土塞自重应力γz呈正比，土塞与管桩内壁的摩擦系数为μ，土的侧向压力系数为k，则摩擦力f的计算公式为
[0019]
f(z)＝μγkz
[0020][0021]
其中支持力n的计算方法如下，当土塞刚好达到受力平衡状态时，支持力n等于土塞底部土层对土塞的临界作用力n0，土塞底部土层对土塞的临界作用力n0能够利用太沙基承载力计算理论求得，将土塞简化为圆形基础，根据太沙基的建议，在除软黏土和松砂外的土质中有
[0022]
q＝1.2cnc+γlnq+0.6γrn
γ
[0023]
其中c为土的粘聚力，为土的内摩擦角，l为管桩入土深度，
[0024][0025][0026][0027]
在软黏土和松砂中，发生的是局部剪切破坏而不是整体剪切破坏，对于局部剪切破坏，太沙基建议采用如下经验方法调整抗剪强度指标c和
[0028][0029]
[0030]
因此，有太沙基承载力公式为
[0031][0032]
其中，nc、nq、n
γ
为无量纲承载力因数，nc、nq、n
γ
通过根据上面公式一、公式二以及公式三求得；nc′
、nq′
、n
γ
′
为局部剪切破坏而调整的无量纲承载力因数，nc′
、nq′
、n
γ
′
根据上面公式一、公式二以及公式三求得，且公式一、公式二以及公式三中的调整为
[0033]
优选的，在上述的管桩沉桩过程中闭塞状态判断方法中，土重度γ、管桩内径r、土的侧向压力系数为k、土塞与管桩内壁的摩擦系数μ、土的粘聚力c、土的内摩擦角以及管桩入土深度l，通过直接测量的或者从勘察报告中获得。
[0034]
由以上公开的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0035]
综上所述，本发明提供的一种管桩沉桩过程中闭塞状态判断方法，管桩沉桩过程中土塞受到向下的重力g、桩向下的摩擦力f和土塞底面土层向上的支持力n的共同作用，由于土塞的重力g相对于摩擦力f和支持力n较小，在这里忽略不计；通过获取并比较摩擦力f、支持力n以及土塞底部土层对土塞的临界作用力n0，将管桩沉桩时的闭塞效应发挥过程分为3个状态：未闭塞状态，部分闭塞状态，完全闭塞状态；当n》n0≥f时，属于未闭塞状态；当n》f》n0时，属于部分闭塞状态；当f》n≥n0时，属于完全闭塞状态；本发明不需要对闭塞状态进行实测，成本较低，只需进行简单计算就能得到结果，且本发明用到的参数都可从勘察报告中获得。
附图说明
[0036]
图1是管桩沉桩过程中土塞的受力示意图。
[0037]
图中：1-管桩、2-土塞。
具体实施方式
[0038]
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。以下将由所列举之实施例结合附图，详细说明本发明的技术内容及特征。需另外说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不能成为本发明技术方案的限制。
[0039]
请参阅图1，本实施例公开了一种管桩沉桩过程中闭塞状态判断方法，包括：管桩1沉桩过程中土塞2受到向下的重力g、桩向下的摩擦力f和土塞底面土层向上的支持力n的共同作用，由于土塞的重力g相对于摩擦力f和支持力n较小，在这里忽略不计；
[0040]
其中摩擦力f的计算方法如下，假设管桩内壁摩阻力沿桩长呈三角形分布，管桩入土深度范围有n层土，每层土的厚度分别为h1、h2、
…
、hn，注意hn表示桩进入第n层土的深度，重度分别为γ1、γ2、
…
、γn，管桩内径为r，每层土的土塞与管桩内壁的摩擦系数为μ1、μ2、
…
、μn，每层土的侧向压力系数为k1、k2、
…
、kn，则
[0041]
[0042]
其中支持力n的计算方法如下，n与土塞底面土层及土塞横截面积有关，第n层土的极限端阻力标准值为qn，则
[0043]
n＝πr2qn[0044]
管桩土塞的拱效应破坏机理为土拱内部的剪切力达到抗剪强度最大值后，拱结构发生剪切破坏，当土体内部的剪切应力达到抗剪强度时，土塞底部土层对土塞的临界作用力为n0，当n》n0时，土拱发生破坏；
[0045]
土塞底部土层对土塞的临界作用力n0与土层性质、土塞高度和管桩内径有关，对于单层土采用太沙基承载力公式进行计算得到数值，对于多层土可采用专业数值软件工况模拟得到具体数值；
[0046]
假定管桩在沉桩过程中桩外土层高度变化忽略不计，通过比较摩擦力f、支持力n以及土塞底部土层对土塞的临界作用力n0，将管桩沉桩时的闭塞效应发挥过程分为3个状态：未闭塞状态，部分闭塞状态，完全闭塞状态；
[0047]
(1)当n》n0≥f时，属于未闭塞状态，此时处于打桩开始阶段，闭塞效应尚未发挥，桩入土深度较小，沉桩时对土塞的向下摩擦力f较小。因为n》f，土拱平衡状态被打破，桩内土向上涌出，使桩内外土层高度一致，或桩内土塞顶面略高于桩外土层；
[0048]
(2)当n》f》n0时，属于部分闭塞状态，随着沉桩过程的不断进行，n0与f同时增大，f增大的速率比n0快，但比n小，此时闭塞效应开始发挥作用，桩内土塞顶面低于桩外土层，土拱的平衡状态整体不会被打破，只会出现局部破坏；
[0049]
(3)当f》n≥n0时，属于完全闭塞状态，沉桩继续进行，管桩摩阻力比土塞底部土层提供的最大支持力还大，此时土拱的平衡状态完全不会被破坏出现完全闭塞现象，桩内土塞高度不会发生变化，土塞像“瓶塞”一样阻止土体继续涌入桩内，开口桩就像闭口桩一样贯入土中。
[0050]
本发明提供了一种管桩沉桩过程中闭塞状态判断方法，包括管桩沉桩过程中土塞受到向下的重力g、桩向下的摩擦力f和土塞底面土层向上的支持力n的共同作用，由于土塞的重力g相对于摩擦力f和支持力n较小，在这里忽略不计；通过获取并比较摩擦力f、支持力n以及土塞底部土层对土塞的临界作用力n0，将管桩沉桩时的闭塞效应发挥过程分为3个状态：未闭塞状态，部分闭塞状态，完全闭塞状态；当n》n0≥f时，属于未闭塞状态；当n》f》n0时，属于部分闭塞状态；当f》n≥n0时，属于完全闭塞状态；本发明不需要对闭塞状态进行实测，成本较低，只需进行简单计算就能得到结果，且本发明用到的参数都可从勘察报告中获得。
[0051]
优选的，在上述的管桩沉桩过程中闭塞状态判断方法中，所述对于单层土采用太沙基承载力公式进行计算得到数值包括：
[0052]
管桩沉桩过程中土塞受到向下的重力g、桩向下的摩擦力f和土塞底面土层向上的支持力n的共同作用，由于土塞的重力g相对于摩擦力f和支持力较小n，在这里忽略不计；
[0053]
其中摩擦力f的计算方法如下，假设管桩内壁摩阻力f(z)沿桩长呈三角形分布，所述管桩内壁摩阻力f(z)表示管桩内壁在深度z处径向单位面积所受的摩擦阻力；管桩内壁摩阻力f(z)与其上层土塞自重应力γz呈正比，土塞与管桩内壁的摩擦系数为μ，土的侧向压力系数为k，则摩擦力f的计算公式为
[0054]
f(z)＝μγkz
[0055][0056]
其中支持力n的计算方法如下，当土塞刚好达到受力平衡状态时，支持力n等于土塞底部土层对土塞的临界作用力n0，土塞底部土层对土塞的临界作用力n0能够利用太沙基承载力计算理论求得，将土塞简化为圆形基础，根据太沙基的建议，在除软黏土和松砂外的土质中有
[0057]
q＝1.2cnc+γlnq+0.6γrn
γ
[0058]
其中c为土的粘聚力，为土的内摩擦角，l为管桩入土深度，
[0059][0060][0061][0062]
在软黏土和松砂中，发生的是局部剪切破坏而不是整体剪切破坏，对于局部剪切破坏，太沙基建议采用如下经验方法调整抗剪强度指标c和
[0063][0064][0065]
因此，有太沙基承载力公式为
[0066][0067]
其中，nc、nq、n
γ
为无量纲承载力因数，nc、nq、n
γ
通过根据上面公式一、公式二以及公式三求得；nc′
、nq′
、n
γ
′
为局部剪切破坏而调整的无量纲承载力因数，nc′
、nq′
、n
γ
′
根据上面公式一、公式二以及公式三求得，且公式一、公式二以及公式三中的调整为nc、nq、n
γ
和nc′
、nq′
、n
γ
′
采用相同的公式求得，不同的是nc′
、nq′
、n
γ
′
在计算时取值通过上述方式调整为
[0068]
优选的，在上述的管桩沉桩过程中闭塞状态判断方法中，土重度γ、管桩内径r、土的侧向压力系数为k、土塞与管桩内壁的摩擦系数μ、土的粘聚力c、土的内摩擦角以及管桩入土深度l，通过直接测量的或者从勘察报告中获得。
[0069]
本实施例中，如图1所示，本实施例就具体算例对一种管桩沉桩过程中闭塞状态判断方法进行详细说明。
[0070]
假设某一工程管桩沉桩过程中，桩内径0.3m，桩端入土深度为26m，三层土，土层具体参数见下表(c、表示土层的粘聚力和内摩擦角，数值模拟时需用到)：
[0071][0072]
计算得到：
[0073]
n＝πr2qn＝282.6kn
[0074]
假设桩内外土层分布一致，通过有限元建模计算，当土塞底部施加872kn/m2的均布荷载时，土塞的拱结构破坏，此时
[0075]
n0＝πr2q＝246.43kn
[0076]
计算得到n》n0》f，属于未闭塞状态。
[0077]
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

技术特征：
1.一种管桩沉桩过程中闭塞状态判断方法，其特征在于，包括：管桩沉桩过程中土塞受到向下的重力g、桩向下的摩擦力f和土塞底面土层向上的支持力n的共同作用，由于土塞的重力g相对于摩擦力f和支持力n较小，在这里忽略不计；其中摩擦力f的计算方法如下，假设管桩内壁摩阻力沿桩长呈三角形分布，管桩入土深度范围有n层土，每层土的厚度分别为h1、h2、
…
、h
n
，注意h
n
表示桩进入第n层土的深度，重度分别为γ1、γ2、
…
、γ
n
，管桩内径为r，每层土的土塞与管桩内壁的摩擦系数为μ1、μ2、
…
、μ
n
，每层土的侧向压力系数为k1、k2、
…
、k
n
，则其中支持力n的计算方法如下，n与土塞底面土层及土塞横截面积有关，第n层土的极限端阻力标准值为q
n
，则n＝πr2q
n
管桩土塞的拱效应破坏机理为土拱内部的剪切力达到抗剪强度最大值后，拱结构发生剪切破坏，当土体内部的剪切应力达到抗剪强度时，土塞底部土层对土塞的临界作用力为n0，当n>n0时，土拱发生破坏；土塞底部土层对土塞的临界作用力n0与土层性质、土塞高度和管桩内径有关，对于单层土采用太沙基承载力公式进行计算得到数值，对于多层土可采用专业数值软件工况模拟得到具体数值；假定管桩在沉桩过程中桩外土层高度变化忽略不计，通过比较摩擦力f、支持力n以及土塞底部土层对土塞的临界作用力n0，将管桩沉桩时的闭塞效应发挥过程分为3个状态：未闭塞状态，部分闭塞状态，完全闭塞状态；(1)当n>n0≥f时，属于未闭塞状态，此时处于打桩开始阶段，闭塞效应尚未发挥，桩入土深度较小，沉桩时对土塞的向下摩擦力f较小。因为n>f，土拱平衡状态被打破，桩内土向上涌出，使桩内外土层高度一致，或桩内土塞顶面略高于桩外土层；(2)当n>f>n0时，属于部分闭塞状态，随着沉桩过程的不断进行，n0与f同时增大，f增大的速率比n0快，但比n小，此时闭塞效应开始发挥作用，桩内土塞顶面低于桩外土层，土拱的平衡状态整体不会被打破，只会出现局部破坏；(3)当f>n≥n0时，属于完全闭塞状态，沉桩继续进行，管桩摩阻力比土塞底部土层提供的最大支持力还大，此时土拱的平衡状态完全不会被破坏出现完全闭塞现象，桩内土塞高度不会发生变化，土塞像“瓶塞”一样阻止土体继续涌入桩内，开口桩就像闭口桩一样贯入土中。2.如权利要求1所述的管桩沉桩过程中闭塞状态判断方法，其特征在于，所述对于单层土采用太沙基承载力公式进行计算得到数值包括：其中摩擦力f的计算方法如下，假设管桩内壁摩阻力f(z)沿桩长呈三角形分布，所述管桩内壁摩阻力f(z)表示管桩内壁在深度z处径向单位面积所受的摩擦阻力；管桩内壁摩阻力f(z)与其上层土塞自重应力γz呈正比，土塞与管桩内壁的摩擦系数为μ，土的侧向压力系数为k，则摩擦力f的计算公式为f(z)＝μγkz
其中支持力n的计算方法如下，当土塞刚好达到受力平衡状态时，支持力n等于土塞底部土层对土塞的临界作用力n0，土塞底部土层对土塞的临界作用力n0能够利用太沙基承载力计算理论求得，将土塞简化为圆形基础，根据太沙基的建议，在除软黏土和松砂外的土质中有q＝1.2cn
c
+γln
q
+0.6γrn
γ
其中c为土的粘聚力，为土的内摩擦角，l为管桩入土深度，为土的内摩擦角，l为管桩入土深度，为土的内摩擦角，l为管桩入土深度，在软黏土和松砂中，发生的是局部剪切破坏而不是整体剪切破坏，对于局部剪切破坏，太沙基建议采用如下经验方法调整抗剪强度指标c和太沙基建议采用如下经验方法调整抗剪强度指标c和太沙基建议采用如下经验方法调整抗剪强度指标c和因此，有太沙基承载力公式为其中，n
c
、n
q
、n
γ
为无量纲承载力因数，n
c
、n
q
、n
γ
通过根据上面公式一、公式二以及公式三求得；n
c
′
、n
q
′
、n
γ
′
为局部剪切破坏而调整的无量纲承载力因数，n
c
′
、n
q
′
、n
γ
′
根据上面公式一、公式二以及公式三求得，且公式一、公式二以及公式三中的调整为3.如权利要求1所述的管桩沉桩过程中闭塞状态判断方法，其特征在于，其中，土重度γ、管桩内径r、土的侧向压力系数为k、土塞与管桩内壁的摩擦系数μ、土的粘聚力c、土的内摩擦角以及管桩入土深度l，通过直接测量的或者从勘察报告中获得。

技术总结
本发明提供了一种管桩沉桩过程中闭塞状态判断方法，包括管桩沉桩过程中土塞受到向下的重力G、桩向下的摩擦力F和土塞底面土层向上的支持力N的共同作用，由于土塞的重力G相对于摩擦力F和支持力N较小，在这里忽略不计；通过获取并比较摩擦力F、支持力N以及土塞底部土层对土塞的临界作用力N0，将管桩沉桩时的闭塞效应发挥过程分为3个状态：未闭塞状态，部分闭塞状态，完全闭塞状态；当N>N0≥F时，属于未闭塞状态；当N>F>N0时，属于部分闭塞状态；当F>N≥N0时，属于完全闭塞状态；本发明不需要对闭塞状态进行实测，成本较低，只需进行简单计算就能得到结果，且本发明用到的参数都可从勘察报告中获得。告中获得。告中获得。


技术研发人员：李晓密 母亚川 陈峰军 程子聪 沈蓉 王健 施柳盛
受保护的技术使用者：东莞市水利勘测设计院有限公司
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/8/24