荔灣3-1平臺水下樁基動力檢測技術的應用

秦立成，李宏，于文太，何敏，冷志

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452

2.環境保護部核與輻射安全中心，北京100034

荔灣3-1平臺水下樁基動力檢測技術的應用

秦立成1，李宏2，于文太1，何敏1，冷志1

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452

2.環境保護部核與輻射安全中心，北京100034

荔灣3-1中心處理平臺位于水深189.5 m處，平臺基礎為帶16根樁的群樁結構，每根鋼樁質量754 t、直徑2 743 mm、長度158 m、入泥深度135 m、設計承載力130 MN。該樁基工程具有土層地質條件復雜、施工難度大、工程造價高等特點，在鋼樁的結構設計、樁可打入性分析及具體打樁施工過程的監測方面面臨很多問題。為保證荔灣3-1中心處理平臺鋼樁的順利打入，需要進行水下樁施工檢測，檢測施工過程中鋼樁的受力狀態、打樁錘的效率傳遞等，以期獲得真實可靠的樁基承載力數據。采用的樁基高應變動力檢測技術和檢測結果有效地指導了現場施工，并為類似水下鋼樁動力檢測提供了寶貴經驗。

荔灣3-1平臺；高應變動力檢測；樁基工程；承載力

0 引言

荔灣3-1中心處理平臺位于我國南海水深189.5m處，其導管架為8腿導管架，質量約32 000 t，外4腿的群樁套筒各帶4根鋼樁，其中每根鋼樁質量為754 t、直徑為2 743 mm、長度為158 m、入泥深度為135 m，最終的設計承載力為130 MN。該平臺工程樁的樁身長、直徑超大、施工難度也大，并且樁基所處地層地質條件復雜，因而在沉樁過程中可能會發生拒錘、樁身損壞等現象。因此，必須尋求一種合理、可行、可靠的方法檢測出在沉樁過程中樁身是否損壞；檢驗因拒錘鋼樁入泥深度未能達到設計入泥深度時，或者鋼樁入泥深度達到設計入泥深度時，樁的承載力是否滿足工程要求。因此本文嘗試采用高應變動力檢測技術對海洋平臺水下樁基沉樁過程進行檢測。高應變動力檢測是用重錘沖擊樁頂，使樁周土產生塑性變形，實測的力和速度時程曲線將全面反映地基土對樁的阻力作用和樁身力學阻抗的變化，通過波動理論分析得到樁土體系有關性狀[1]。高應變動力檢測技術具有方便快捷、受測試條件約束少、試驗數據豐富、檢測費用低等優勢[2]。

國內已開展的高應變動力檢測技術應用研究基本上都是針對陸地樁基進行的，而對海洋平臺水下樁基的動測研究尚屬首次，本文針對海洋平臺樁基施工的特殊情況，對荔灣3-1平臺的打樁進行了高應變動力檢測，驗證了此平臺樁基的初打承載力并推算最終承載力，監測了鋼樁本身的完整性，檢驗了錘擊能量的傳遞效率等。檢測和分析結果為水下樁基設計和施工提供了參考依據。

1 高應變動力測樁法的分析理論

本文采用CASE法和CAPWAP法作為高應變動力測樁法的分析理論，CASE法可現場估算單樁承載力，CAPWAP法通過建立相對完善的樁-土力學模型，可進行曲線擬合。

1.1 CASE法

CASE法計算簡單，在現場就可以根據下式計算出單樁承載力：

式中Rs——CASE法計算的單樁承載力；

Jc——CASE法阻尼系數；

t1、t2——分別為速度第一峰值、第二峰值對應的時刻；

F（t1）、F（t2）——分別為t1、t2時刻對應的測點處實測的捶擊力；

V（t1）、V（t2）——分別為t1、t2時刻對應的測點處實測的速度；

Z——樁身阻抗；

L——測點以下樁長；

C——樁身應力波波速；

A——樁身截面積；

E——樁的彈性模量。

1.2 CAPWAP法

CAPWAP法是實測波形擬合法，假定樁-土力學模型及其參數，用實測樁頂（應變片處的樁截面位置）的運動速度（或力、上行波、下行波）曲線作為輸入邊界條件，數值求解波動方程，計算樁頂（應變片處的樁截面位置）的力（或速度、下行波、上行波）曲線[3]。如果計算的曲線與實測的曲線不吻合，即假設的樁-土模型或其參數不合理，則可根據具體情況調整模型及參數重新計算，直到計算曲線與實測曲線吻合。

2 荔灣3-1平臺水下樁基動測的具體實施

2.1 鋼樁可打入性分析

荔灣3-1平臺鋼樁的幾何和物理參數見表1，平臺所在位置的地基土質性狀見表2。

表1 鋼樁的幾何和物理參數

首先利用GRLWEAP軟件進行該平臺鋼樁可打入性分析，計算結果表明用MHU-1200S液壓錘在85%的能量下停錘時間過長時可能會在第15層砂土層中發生拒錘現象，因此在施工過程中若在最末砂層停錘將存在較大的拒錘風險。為了有效地降低拒錘風險，對打樁過程進行了全程監測。

表2 荔灣3-1平臺地基土質性狀

2.2 動測設備及操作程序

2.2.1 動測設備

荔灣3-1平臺樁基動測所用的主要設備見圖1。

圖1 動測設備

（1）PDA（Pile Dynamic Analyzer）動測分析儀。這是動測的主要儀器，能夠實時采集、存儲數據，并現場展示CASE法的結果。

（2）數據線。主要是用來把加速度傳感器和應變傳感器收集的信號傳遞到PDA分析儀，本項目需要應用防水數據線。

（3）加速度傳感器和應變傳感器。本項目中應用的全部為防水型，安裝時需避開焊縫和應力集中位置。

2.2.2 動測操作程序

在荔灣3-1平臺樁基工程中由于各根樁的規格一致，考慮到實際情況只選擇了B1-2樁和B1-3樁進行了測試。測試總平面分布見圖2，樁基施工示意見圖3。

圖2 測試總平面分布

圖3 樁基施工示意

（1）在起樁前完成傳感器的安裝。

a.在運輸駁船上對樁進行打孔以便固定傳感器，打孔位置距離樁頂5.5～6.0 m。

b.焊接一個掛線吊耳，此吊耳與兩側的傳感器各成90°，并且在樁上將吊耳和傳感器位置上用白色標注，以便操作ROV時易于發現。

c.進行傳感器及數據線的連接固定，如圖4所示。

d.將數據線和PDA主機連接好，再根據樁的屬性把相關參數輸入主機。

圖4 水下傳感器等部件連接示意

e.對鋼樁需要進行水下切割分離的部位用顏色進行標注，以便于ROV操作。

（2）在插樁前完成防水數據線連接。

a.在運輸駁船上翻樁、吊起并在樁入水前完成數據線接頭的連接。

b.完成鋼絲繩等與吊耳的連接。

（3）防水數據線釋放。

a.在鋼樁的下放過程中保護好傳感器和數據線，避免其受到損傷。

b.鋼樁下放時要及時釋放數據線，并要預留足夠的長度在水中，防止拉斷。

c.ROV要實時檢查鋼樁的入水情況及監測設備情況，確保數據線沒有纏繞、預留長度適當。

d.ROV檢查鋼樁的自由入泥情況。

（4）把MHU1200S型打樁錘套到鋼樁頂部。

a.在錘的下放過程中要實時檢查動測數據線與錘等設備有無相互干擾。

b.動測工程師測試PDA的信號傳輸情況，確保能夠及時投入使用。

（5）實施動測。

a.在全程監測中，現場負責釋放數據線的工程師要與監測工程師溝通配合好。

b.鋼樁的入泥深度數據要及時反饋給釋放數據線的工程師，據此數據判斷釋放的數據線長度是否合適，特別是在沉樁剛開始時，容易溜樁，因此一定要留出足夠富裕量，以防止鋼樁溜樁時拉斷數據線。

c.監測時需確保鋼樁的應力值在許用范圍內，檢測結果及時反饋給打樁作業人員用來指導打樁作業，以控制好錘的最佳輸出能量。

（6）動測完成。

a.保存PDA檢測數據。

b.樁打到設計深度后起錘，并利用ROV來觀察打樁錘系統與檢測數據線的位置，防止相互纏繞。

c.將數據線在傳感器接頭處分離，并且進行回收以備下次使用。

3 荔灣3-1平臺樁基高應變動測結果分析

對荔灣3-1平臺的基礎樁B1-2和B1-3進行動測，實現了打樁過程中對樁身最大應力的監控、實際錘擊能量的監控以及樁最終承載力的估算。

B1-3插樁后初始自由入泥深度為12.0 m，套錘后在打樁到深度13.5 m時發生了溜樁，一直溜到入泥深度72.0 m；之后又重新套錘，一直打入到入泥深度135.0 m，根據打樁記錄，末階段的錘擊數是143錘每0.5 m。B1-2插樁后初始自由入泥深度為11.5 m，套錘后在打樁到深度13.0 m時發生了溜樁，一直溜到入泥深度71.5 m；之后又重新套錘，一直打入到入泥深度135.0 m，根據打樁記錄，在末階段的錘擊數是125錘每0.5 m。

3.1 CASE法分析結果

在打樁監測過程中，PDA顯示屏實時輸出了打樁錘及驅動過程中的部分參數，包括樁頂部的擠壓應力、錘擊能量傳遞效率等。現場用CASE法得出B1-2和B1-3樁的承載力分別為46 MN和48 MN，樁頭所受的壓應力為別為162 MPa和172 MPa。

3.2 CAPWAP法分析結果[4-6]

CASE法的評估結果是在土壤阻尼假定已知及鋼樁壁厚相同情況下得出的，若土壤阻尼參數未知或鋼樁壁厚不相同，或需要考慮更多的土壤參數時，就需要用CAPWAP法來進行分析了。CAPWAP法廣泛應用于根據力和加速度的記錄數據來計算土壤阻力及其分布等。CAPWAP法的分析結果包含了對土壤阻力的分布評估、樁端承載力、樁側承載力、阻尼特性等。圖5是CAPWAP法的分析曲線，表3是CAPWAP法計算的部分結果，瞬時最大的承載力為49 MN。結果顯示這兩根樁在打樁過程中樁端承載力較大，而樁側的摩阻力相對較小，說明空隙水壓力在受捶擊擾動后并沒有恢復，使得檢測的總承載力小于設計值（130 MN）。

圖5 B1-3鋼樁CAPWAP分析曲線

表3 CAPWAP法分析結果（摘錄）

3.3 MHU1200S錘能量傳遞效率

高應變動測儀的傳感器能夠獲得傳遞到樁上的實際錘擊能量的相關信息，通過對比錘的額定輸出能量可以判斷錘系統當前的工作效率。如果在打樁過程中錘的輸出能量與樁上實際接收的能量相差過大，就可以判斷打樁錘系統可能出現了問題或者存在能量耗散的部位。據此采取對策，不僅可避免盲目打樁造成液壓錘損壞，而且可有效地減少拒錘的風險。本文中B1-2和B1-3樁的錘能量傳遞效率分別為64%和63%，都超過了50%的低限值，滿足施工要求。

3.4 樁身完整性監測及最終承載力評估

在監測過程中，每一次錘擊鋼樁所受的最大擠壓應力都是按照PDA所采集到的平均應變數值來進行計算的，在此次監測過程中鋼樁所受的最大平均應力分別為162 MPa和175 MPa，它們都滿足API規范的要求，在打樁過程中樁身沒有發生屈服損壞。

4 結束語

此次荔灣3-1海上平臺鋼樁全程動力監測是國內多年來首次開展的海洋平臺水下樁測試項目，引進國外先進的動測儀器和動測技術，克服水深等施工難題，成功實施了此次水下檢測。此次監測有效指導了現場施工，改變了國內過去缺乏有效的水下樁施工過程監測的狀態，同時也保證了荔灣3-1平臺打樁施工過程中樁身的安全性，本文所述動測的施工方法可為國內將來的水下樁基工程提供參考。

[1]侯延祥，付海峰，關磊.PDA動測樁儀在天津港某工程中的應用[J].港工技術，2002（9）：44-45.

[2]劉永鋒.利用高應變法確定了大直徑混凝土管樁的承載力[J].水運工程，2005（9）：24-25.

[3]SchallertM.Klingmüller O.Monitoringof Drivingand High-strain Dynamic Load Tests of Open-ended Steel Pipe Foundation Piles for Offshore Wind Turbines[C]//Testing and Design Methods for Deep Foundations:Proc.of IS-Kanazawa 2012.Kanazawa，Japan:IS，2012：923-929.

[4]徐至鈞.PDA樁基檢測技術的應用與評價[J].石油工程建設，1995，21（2）：9-14.

[5]樊之夏，朱紹華，秦立成，等.檢測評估海上石油平臺樁基設計承載力的方法[P].中國專利：201010198940，2011-12-07.

[6]李春，劉振紋，祁磊.渤海灣海上動力沉樁監測及分析[J].石油工程建設，2011，37（Z1）：69-72.

Application of High Strain Dynamic Testing Technique to Underwater Pile Foundation ofL W3-1Platform

Qin Licheng1，LiHong2，Yu Wentai1，He Min1，Leng Zhi1
1.Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China
2.EnvironmentalProtection Department of Nuclear and Radiation Safety Center，Beijing 100034，China

LW 3-1 offshore centralplatform is located in the area with water depth of 189.5 m，which is the structure of four legs with group piles.The single pile possesses the weight of 754 t，diameter of 2 743 mm，length of 158 m，total penetration depth of 135 m and the design bearing capacity of 130 MN.The pile foundation engineering has the features of complicated geologic condition，difficult construction，high engineering cost. There are many problems in steel pile design，piling drivability analysis and piling monitoring.In order to guarantee the successful pile penetration of LW 3-1 offshore central platform，the testing during piling of underwater pile is necessary to obtain the force state in the pile and efficiency transfer of pilling hammer. Based these testing data，the actual and reliable data of pile foundation bearing capacity can be gained.The adopted high-strain dynamic testing technique and testing results offer effective guidance to the site construction and also provide valuable experience to similar dynamic testing of underwater steelpiles.

LW 3-1 platform；high-strain dynamic testing；pile foundation engineering；pile bearing capacity

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.06

秦立成（1980-），男，山東蒙陰人，工程師，2007年畢業于中國石油大學（華東）石油工程學院，現主要從事海洋平臺安裝設計研究工作。

2014-10-31；

2015-02-26