海洋平臺鋼樁施工關鍵技術分析

于亮 李啟寶 孫文明 秦立成 葉皓軒

海洋石油工程股份有限公司 天津 300461

1 起樁技術分析

根據起樁吊點位置的選擇，起樁方式分為兩點自由起吊和一點固定起吊兩種類型。①假定鋼管樁為等截面，兩吊點對稱布置，此時對受力簡圖以及彎矩圖分別進行分析；②假定鋼管樁為等截面，兩吊點不對稱布置時，此時受力簡圖以及彎矩圖分別進行分析；④軟件分析采用ANSYS等進行[1]。

2 自由站立分析

一般來說，承受軸向壓縮的細長桿的失效是由于屈曲引起的。需指出的是，短壓縮構件的失效是由于材料發(fā)生屈服。細長桿件的屈曲即失穩(wěn)，桿件往往表現(xiàn)出與強度失效全然不同的性質，一般開始軸線為直線，接著必然是被壓彎，產生頗大的彎曲變形，發(fā)生屈曲。桿件失穩(wěn)后，壓力的微小增加將引起彎曲變形的顯著增大，桿件已喪失了承載能力，這是由于失穩(wěn)造成的失效，可以導致整個系統(tǒng)結構的破壞。自由站立的分析方法包括API規(guī)范法和Timoshenko法，下面針對兩種方法分別闡述分析。

2.1 API規(guī)范法

圓柱構件在軸向壓縮和彎曲的組合作用下，構件各點均應該滿足以下條件：

式中，fa為軸向壓應力（MPa）；Fa為軸向允許壓應力（MPa）；fbx、fby為分別為X、Y向彎曲應力（MPa）；Fb為允許彎曲應力（MPa）；Fy為屈服強度（MPa）。

工程實踐中發(fā)現(xiàn)：深水平臺中樁身自由站立長度較長，樁身應力校核時常不滿足規(guī)范法穩(wěn)定性要求，給樁基施工帶來較大不便。

2.2 Timoshenko 法

基于Timoshenko彈性穩(wěn)定理論進行樁的自由站立穩(wěn)定性分析。在均布荷載ql及兩端壓力P聯(lián)合作用的情形，臨界屈曲荷載為：

API規(guī)范法進行圓柱構件在軸向壓縮和彎曲的組合作用下穩(wěn)定性分析時，所用的強度折減系數為長期穩(wěn)定性安全系數，該方法校核的是圓柱構件在彎壓組合下長期的穩(wěn)定性狀態(tài)，而對于自由站立分析這一暫時過程來說，規(guī)范法是偏于保守的。因此利用Timoshenko法計算樁的臨界屈曲荷載，考慮錘重以及樁身自重，更適合樁的自由站立穩(wěn)定性分析。

2.3 API規(guī)范法和Timoshenko法應用實例分析

某海洋采油平臺采用直徑為2.438m的大直徑鋼管樁作為承力結構。樁總長為140.5m，設計入泥深度為120m。根據土的基本參數，可估算在MHU1200型錘和樁的自重情況下，樁可瞬時貫入深度為25m左右，取25m。套筒高出海底泥面為11.97m，因此可計算得到樁的自由站立長度為103.53m。通過計算分析可以看出：Timoshenko法和API規(guī)范法計算結果有所不同，前者認為置錘期滿足穩(wěn)定性要求，而后者認為不能滿足穩(wěn)定性要求。綜合考慮Timoshenko法和API規(guī)范法計算結果，認為API校核的是樁在彎壓組合下長期穩(wěn)定性狀態(tài)，而對于自由站立分析是偏于安全的。可以肯定，當自由站立長度為103.53m時，樁身長期穩(wěn)定性不足，但從Timoshenko法計算結果來看，樁身荷載滿足屈曲荷載要求，可以采用液壓錘 MHU1200 進行打樁作業(yè)。

3 可打入性分析

（1）可打入性分析根據不同的現(xiàn)場情況分為無土塞連續(xù)打樁、無土塞短期停錘、無土塞長期停錘、有土塞連續(xù)打樁、有土塞短期停錘、有土塞長期停錘六個工況，根據不同的工況以及土壤信息，利用GPLWEAP軟件進行分析；

（2）根據分析結果以及拒錘標準，確定各個工況下采用打樁錘的可打入性；

（3）根據可打入性分析可以確定以下信息：①錘型選擇、能量選取；②鋼樁受力；③現(xiàn)場打樁的難易程度；④接樁位置選取；⑤判斷承載力大小。

4 打樁動態(tài)監(jiān)測

（1）根據樁的可打入性分析判斷出鋼樁達到拒錘標準，或樁很容易打（溜樁），我們都需要進行高應變動力監(jiān)測,碰到拒錘時測出真實承載力，溜樁時怕承載力不夠，需要測出最終承載力是否滿足要求[1-3]。

（2）打樁動態(tài)監(jiān)測內容包括：①樁身最大應力監(jiān)測。在對樁進行全程監(jiān)控的過程中，高應變動測儀會時時顯示輸出每一錘擊作用下，傳感器所在截面受到的最大壓應力[2]。由于傳感器所安裝的位置靠近樁頭，當樁頭所受到的壓應力過大，甚至超過鋼樁的屈服強度時，我們就可以很準確的判斷這種情況，從而能夠有效的避免在打樁過程中，由于對錘的錘擊能量的使用不當造成樁頭被打壞的事故。②樁身完整性監(jiān)測。當樁在打入過程中出現(xiàn)缺陷時，傳感器采集的數據曲線會出現(xiàn)相應的變化，尤其是上行波曲線。同時還可以確定缺陷的具體位置，判斷缺陷的相對大小。③錘的工作狀態(tài)監(jiān)測。安裝在樁端的傳感器可以采集到傳遞到樁上的實際錘擊能量。通過對比錘的額定輸出能量就可以判斷錘系統(tǒng)當前的工作效率。拒錘是由兩方面原因造成的，一個是錘擊能量不夠；另一個是受到的阻力過大。那么監(jiān)控錘系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)是避免拒錘現(xiàn)象發(fā)生的一種重要手段。④承載力檢測。估測樁基的長期靜承載力是高應變動測試驗的一個重要目的。采用高應變動力檢測的方法對樁基進行長期靜承載力的評估，最有效的手段就是進行間隔一定時間的復打測試，以復打的結果作為評估樁基長期靜承載力的分析數據。

（3）監(jiān)測結果如下：①樁身應力的監(jiān)控結果；②樁端實測錘擊能量與錘輸出能量的對比結果；③復打靜承載力估測結果。

5 結語

本文對海洋平臺鋼樁安裝的步驟中的關鍵技術進行了闡述，包括起樁分析、自由站立分析、可打入性分析、動態(tài)監(jiān)測等內容。全面地講述了應用于工程項目中個步驟的分析方法。為鋼樁施工的設計工作提供參考依據。