自升式海上平臺樁靴入泥深度預測

楊蘇春

(1. 天津大學 建筑工程學院，天津 300072；2. 天津港航工程有限公司，天津 300457)

0 引 言

海上風電與海上油氣開采離不開自升式海上平臺的使用，自升式海上平臺樁腿駐位情況直接影響自升式海上平臺的安全性。自升式海上平臺樁靴多為擴展型，樁靴投影面積遠大于樁腿外徑，樁靴下壓過程會排擠樁靴下的土體，樁靴達到持力層后樁腿處于淘空狀態或被回淤后的土體包裹，回淤后的土體側摩阻力較低。因此，自升式海上平臺駐位時承載力絕大部分由樁靴提供。

隨著我國海上風電的興起，合理計算樁靴承載力預測入泥深度成為亟需解決的問題。國內部分學者采用土層參數平均值代替土層參數峰值進行有限元模擬或者理論計算[1–4]。而自升式海上平臺駐位土層多為土層參數峰值處，原有方法很難準確預測樁靴入泥深度。這使得準確的評估持力層承載力與持力層深度顯得尤為重要，在實際工程中，持力層存在刺穿的危險，這將直接影響自升式海上平臺作業安全性與作業效率[5]。其中的難點有二，一是擴展型樁靴多為異形且承載力無專門的計算方法，多數時候需借助單樁承載力方法進行推算，但很少有對這種方法進行有效的驗證；二是復雜的理論推導需多種土層參數，土層參數又多以平均值體現，參數的變化將極大的影響持力層承載力的估算且也很難滿足工程實踐的需求。缺少一種通過少量參數可以快速合理推斷持力層性質的方法。

本文通過自升式海上平臺擴展型樁靴在多個實際工程中的駐位數據結合地質勘察資料，對多種樁端承載力理論與基礎承載力理論進行檢驗，并提出適宜的計算方法應用于計算擴展型樁靴承載力并準確預測樁靴入泥深度，經過多個海上風場的檢驗效果良好，可供相關工程使用。

1 樁端承載力計算

常用的單樁非擴展樁端承載力計算方法主要分為規范經驗公式法、原位測試法（靜力觸探法[6]、標準貫入法）、古典經驗公式法（α法、β法、λ法、極限平衡法[7]）以及基于以上一種或多種方法的有限元計算[8]。

1.1 規范經驗公式法

式中：Qpk為樁端豎向承載力標準值；Ab為樁端面積；qpk為經驗預估的樁端土極限端阻標準值。

1.2 原位測試法（靜力觸探法[6]）

式中：α為樁端阻力修正系數；qc為靜力觸探加權平之值。

1.3 古典經驗公式法（極限平衡法[7]）

式中：Nc、Nq分別為黏聚力、樁端平面上土體自重；ζc、ζq均為形狀系數；h為樁端底寬與如土深度。

擴展樁端與獨立基礎型式一致，其承載力特征值計算可采用《建筑地基基礎設計規范》的方法。

1.4 地基承載力特征值

式中：fa為修正的地基承載力特征值；fak為地基承載力特征值；ηb為基礎寬度的修正系數；γ為浮重度；b為基礎寬度。

規范經驗公式法、原位測試法、極限平衡法、地基承載力特征值法計算的準確性取決于參數的選取。除原位測試法外，其他幾種方法的參數主要來源于以往的經驗以及室內試驗獲取的土層參數。樁靴下插過程較為迅速，不固結不排水抗剪強度較為貼近駐位過程中土體的抗剪強度。地質勘察實踐中往往采用固結快剪試驗獲取土體參數，部分參數可通過固結快剪試驗進行推算，但也影響精準度。固結快剪試驗往往進行多組，以平均值的形式體現。利用平均值可對承載力進行大致估算，但很難做到精確評估真實的承載力。原位測試法對土層進行靜力觸探，可直觀反應各深度土層的錐尖阻力。靜力觸探的錐尖阻力波動峰值對樁端承載力的估算具有很強的現實意義。

2 工程原位試驗

平臺船駐位需對樁腿進行預壓載，壓載保持15 min樁腿無下沉即完成駐位。試驗所用平臺船“港航平7”“港航平9”，單樁預壓載力分別為4 800 t、5 600 t，樁靴類型如圖1 所示，樁靴面積106 m2、113 m2。

圖1 試驗用平臺船“港航平9”Fig. 1 Test platform ship "Ganghangping 9"

圖2 樁靴類型Fig. 2 Types of spud-can

大多數自升式海上平臺船長一百米左右，樁腿間距接近百米，地質參數的獲取也僅能通過風機位置的地勘鉆孔進行均質的推定，因此有必要探討地質差異對樁靴入泥深度的影響。

2.1 基礎周邊地質變化對樁靴入泥深度的影響

為探討海上風電基礎周邊地質變化對樁靴入泥深度的影響，較淺的持力層可較為準確的評估風機周圍地質差異對樁靴入泥深度的影響。我國江蘇海域表層土多為粉砂層，大豐海上風電項目、如東海上風電場、竹根沙海上風電場均為此特征，具體表層土層特征如下：

大豐海上風電項目位于鹽城市大豐區東側的毛竹沙海域，表層為粉砂層，標準貫入試驗實測錘擊數N為8～9 擊/30 cm，平均值為8.3 擊，層厚3.00～4.50 m。“港航平9”駐位時樁靴具體入泥深度如表1 所示。

表1 大豐海上風電項目“港航平9”樁靴入泥深度Tab. 1 Spud-can penetration depth of "Ganghangping 9"in Dafeng offshore wind farm

如東海上風電場位于如東海域的東北部，表層為粉砂夾粉土，以粉砂為主夾粉土。靜探錐尖阻力qc=0.03～6.86 MPa，平均值qc=2.94 MPa。實測標貫錘擊數N=5～15 擊/30 cm，平均值為11.5 擊/30 cm，層厚0.50～12.00 m。“港航平9”駐位時樁靴具體入泥深度如表2 所示。

表2 如東H2 海上風電項目“港航平9”樁靴入泥深度Tab. 2 Spud-can penetration depth of "Ganghangping 9" in Rudong H2 offshore wind farm

竹根沙海上風電場位于竹根沙及北條子泥附近海域，表層為粉砂夾粉土且全場分布，靜探錐尖阻力qc=0.50～2.85 MPa，平均值為1.32 MPa；標貫實測錘擊數N=9～10 擊/30 cm，平均值為9.5 擊/30 cm；層厚2.50～4.00 m。“港航平9”駐位時樁靴具體入泥深度如表3 所示。

表3 竹根沙海上風電場項目“港航平9”樁靴入泥深度Tab. 3 Spud-can penetration depth of "Ganghangping 9" in Zhugensha offshore wind farm

利用“港航平9”自升式海上平臺在以上3 個海上風場的駐位數據進行分析。樁靴在表層的粉砂或粉砂夾粉土層內的駐位需要一定的下壓行程。表1～表3 數據顯示持力層本層土體內最小下壓行程0.4 m，持力層本層土體內最大下壓行程2.6 m。這說明，持力土層厚度大于2.6 m 時具有較高的安全保障。換言之，預估“鐵板砂”地層入泥深度在2.6 m 誤差范圍內準確率達到100%。下壓行程的差異也是距離風機基礎百米范圍內地質變化的體現，明確這一數據可有效防止刺穿的發生，確保土層可提供樁靴足夠的駐位厚度。

2.2 計算方法的驗證

規范經驗公式法依賴于經驗預估的樁端土極限端阻標準值，海上施工的風場多為無施工經驗區域，規范經驗公式法很難應用于實際工程中。且受到拔樁力的限制，大多數海上平臺的樁靴駐位在入泥30 m 以內。海上風電基礎的持力層大大超過該深度，地勘資料里不會針對30 m 以內的地質進行端阻力的詳勘，因此較難獲得準確的端阻力建議值。

極限平衡法受限于過多的計算參數與實際工程中樁靴的特殊形狀而無具體的參數，導致計算較為繁瑣，很難取得較好的應用效果。

地基承載力特征值計算局限于淺基礎、小面積基礎，也無法應用于樁靴承載力評估。根據大豐海上風電項目、如東海上風電場、竹根沙海上風電場地勘報告提供的粉砂地基承載力特征值fak=90 kPa，修正后的地基承載力特征值fa=138 kPa 計算114 m2樁靴的地層承載力為1 573 t，這遠遠低于單樁預壓荷載5 800 t。這種計算結果表明地層承載力過低無法滿足駐位需求，與實際情況不符，說明該方法并不適用于計算樁靴承載力。

較為合適與直接的方法是原位測試法，其根據原位靜力觸探試驗值推算樁靴承載力，根據地勘報告靜力觸探數據可方便獲取，僅需準確界定樁端阻力修正系數，即可使用。為驗證該方法的準確性，在2.1 節對單一持力層分析的基礎上選取多土層地質進行相關的驗證，山東半島南4 海上風電項目具有該種地質，靜力觸探結果如表4 所示。

表4 山東半島南4 海上風電項目部分機位靜力觸探Tab. 4 Static cone penetration testing of some positions of the offshore wind farm in south 4 of Shandong Peninsula

根據原位測試法Qpk=αqcAb，α=0.05 的情況下，4 800 t 預加載力需要qc值不小于9.0 MPa；α=0.06 的情況下，4 800 t 預加載力需要qc值不小于7.5 MPa，根據此結果推算駐位位置如表4 中箭頭所示。選取“港航平7”在山東半島南4 海上風電項目駐位時，較為典型的駐位數據進行原位測試法入泥預估與誤差分析，如表5 所示。

表5 “港航平7”在山東半島南4 海上風電項目樁腿入泥深度Tab. 5 Spud-can penetration depth of "Ganghangping 7" offshore wind farmt in South 4 of Shandong Peninsula

由表5 的誤差數據結合表4 的地勘詳圖可知，根據原位測試法推測的入泥深度對2、3、4 機位較為準確，推測的入泥深度與實際入泥深度誤差在1.0 m內，這種誤差主要來源于地層在安裝平臺范圍內微量的起伏；9 機位推測入泥深度18 m，而實際入泥深度在8～15 m，誤差在3～10 m，造成這種較大誤差的原因有二，一是根據原位測試法預估的持力層為18 m 處的②-夾2 粉砂夾粉土，而樁腿1、樁腿2、樁腿3 的駐位為13 m、8 m、12 m 處的②-1 粉質粘土（8 機位樁腿1 為同種情況），說明②-1 粉質粘土層靜力觸探值在安裝平臺范圍內并不均勻；二是來源于②-夾2 粉砂夾粉土層在安裝平臺范圍內的起伏，使得樁腿4 的實際入泥深度為15 m；53 機位實際入泥深度較為統一，四樁退間高差僅0.5 m，但與預估入泥深度9 m 存在2～3.5 m的誤差，這種誤差也主要來源于地層在平臺船范圍內起伏。

根據“港航平7”在山東半島南4 海上風電項目施工的20 個機位駐位時80 個樁腿入泥數據匯總來看，原位測試法估算誤差在3 m 以內的樁位占比65%。誤差主要來源于安裝平臺范圍內地層的起伏，這種誤差很難通過精準的計算得到有效的預測數據，原位測試法已經是現有方法中較高準確率的評估方法。該風場α 值在0.05～0.06 范圍內具有一定的可信度。在實際工程中，α 會隨風場土質條件而變化，需根據已駐位地質情況與原位測試數據對α 進行修正，找出本風場地質合理的α 取值范圍并推廣到整個作業海域。

3 結 語

原位測試法在合理界定樁靴阻力修正系數的前提下，可較為準確地預測擴展型樁靴的入泥深度。樁靴入泥處無詳勘資料，常以風機位置的地質鉆孔資料進行均質的推定，實際工程中海上平臺所在的百米范圍內土層常有起伏，這對準確預測樁靴入泥深度產生較大影響。在考慮這種影響因素的情況下，原位測試法在山東半島南4 海上風電項目仍有65%的準確度。該項目粉土與粉質粘土地質樁靴阻力修正系數在0.05～0.06 之間，可供相關工程參考。