海洋平臺鋼樁可打入性研究

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(海洋石油工程股份有限公司,天津 300452)

樁基礎在海洋工程中得到廣泛的應用，其中固定式鋼質平臺基本上全是應用鋼樁固定，深海浮式平臺中錨系結構的固定也大部分采用了鋼樁。隨著科技的進步與發展，海洋平臺也向大型集成化、深水方向發展，其結果必然對樁基的要求更加苛刻，因此鋼樁也向大直徑、超深入泥方向變化。這也將導致在施工過程中會發生溜樁、拒錘等現象的發生。因此，根據鋼樁尺寸、地質勘探資料及選取的樁錘進行合理準確地預測鋼樁的可打入性，以使得即將進行的整個打樁工程更加科學、合理，使打樁工程中可能會碰到的主要問題在打樁之前就得到解決，避免事故的發生，減少工程經濟損失。龔維明等人對鋼管樁的可打入性進行了分析研究，分析了開口鋼管樁的閉塞效應、沉樁阻力、群樁相互作用問題，提出了打樁順序等建議[1]。文中結合具體的工程實例，利用波動理論對開口樁進行可打入性分析，并對樁的貫入穩定性進行校核。

1 理論基礎

目前對樁的可打入分析除了用經驗工程估算外，還必須采用波動方程數值分析法。國內外一些學者采用波動方程數值分析法對動力沉樁中眾多影響因素進行了系統的分析，進而對樁-錘-土系統有了更清楚的認識。美國樁基動力學公司開發的用于打樁分析的波動方程分析軟件GRL WEAP可用于分析樁的打入可能性、預測單樁承載力、樁身受到的拉壓應力等。在動力打樁和測試過程中，一次錘擊樁頂的擾動作用認為是在樁體中作用入射波。由于樁體不連續和樁周土的相互作用，因此，就產生了與入射波反向傳播的反射波。入射波、反射波以及接下來的反射作用在整個樁體中相互影響。GRL WEAP程序以一維波動理論為基礎，采用數值方法模擬該過程。

1.1 一維波動理論

考慮沒有內部阻尼和土體相互作用的柱形桿，見圖1。

圖1 一端加載的柱形桿

桿的質量密度為ρ，橫截面積為A，彈性模量為E。在桿頂作用一荷載F(t)，桿中一微小部分dx的運動方程為

(1)

式中:x——the Lagrangian坐標;

u——軸向位移;

t——時間。

力F可由應變ε表示如下。

(2)

由方程(1)和方程(2)，得

(3)

或

(4)

式中：c——波的傳播速度，

(5)

方程(4)的通解可用下面方程表示為

u=u↓(x-ct)+u↑(x+ct)

(6)

該通解由兩個行波組成，其傳播速度都為c，但傳播方向相反。波沿特征線(x±ct)傳播，而且u↓和u↑的值是常數，可由邊界條件確定。

對于質點速度v和軸力F，可導出下列方程。

(7)

(8)

式中:v↓ 和F↓僅是(x-ct) 的函數;v↑和F↑也僅是(x+ct)的函數。在一般情況下，樁身任意截面上的速度和軸力都是上行波和下行波的疊加的結果。

由式(7)和(8)，可知

F↓=Zv↓

F↑=-Zv↑

(9)

式中:Z——桿件的阻抗，定義為桿件上任意點處的受力與該點的運動速度之比。

1.2 貫入穩定性分析理論

打樁過程中樁在自重或者樁錘組合作用下會發生貫入度過大的現象，工程上稱之為溜樁。根據溜樁的位置又分兩種情況：①打樁之前，導管架就位后，樁插入后在本身自重的情況下會自由貫入泥土中；②打樁過程中，樁頭穿過硬質沙層，在進入到軟土中的時候可能發生溜樁。

在打樁之前，導管架腿中插入鋼樁后，由于表面土層土質較軟，樁在重力的作用下會自由貫入直到樁受到土的阻力與重力平衡，樁自由貫入會停止。其平衡方程為

SRP=F

(10)

考慮到樁身貫入對周圍土體的擾動，取土的重塑強度計算土阻力。假定樁內側的摩阻力為0時，計算一定貫入深度下樁阻力SRPmin的值;樁內側摩阻力為外側摩阻力的50%時，計算一定貫入深度下樁阻力SRPmax的值，其表達式如下。

SRPmin=fsAso+qpAp=fsCsoL+qpAp

(11)

樁身受力F同土阻力SRP相等，根據土阻力的不同，則得到溜樁長度L的范圍為

(12)

(13)

式中：F——樁身受力；

fs、qp——單位樁側摩阻力、單位樁端阻力；

As、Ap——樁側、樁端面積；

Aso、Asi——樁內外側面積；

Cso、Csi——樁內外側周長；

L——溜樁長度。

樁土間相互作用模型可表示為

W=Wu+Wv+Wa

(14)

式中：Wu,Wv及Wa分別為因樁身位移、速度及加速度而產生的相互作用力，但分析中沒有考慮由于附加質量而產生的慣性力Wa。土體疲勞程度與樁的貫入深度、樁錘能量大小、樁的截面形式、樁材料、樁徑、土層埋深、土性等諸多因素有關[2]。目前仍采用一些經驗公式分析土體疲勞因子與樁的最大貫入深度和土層埋深的關系。常用的方法如下。

設土層埋深為X，樁的最大貫入深度為Y，埋深為X的土層疲勞因子為βs。

線性公式：βs=X/Y或βs=X/(Y-5)

非線性公式：βs=(X/Y)2或

βs={X/(Y-5)}2

指數公式：βs=e[-0.04×(Y-X)]或

βs=e[-0.04×(Y-X-5)]

考慮疲勞后的屈服強度為

fuy=fyuo×β

(15)

各種土體疲勞計算方法的分析結果均顯著小于不考慮土體疲勞時的相應值。對相同的貫入深度，當考慮土體產生疲勞時，樁周所發揮的靜阻力降低，所需要錘擊數減小。實踐發現采用非線性算法可以更好地模擬樁的打樁性狀[2]，所以溜樁分析中應采用非線性公式模擬土體疲勞。

2 工程應用實例

采用GRL WEAP程序對曹妃甸海上油田(CFD11-3/5)平臺基礎打樁工程進行計算分析，與現場打樁記錄和TNOWAVE打樁分析程序進行比較，來說明該程序在打樁中的實際應用。

2.1 CFD11-3/5工程簡介

CFD11-3/5工程中鋼管樁的長度為103.46 m，從上到下共分3段，其幾何和物理參數見表1。

表1 鋼管樁的幾何和物理參數

樁設計貫入深度為68 m。樁錘采用液壓錘(IHC S-500)，不采用錘墊和樁墊。

2.2 計算參數選取

1)錘的參數。采用液壓錘(IHC S-500)來打樁，其中本次計算擬定機械效率和額定效率均輸入80%。

2)土質參數。按照API規范，選取土質基本參數,見表2。

表2中的側摩阻力實際上給定了樁側各土層的屈服強度，表中的端阻力實際上給定了樁端各土層的屈服強度。

3)取樁側土彈性變形值與樁端土彈性變形值相等，即：Qs=Qp=2.5 mm。

4)樁側土阻尼系數。砂土：Js=0.24 s/m；粘土：Js=0.15 s/m。樁端土阻尼系數Jp=0.5 s/m。

5)土塞作用。1～8層土體取ξ=0.3;9～10層土體取ξ=0.5;第11～18層土體取ξ=0.7。

樁貫入土深為68.0 m，從地表至地下共分為14層土，土質參數見表2。

表2 土質參數

2.3 計算結果分析

分別采用GRL WEAP程序和TNOWAVE程序對以上數據進行設計貫入深度為68 m的沉樁可能性分析、承載能力分析。沉樁中貫入深度及錘擊數的比較見圖2。

圖2 沉樁中貫入深度～錘擊數比較

采用一維波動理論的GRL WEAP軟件平臺進行可打入性分析，通過設置樁端和樁側的系數得出形成土塞的3組數據及沒有形成土塞的3組數據。最終得出了樁入泥68 m時整個過程的樁的承載力分布，沉樁可行性結果數據、樁身應力等情況。圖2是樁達到設計貫入深度時計算分析的每英尺的錘擊數與現場實測的具體結果，可以看出實測的結果與計算中無土塞(0.7～1.0)相一致，因此此平臺的打樁情況幾乎沒有形成土塞。在圖2中可以看出在入泥50.3 m左右時每英尺的錘擊數增大，主要是因為在此位置接樁，加上天氣原因在此位置停留了大約一周，由于等待時間的加長，樁頭土體固結，引起土體強度恢復與提高，從而使打樁困難。

3 結論

1)采用波動方程理論的GRL WEAP程序能很好地建立打樁的計算模型，并且考慮對各項影響因素，得出打樁時的結果。通過和現場打樁記錄的對比，現場打樁記錄結果接近理論計算結果。

2)若首節樁過短，溜樁過大，則易陷入導管架腿中，造成接樁困難，延誤工期。通過溜樁計算分析，可以在設計階段確定出樁分段長度。

3)從分析的結果看出，在接樁位置捶擊數明顯增大，說明在此位置土體強度得到了恢復，因此，接樁位置一定要在樁頭進入到泥土層中進行，在硬質沙土層中停錘作業時，土體強度恢復較快，容易發生拒錘。

4)對發生溜樁的位置要盡量采用小能量擊打，避免大能量對錘造成損壞。

[1] 商德仲.動力沉樁中土體疲勞的計算方法探討[J].中國港灣建設，2007(1)：20-22.

[2] 劉 潤，董 偉.土體疲勞對打樁分析的影響[J].海洋技術,2005,24(4):68-72.