黏土中打樁動力過程對樁基的影響

　中海石油上海分公司

黏土中打樁動力過程對樁基的影響

張樹德中海石油上海分公司

大直徑超長鋼管樁被越來越多地應(yīng)用于海洋工程中，準(zhǔn)確預(yù)測樁的可打入性是保證海上安全施工的重要條件。根據(jù)我國某平臺打樁的實測數(shù)據(jù)，對黏土中打樁過程土阻力的衰減和承載力的恢復(fù)進(jìn)行了研究。根據(jù)現(xiàn)場打樁記錄，采用波動方程計算打樁過程中的土阻力。在打樁過程中，黏土的土阻力可衰減至其承載力的10%左右，雖然黏土強(qiáng)度在打樁過程中產(chǎn)生了明顯的衰減，但其同時又具有較高的恢復(fù)能力。現(xiàn)有的經(jīng)驗公式無法真實反映現(xiàn)場實際情況，在進(jìn)行樁的可打入性分析以及樁基承載力評估時，要充分考慮黏土的特點(diǎn)，慎重使用經(jīng)驗公式，按照當(dāng)?shù)氐膶嶋H工程經(jīng)驗選取合理的計算參數(shù)。在條件允許的情況下，應(yīng)該采用復(fù)打的方法對樁基承載力進(jìn)行進(jìn)一步評估。

黏土；打樁；土阻力；柱基承載力；評估

海洋工程大直徑、超長鋼管樁的可打入性以及打樁后樁基承載力的評估，是影響工程建設(shè)的重要因素[1]。

工程實踐表明，打樁過程中周圍土體會發(fā)生較為明顯的變化[2-3]。在黏土層中進(jìn)行打樁時，樁周原狀土體結(jié)構(gòu)受到一定程度的破壞。打樁結(jié)束后，土體強(qiáng)度漸漸恢復(fù)，恢復(fù)的過程具有時效性。為此，根據(jù)我國某平臺打樁的實測數(shù)據(jù)對黏土中打樁過程土阻力的衰減和承載力的恢復(fù)進(jìn)行了研究。

1　打樁過程中土阻力的計算

在對樁的可打入性進(jìn)行分析時，需要計算打樁過程中的土阻力。大直徑管樁在打樁過程中，往往認(rèn)為不發(fā)生閉塞，在黏土層中連續(xù)打樁時采用Semple和Gemeinhardt等人提出的方法[4]確定單位側(cè)阻力

式中 fdr為打樁時單位側(cè)阻力（kN）； f為樁基承載力中的單位側(cè)阻力（kN）；Fp為經(jīng)驗系數(shù)。

根據(jù)工程經(jīng)驗，F(xiàn)p由式（2）確定

式中OCR為土體的超固結(jié)比。

對于正常固結(jié)黏土，即OCR=1.0時，打樁過程中的土阻力可表示為

式中Sunc為黏性土正常固結(jié)條件下的不排水抗剪強(qiáng)度（kPa）；Su為黏性土實際不排水抗剪強(qiáng)度（kPa）；As為樁體側(cè)表面積（m2）； AP為樁端面積（m2）。

在打樁過程中考慮黏土強(qiáng)度的弱化，其折減系數(shù)一般取為0.5。

2　工程背景

某工程平臺區(qū)水深約63m；樁基采用開口鋼管樁，直徑2.134m，共8根，分布在四個角；樁長115.5m；最終入泥93m；樁最大壁厚65mm，最小壁厚45mm；在入泥深度范圍內(nèi)黏土厚度達(dá)到85m。

從現(xiàn)場打樁記錄及打樁所用總能量可以看出，現(xiàn)場打樁最后1m的錘擊數(shù)在20擊左右，打樁所用的總能量不超過500MJ。打樁總能量見圖1。

圖1　打樁總能量

3　利用波動方程計算打樁阻力

根據(jù)現(xiàn)場打樁記錄，采用波動方程計算打樁過程中的土阻力。圖2為計算得到的本工程錘擊數(shù)與土阻力的關(guān)系曲線，根據(jù)圖2曲線以及現(xiàn)場打樁記錄可以得到打樁土阻力沿深度的分布。

圖2　捶擊數(shù)與土阻力關(guān)系曲線

由土阻力與深度關(guān)系曲線可以看出，打樁過程中的土阻力要遠(yuǎn)小于樁基的承載力。當(dāng)黏土的折減系數(shù)選擇為0.5時，其預(yù)測結(jié)果與計算結(jié)果有較大的差異；當(dāng)選擇0.1的折減系數(shù)時則與實際情況相符合。

4　樁基承載力的恢復(fù)

目前對于樁基承載力的恢復(fù)有很多經(jīng)驗公式，其中最為常用的為Skov和Denver等人提出的以下經(jīng)驗公式[5]

式中 A和 t0為經(jīng)驗參數(shù)，在黏土中t0一般取1.0， A取0.6（Skov和Denver等人在黏土中的推薦值）；Q0為打樁結(jié)束時的承載力；Qt為打樁結(jié)束后時間為t時的承載力。

按照上述公式以及參數(shù)推薦值計算得到的打樁結(jié)束后90天的承載力僅能達(dá)到17.4MN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計要求。

為了進(jìn)一步評估樁基承載力，對其中兩根樁在打樁結(jié)束后9.5、48、86h以及打樁結(jié)束后90天，分別進(jìn)行了復(fù)打。同樣采用波動方程對復(fù)打記錄進(jìn)行分析，得到了復(fù)打時間點(diǎn)的土阻力的均值，分別為16、33、32、42MN。從以上數(shù)值可以看出，在打樁結(jié)束后不到10個小時，樁基承載力的恢復(fù)已接近公式預(yù)測打樁結(jié)束后90天的承載力預(yù)測值。

根據(jù)打樁結(jié)束時各個樁的土阻力以及復(fù)打得到的土阻力，可以得到樁基承載力隨時間的變化關(guān)系，見圖3。如果按照Skov和Denver等人提出的公式進(jìn)行擬合，在t0=1.0的條件下， A取值為1.2，是Skov和Denver推薦值的2倍，且其變化趨勢與經(jīng)驗公式也有明顯的差異。

圖3　承載力隨時間的變化關(guān)系

5　結(jié)論

打樁過程中的土阻力以及樁基承載力的評估是海上安全施工以及保證平臺安全運(yùn)行的關(guān)鍵。在以黏土為主的土層當(dāng)中進(jìn)行打樁，土體強(qiáng)度會發(fā)生明顯的弱化，在打樁結(jié)束后的一段時間其強(qiáng)度又會明顯恢復(fù)。

目前常用的有關(guān)考慮黏土強(qiáng)度折減的土阻力預(yù)測公式以及考慮樁基時間效應(yīng)的承載力恢復(fù)公式，在本項目中均與實際結(jié)果存在較大的差異，無法真實反映現(xiàn)場的實際情況。

實際工程表明，在打樁過程中，土阻力中黏土強(qiáng)度的發(fā)揮僅為設(shè)計值的10%；在打樁結(jié)束后10個小時內(nèi)，樁基承載力即有明顯的恢復(fù)；在打樁結(jié)束后90天，樁基承載力接近其設(shè)計值。因此在實際工程中應(yīng)該考慮黏土特點(diǎn)，慎重使用經(jīng)驗公式，按照當(dāng)?shù)氐膶嶋H工程經(jīng)驗選取合理的計算參數(shù)。在條件允許的情況下，應(yīng)該采用復(fù)打的方法對樁基承載力進(jìn)行進(jìn)一步評估。

[1]陳寶潔，海洋平臺安全建造管理[J]．油氣田地面工程，2013，32（9）：13-14.

[2]姜龍，預(yù)制樁的沉樁阻力分析[J]．油氣田地面工程，2007，26 （8）：48-50.

[3]李颯，韓志強(qiáng)，楊清俠，等．海洋平臺大直徑超長樁成樁機(jī)理研究[J]．工程力學(xué)，2010，27（8）：241-245.

[4]SempleRM，GemeinhardtJP．Stresshistoryapproachtoanalysis ofsoilresistancetopiledriving[C]//OffshoreTechnologyConference．Houston：OTC，1981：11-21.

[5]SkovR，DenverH．Time-dependenceofbearingcapacityofpiles [C]//Proc3rdIntConfAppStress-waveTheorytoPiles．Ottawa：BiTechPublishers，1988：879-888.

13920746863、lisa@tju.edu.cn

（欄目主持樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.036

張樹德：高級工程師，主要從事海洋建筑物的設(shè)計及建造等方面的工作。

2015-04-21