开口钢管桩自由入泥深度的计算方法技术

本发明专利技术涉及一种开口钢管桩自由入泥深度的计算方法，包括下列步骤：计算钢管桩的自重；计算桩基入泥前桩端位于泥面处所受的浮力；假设钢管桩在自重作用下入土深度h及桩端所在土层；计算钢管桩在静载下单位面积上的桩侧摩阻力和桩端阻力；计算钢管桩的入泥深度h时的速度v；计算钢管桩的自由入泥深度；根据锤型参数得到锤的自重；判断钢管桩完成自沉后，在锤重作用下是否会继续下沉；计算钢管桩在桩重和锤重共同作用下的入泥深度。重共同作用下的入泥深度。重共同作用下的入泥深度。

【技术实现步骤摘要】
开口钢管桩自由入泥深度的计算方法


[0001]本专利技术涉及一种海洋工程中钢管桩的自由入泥深度的分析，特别是确定一种海上大直径开口钢管桩自由入泥深度的计算方法。

技术介绍

[0002]钢管桩基础是海洋工程结构物和海洋平台的主要基础形式之一，海洋工程中的钢管桩基础，在吊装直立就位后，在自重的作用下会贯入土体一定深度。此时的钢管桩属于悬臂结构，在放置打桩锤后需要验算桩在锤重作用下的稳定性，即桩的自由站立稳定性。若桩基自由入泥深度较小，导致泥面以上桩长较大，过大的长细比会造成桩基发生屈曲破坏，对钢管桩施工安全性具有重要的影响。
[0003]此外，随着海洋工程规模的日益增加，对钢管桩基础的承载力要求也随之增大。特别是在海上风电场的建设中，随着风机单机容量和建设水深的增大，所采用的钢管桩基础直径达到了10m，而采用的桩锤重量也达到了700t。钢管桩的重量以及锤重的增加有可能在自由入泥阶段就导致溜桩的发生，而意外溜桩有可能导致施工机械的损毁甚至是人员的伤亡。由此可见，准确确定钢管桩基础自由入泥深度，是保证桩基安全、顺利安装的重要保证。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种能够准确计算大直径开口钢管桩在自重作用下贯入土体深度以及管桩在自重作用以及锤重共同作用下贯入土体深度的方法。技术方案如下：
[0005]一种开口钢管桩自由入泥深度的计算方法，包括下列步骤：
[0006]1)通过钢管桩的设计参数计算钢管桩的自重W
p
；
[0007]2)由式(1)计算桩基入泥前桩端位于泥面处所受的浮力F
b
；
[0008][0009]式中：ρ
w
为场地位置海水密度；h
w
为场地位置海水深度；g为重力加速度；A(h0)为距海平面深度为h0处桩基截面面积；
[0010]3)假设钢管桩在自重作用下入土深度为h，桩端位于由上至下的第i层土；
[0011]4)计算钢管桩在静载下单位面积上的桩侧摩阻力和桩端阻力，确定各土层的平均单位面积桩侧摩阻力f和桩端阻力q；
[0012]对于粘性土中的钢管桩桩段，单位面积所受的侧摩阻力通过式(2)计算：
[0013]f
s
＝αs
u
(2)
[0014]式中：α为无量纲系数，α≤1；s
u
为计算点处土体的不排水剪切强度；
[0015]通过式(3)计算α：
[0016][0017]式中:η为计算点处土体不排水剪切强度s
u
与有效上覆土压力P0′
的比值，
[0018]通过式(4)计算η：
[0019][0020]桩端位于粘性土层时，单位面积的桩端阻力q
u
通过式(5)计算：
[0021]q
u
＝9s
u
(5)
[0022]对于非粘性土中的钢管桩桩段，单位面积所受的侧摩阻力通过式(6)计算：
[0023]f
s
＝KP0′
tanδ(6)
[0024]式中：K侧向土压力系数；δ为桩侧壁与土体之间的摩擦角；
[0025]桩端位于非粘性土层时，单位面积的桩端阻力q
u
通过式(7)计算：
[0026]q
u
＝N
q
P
tip
′
(7)
[0027]式中：N
q
为承载力系数；P
tip
′
为桩端处有效上覆土压力；
[0028]分层土中各计算土层的平均单位侧摩阻力通过式(8)确定：
[0029][0030]式中：f为计算土层的平均单位侧摩阻力；f
top
为计算土层的层顶处单位侧摩阻力；f
bot
为计算土层层底处的单位侧摩阻力；
[0031]计算分层土中各土层的平均单位桩端阻力通过式(9)确定：
[0032][0033]式中：q为计算土层的平均单位桩端阻力；q
top
为计算土层的层顶处单位桩端阻力；q
bot
为计算土层层底处的单位桩端阻力；
[0034]5)计算钢管桩的入泥深度h时的速度v；
[0035]根据牛顿第二定律，得到控制方程式(10)：
[0036][0037]式中：m为钢管桩的质量；F
s
为钢管桩下沉过程中的土阻力；
[0038]通过式(11)计算钢管桩的土阻力F
s
；
[0039][0040]式中：A
s
为钢管桩底部环面积；N1为端阻折减系数；N2为阻力系数；N3为侧阻折减系数；ρ为桩端处土体的密度；C
a
为钢管桩的内外侧周长之和；f
i
为钢管桩在第i层土中的平均单位侧摩阻力；h
i
为钢管桩在第i层土中的桩段长度；
[0041]式(10)化简后得到式(12)：
[0042][0043]式中：A1、A2和A3为常数；
[0044]A1、A2和A3分别由式(13)、式(14)和式(15)表示：
[0045][0046][0047][0048]通过求解式(12)得到计算钢管桩入土深度为h时的速度v的式(16)：
[0049][0050]式中：C
i
为桩端在第i层土时的常数；
[0051]桩端位于第i层土时，可通过式(17)计算得到C
i
：
[0052][0053]式中：v
i,top
为桩端下沉至第i层土层顶时的速度；h
i,top
为第i层土层顶深度；
[0054]6)计算钢管桩的自由入泥深度；
[0055]根据计算精度确定深度计算步长δh1，若通过式(16)计算得到的速度v不为0时，将h+δh1赋值给h，返回步骤4)重新计算，直至计算得到的速度v＝0，此时所假设的入泥深度h即为钢管桩的自沉深度h
p
；
[0056]7)根据锤型参数得到锤的自重W
h
；
[0057]8)判断钢管桩完成自沉后，在锤重作用下是否会继续下沉：
[0058]通过步骤6)得到钢管桩在自重作用下的自由入泥深度h
p
，通过式(18)计算钢管桩完成自沉后压锤瞬间在深度h
p
所受的合力F
a
：
[0059]F
a
＝W
h
+W
p
‑
F
b
‑
F
s
(18)
[0060]若F
a
≤0，则说明此时钢管桩在锤重作用下不会继续下沉；若F
a
＞0，则说明钢管桩在压锤后会继续下沉；
[0061]9)假设钢管桩加锤后的入泥深本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种开口钢管桩自由入泥深度的计算方法，包括下列步骤：1)通过钢管桩的设计参数计算钢管桩的自重W
p
；2)由式(1)计算桩基入泥前桩端位于泥面处所受的浮力F
b
；式中：ρ
w
为场地位置海水密度；h
w
为场地位置海水深度；g为重力加速度；A(h0)为距海平面深度为h0处桩基截面面积；3)假设钢管桩在自重作用下入土深度为h，桩端位于由上至下的第i层土；4)计算钢管桩在静载下单位面积上的桩侧摩阻力和桩端阻力，确定各土层的平均单位面积桩侧摩阻力f和桩端阻力q；对于粘性土中的钢管桩桩段，单位面积所受的侧摩阻力通过式(2)计算：f
s
＝αs
u
(2)式中：α为无量纲系数，α≤1；s
u
为计算点处土体的不排水剪切强度；通过式(3)计算α：式中:η为计算点处土体不排水剪切强度s
u
与有效上覆土压力P0′
的比值，通过式(4)计算η：桩端位于粘性土层时，单位面积的桩端阻力q
u
通过式(5)计算：q
u
＝9s
u
(5)对于非粘性土中的钢管桩桩段，单位面积所受的侧摩阻力通过式(6)计算：f
s
＝KP0′
tanδ(6)式中：K侧向土压力系数；δ为桩侧壁与土体之间的摩擦角；桩端位于非粘性土层时，单位面积的桩端阻力q
u
通过式(7)计算：q
u
＝N
q
P
tip
′
(7)式中：N
q
为承载力系数；P
tip
′
为桩端处有效上覆土压力；分层土中各计算土层的平均单位侧摩阻力通过式(8)确定：式中：f为计算土层的平均单位侧摩阻力；f
top
为计算土层的层顶处单位侧摩阻力；f
bot
为计算土层层底处的单位侧摩阻力；计算分层土中各土层的平均单位桩端阻力通过式(9)确定：式中：q为计算土层的平均单位桩端阻力；q
top
为计算土层的层顶处单位桩端阻力；q
bot
为计算土层层底处的单位桩端阻力；
5)计算钢管桩的入泥深度h时的速度v；根据牛顿第二定律，得到控制方程式(10)：式中：m为钢管桩的质量；F
s
为钢管桩下沉过程中的土阻力；通过式(11)计算钢管桩的土阻力F
s
；式中：A
s
为钢管桩底部环面积；N1为端阻折减系数；N2为阻力系数；N3为侧阻折减系数；ρ为桩端处土体的密度；C
a
为钢管桩的内外侧周长之和；f
i
为钢管桩在第i层土...

【专利技术属性】
技术研发人员：李飒，沈振义，尹蒋松，谢圣杰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：