渤海灣海上動力沉樁監測及分析

李春 劉振紋 祁磊 （中國石油集團工程技術研究院 天津300451）

渤海灣海上動力沉樁監測及分析

李春 劉振紋 祁磊 （中國石油集團工程技術研究院 天津300451）

PDA（動態打樁分析儀）系統是由美國PDI（美國樁基動力公司）公司研制的專用于樁基施工數據信號采集和處理的設備，它采用了Case計算方法和專用傳感器。這套設備在海上打樁作業應用較少，介紹了使用動態打樁分析儀在渤海灣遼河灘海油田海上打樁作業中的應用，評估了停錘復打時樁的阻力。

導管架平臺 海上打樁 動態打樁分析儀 凱斯法

導管架平臺是渤海灣油氣田開發工程中應用最為廣泛的一種海洋平臺，由上部甲扳、下部導管架和穿過導管架腿柱并打入海底的鋼管樁組成。導管架平臺樁基礎最常用的是開口鋼管樁，通常采用柴油、蒸汽或液壓為動力的沖擊錘將鋼樁打入海底，海上打樁作業流程如圖1所示。

圖1 導管架平臺海上打樁作業程序

海上打樁是導管架平臺建設中的重要環節，打樁的質量會直接影響導管架平臺的安全。受到地質條件勘察數據誤差、海上惡劣天氣、潮汐、船只調度配合等方面影響，經常造成打樁過程中的停錘，停錘期間土體強度恢復，造成續打困難甚至拒錘，對海上作業造成非常嚴重的影響。

美國樁基動力公司（PDI）生產的PDA打樁分析系統，通過監測樁身某一位置應變和加速度的變化，運用波動方程法分析得出每一錘的打樁能量、樁身拉壓應力、極限承載力以及樁身完整性等信息，幫助合理安排海上打樁作業施工，確保沉樁過程安全、可控。[1]

1 PDA系統組成

中國石油集團海洋工程重點實驗室引進了PAX-4型打樁分析儀。該設備由主機、無線智能傳感器盒、無線智能傳感器、配套軟件及線纜組成，如圖2所示。主機尺寸150 mm×220 mm×290 mm，重量為5 kg，可在0～40℃的溫度下工作；有4個通道，即2個應變傳感器通道和2個加速度傳感器通道；傳感器信號數字化記錄，數據長度1 k、2 k或4 k；具有自動信號調零和信號調節功能，可自動觸發任何一個已安裝的傳感器；錘擊信號可保存并隨后從內存中回放，主機與傳感器之間通過無線技術實現連接。

圖2 PAX-4型PDA系統

2 PDA系統的應用

2.1 工程概況

渤海灣遼河灘海油田區塊所處海域海底土大致可分為5層，土層特性如表1所示。樁長39.8 m，分兩節，如圖3所示。第一節長21 m，其中切割余量1 m；第二節長20.8 m，其中切割余量1 m，樁徑850 mm，壁厚36 mm。首先采用振動錘將樁打入到一定入泥深度，再用沖擊錘將樁打入到設計位置。

表1 渤海灣遼河灘海油田區塊海底土層分布表

2.2 傳感器的安裝

海上打樁施工風險高，要采取嚴格且完善的措施確保施工人員和設備安全。考慮在打樁過程中避免樁錘對傳感器造成損傷，無線傳感器安裝在距離樁頂3.12 m的位置，加速度傳感器和應變傳感器之間的距離為83 mm，如圖4所示。為了不影響海上打樁作業的進行，需要減少在現場安裝傳感器的時間。傳感器安裝孔位置的確定以及傳感器支架的焊接完全在輔助船上完成，等待接樁工作完成后，再由技術人員乘坐吊籠到鋼樁頂部完成傳感器的安裝和線路的連接。

圖3 渤海灣遼河灘海油田區塊用樁

打樁采用的是D128柴油錘，樁錘重54 t，上活塞重12.8 t，每次最大打擊能量426.5 kJ，打擊次數45次/min，如圖5所示。

圖5 D128柴油沖擊錘

2.3 打樁過程監測

PAX-4型打樁分析儀具有無線數據采集功能。將主機的位置選擇在空曠無遮擋且距離傳感器100 m距離之內即可采集到信號。在實測過程中，對于一根樁，記錄了10錘完整的波型信號。打樁過程中D128柴油樁錘采用2檔，錘擊力在220～230 t，實測錘擊力212 t。實測單樁承載力3 207 kN，樁身最大拉應力55.1 MPa，如圖6所示。通過對錘擊力、單樁承載能力、樁身應力等參數的監測，為打樁施工作業提供了及時的數據支持。

3 動態監測結果分析

PDA系統是一套基于Case法的專用數據信號采集處理系統，系統使用了專門的Case法計算公式。此外，系統配備了基于Case法的計算軟件CAPWAP，可用于打樁過程的詳細分析。

圖6 動態打樁檢測儀現場采集數據

3.1 Case法基本原理

Case法從行波理論出發，導出了一整套簡潔的分析計算公式，通過PDA系統能夠在打樁現場立即得到關于承載力、錘擊能量、樁身應力和樁身質量等許多分析結果。Case法的優點就是具有較強的實時分析功能。Case法是以確定單樁極限承載力為主的一種高應變動力試樁方法，它把樁體作為連續的彈性桿件，根據實測到的樁體上部某截面的應變和加速度時程曲線,經過一定的簡化，并引進其他有關參數，由式1～3確定單樁的極限承載力：[2]

Rc——Case法確定的單樁極限承載力；Jc——Case法阻尼系數；F——某時刻測點處實測的錘擊力；t1——速度第一峰對應的時刻；t2——速度第二峰對應的時刻；F（t1）——t1時刻測點處實測的錘擊力；F（t2）——t2時刻測點處實測的錘擊力；V（t1）——t1時刻測點處實測的速度；V（t2）——t2時刻測點處實測的速度；Z——樁身截面力學阻抗；A——樁身截面積；E——樁彈性模量；L——測點以下樁長；C樁身應力波速度。

3.2 CAPWAP法基本原理

CAPWAP方法以行波理論為基礎，以實測樁頂力的時程曲線或速度時程曲線作為輸入數據，通過不斷修改樁土模型參數，求解波動方程，直至計算得到的速度時程曲線（或力時程曲線）和實測速度時程曲線（或力時程曲線）的吻合程度滿足要求，從而得到單樁承載力、樁身應力等分析結果。程序計算過程如圖7所示。[3]

3.3 監測結果分析

本次打樁動態監測了包括錘擊力、樁身應力、土阻力等信息，獲取的數據如表2所示。通過監測可知，樁錘傳遞給樁的能量未超過樁錘額定能量（526.5×40%=210.6 kJ），且樁身拉應力未超過普通鋼材抗拉強度，打樁過程可以順利進行。

圖7 CAPWAP程序計算框圖

使用CAPWAP程序對每次錘擊進行了分析，得出JC值，可用于Case法對樁基承載力的評估。通過分析給出的結果如圖8所示。

表2 A2樁樁錘能量表

圖8 分析結果的輸出

3.4 停錘復打阻力評估

根據經驗公式4～5可計算出打樁間斷不同時間土的總阻力：

其中，Qt為時刻樁的承載能力，QEOD為打樁完成時的瞬時承載能力，通過動態監測得到。計算得到打樁間斷一段時間后土阻力的恢復如圖9所示。

柴油樁錘傳遞給樁的能量完全用來克服沉樁阻力而做功，如式6。

其中S為貫入度，E為樁錘傳遞給樁的能量，可以通過動態監測得到。可以計算得出貫入度S為30 cm時所需的錘擊能量，進而計算出錘擊數，如圖10所示。取打樁完成時的瞬時承載力為2 769 kN，打樁間斷時間5 d后，重新開始打樁，每0.3 m的錘擊數為14錘，遠小于規范對拒錘的規定，不會發生打樁困難。

4 總結

本文介紹了在遼河灘海油田海上動力沉樁過程中使用打樁分析儀進行動態監測的過程，并對監測結果進行了分析。在打樁過程中，PDA能監視到每一錘的打樁能量、樁身拉壓應力、貫入度、極限承載力以及樁身完整性等信息。通過這些信息就能了解到整個打樁過程的沉樁情況。海上打樁作業風險高，施工過程容易受到海底地層條件、潮汐、天氣以及周圍其他作業的影響，采用PDA對海上打樁進行動態監測，可有效地為打樁施工提供及時準確的數據支持。打樁間斷一段時間后，土體強度得到提高，通過了對停錘復打時樁阻力的評估。打樁間斷5天后，重新打樁時貫入0.3 m所需錘擊數約為14錘，沒有超過規范對拒錘的規定（300錘/0.3 m），不會發生拒錘。■

圖9 打樁間斷期間土體強度的恢復

圖10 打樁間斷一段時間后重新打樁所需錘擊數

[1]潘學光，固定平臺打樁的動應力監測[J].中國科技縱橫，2010（5）：25.

[2]JTJ249-2001.港口工程樁基動力檢測規程[S].

[3]徐攸在.樁的動測新技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2002.

2011-09-06