“JU2000E”鉆井平臺(tái)在臨港前沿碼頭區(qū)域插拔樁分析

姚進(jìn)

摘 要：文章以上海臨港碼頭前沿海域工程地質(zhì)資料為依據(jù)，根據(jù)區(qū)域內(nèi)地層特點(diǎn)，采用《海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范》及上海地方經(jīng)驗(yàn)計(jì)算各土層承載力情況，分析了該區(qū)域針對(duì)“JU2000E”自升式鉆井平臺(tái)樁靴式基礎(chǔ)插樁深度及拔樁過量吃水深度，并對(duì)鉆井平臺(tái)插樁過程中土層刺穿效應(yīng)作出評(píng)價(jià)，為該區(qū)域內(nèi)樁靴式基礎(chǔ)插拔樁提供經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：地基承載力；“JU2000E”自升式鉆井平臺(tái)；插樁深度；拔樁過量吃水深度；刺穿效應(yīng)

引言

上海某造船有限公司建造“JU2000E”自升式鉆井平臺(tái)[1][2]，將拖航至臨港碼頭進(jìn)行設(shè)備吊裝。擬建“JU2000E”平臺(tái)為三條樁腿支撐的自升式鉆井平臺(tái)，每條樁腿下端配有一個(gè)樁腳箱（樁靴），其樁腳箱最大截面面積為254m2，有效直徑為18.0m，樁腳箱高度5.945m，體積660m3，樁腳尖高度為1.17m（圖1）。船體每米排水量3400t/m。預(yù)壓載時(shí)，單樁最大預(yù)壓載為11436t，換算成單樁每平方米最大預(yù)壓載為45t。

為了確?！癑U2000E”自升式鉆井平臺(tái)的插樁安全，需對(duì)該區(qū)域進(jìn)行工程地質(zhì)勘察，一方面了解該區(qū)域工程地質(zhì)條件，分析各土層承載力情況；另一方面對(duì)“JU2000E”自升式鉆井平臺(tái)進(jìn)行插、拔樁分析，為“JU2000E”自升式鉆井平臺(tái)插拔樁提供可靠參數(shù)。

1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件及地基土承載力計(jì)算

1.1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察成果顯示，擬建場(chǎng)地屬海岸地貌類型，水下泥面整體較為平坦，受海浪沖刷、潮汐及鄰近已建碼頭等影響，擬建場(chǎng)地東北區(qū)域積淤較高，相應(yīng)泥面標(biāo)高較高，場(chǎng)地標(biāo)高整體為-4.30～-7.80m。

擬建場(chǎng)區(qū)潮汐屬非正規(guī)半日淺海潮區(qū)，根據(jù)1976年～1995年蘆潮港水文站實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，蘆潮港平均海平面0.23m，平均高潮位為1.86m，平均低潮位為-1.34m，最大潮差為5.14m，平均潮差為3.2m；勘察期間測(cè)得最高水位標(biāo)高4.0m，最低水位標(biāo)高0m。場(chǎng)地內(nèi)地層分布情況見下表1。

擬建場(chǎng)地內(nèi)未發(fā)現(xiàn)溶洞、活動(dòng)斷層等不良地質(zhì)條件，為穩(wěn)定場(chǎng)地，適宜本工程的建造。

1.2 地基土承載力計(jì)算

對(duì)于“JU2000E”自升式鉆井平臺(tái)插樁時(shí)考慮樁端需穿透軟弱土層，進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定土層，以滿足承載力要求，故在地基承載力驗(yàn)算時(shí)按地基土極限承載力考慮，因樁靴直徑遠(yuǎn)大于樁身直徑，在插樁過程中僅考慮樁端阻力，忽略樁身與土層間摩阻力。

一般情況下對(duì)于插拔樁地基土承載力可根據(jù)中華人民共和國(guó)石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范》（SY/T6707-2008）[3]推薦的承載力公式進(jìn)行計(jì)算，即：Q=qn×A+γ1×V，其中Q為基礎(chǔ)入泥深度范圍內(nèi)總的極限承載力，A為樁腳的最大平面積，γ1為由樁腳排出土的平均有效密度，V-樁腳排出土的體積。

qn值的計(jì)算方法：對(duì)于不排水的粘性土質(zhì)qn=Su×Nc≤qmax=9Su，Su基礎(chǔ)底面以下B/2深度內(nèi)的平均不排水抗剪強(qiáng)度，Nc不排水粘性土的無量綱承載力系數(shù)，Nc=6×（1+0.2×D/B）≤9，D-樁腿入泥深度B-樁腿直徑；對(duì)于排水粒狀土質(zhì)：qn=0.3rBNr+P0×（Nq-1）≤qmax，R為基礎(chǔ)面以下地基土的平均有效密度，Nr、Nq為排水粒狀土的無量綱承載力系數(shù)，按內(nèi)摩擦角而定，P0為樁腿端部位置的有效上覆土壓力；qmax為qn的限制值，在較深的深度時(shí)使用。其地基承載力計(jì)算參數(shù)詳見下表1，結(jié)算結(jié)果詳見下圖2。

另本文根據(jù)上海地區(qū)經(jīng)驗(yàn)及地方規(guī)范對(duì)地基土承載力進(jìn)行計(jì)算，與上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為更加合理選擇插樁參數(shù)提供依據(jù)。

根據(jù)上海地方經(jīng)驗(yàn)及規(guī)范[4][5]，fd=ψζccdNc+γ0dζqNd+0.5ψNrζrγb，其中Nc、Nd、Nr為承載力系數(shù)，ψ為地基承載力修正值，均按內(nèi)摩擦角設(shè)計(jì)值φd查表取值，cd地基土黏聚力設(shè)計(jì)值，φd地基土的內(nèi)摩擦角設(shè)計(jì)值，其中cd=0.3ck，φd=0.67φk，ck、φk為基土的粘聚力和內(nèi)摩擦角平均值；γ0為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度，地下水位以下取有效重度（kN/m3），γ為基礎(chǔ)底面以下土的重度，地下水位以下取有效重度（kN/m3），d為基礎(chǔ)埋深（m），b為基礎(chǔ)寬度（m），大于6m時(shí)按6m考慮，ζc、ζq、ζr為基礎(chǔ)形狀系數(shù)，條形基礎(chǔ)時(shí)，均為1.0，當(dāng)為矩形基礎(chǔ)時(shí)：ζr=1.0-0.4b/l，ζq=1.0+sinφdb/l，ζc=1.0+0.2b/l，l為矩形基礎(chǔ)長(zhǎng)度，b為矩形基礎(chǔ)寬度，對(duì)于圓形基礎(chǔ)，取l=b=D，D為圓形基礎(chǔ)直徑。結(jié)合fd=fk/rR其中rR一般取2，故極限承載力fk=2fd，地基土承載力計(jì)算參數(shù)見下表2、表3，結(jié)算結(jié)果詳見圖2。

2 “JU2000E”自升式鉆井平臺(tái)插、拔樁分析

2.1 插樁分析

當(dāng)自升式鉆井平臺(tái)在預(yù)定的插樁位置就位后，將樁腳緩慢的插入地基土中入泥，此時(shí)地基土的極限承載力小于平臺(tái)樁腳所施加的壓力時(shí)，平臺(tái)樁腳將繼續(xù)向下貫入，當(dāng)?shù)鼗恋臉O限承載力大于或等于平臺(tái)樁腳所施加的壓力時(shí)，則平臺(tái)樁腳將停止貫入，穩(wěn)定在地層的某一層位，此時(shí)平臺(tái)樁腳尖貫入深度即為平臺(tái)的插樁深度。

單樁每平方米最大預(yù)壓載為45t，根據(jù)設(shè)計(jì)需要考慮自-8.0m深度插樁，以勘探孔ZK1位置為例進(jìn)行分析，根據(jù)上述兩種地基土承載力計(jì)算方法得出結(jié)果為：按《海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范》計(jì)算時(shí)插樁深度需≥10.8m，按上海地方規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)計(jì)算插樁深度需≥10.6m，可見兩種計(jì)算方法針對(duì)臨港碼頭區(qū)域土層承載力計(jì)算結(jié)果差異不大，即“JU2000E”自升式鉆井平臺(tái)在勘探孔ZK1位置插樁深度可考慮為10.8m。

2.2 拔樁分析

“JU2000E”自升式鉆井平臺(tái)空船自重18000t，平臺(tái)過量吃水每米排水量34t/cm。平臺(tái)樁腳箱有效直徑為18.0m，預(yù)壓載時(shí)，每只樁腳的最大預(yù)壓載為11436t。當(dāng)平臺(tái)過量吃水1m時(shí)，可產(chǎn)生上拔力為3400t，即單樁拔樁力為1133t。

由于“JU2000E”型自升式平臺(tái)樁腿為桁架，樁側(cè)摩擦力較小，可以忽略不計(jì)，所以在計(jì)算中只考慮了樁腳箱側(cè)面與周圍土體間的摩阻力。此外，平臺(tái)樁腳箱底部與下部地層的粘著力和吸附力，因樁腳箱底部具有高壓噴水孔，因此在總抗拔力計(jì)算中未予考慮。

平臺(tái)拔樁時(shí)單樁的總抗拔力（R）主要由以下幾方面力所組成：

（1）樁腳箱上覆土體的重量：P1=1/4π（ΣrΗ）Β2×80%，其中r為插樁深度以上各層土體的浮容重（KN/m3），H——插樁深度以上各層土體的厚度（m），B——樁腳箱最大截面等效圓直徑（m）。

（2）樁腳箱側(cè)面與周圍土體間的摩阻力：F1=πBLC，其中L為樁腳箱側(cè)面高度（m），C為樁腳箱側(cè)面高度內(nèi)土體的內(nèi)聚力（kPa）。

（3）插樁深度以上各土層土體破壞所需要的剪切力F2=πB（ΣHC）×80%，H為插樁深度以上各土層厚度（m），C為插樁深度以上各土層內(nèi)聚力（kPa）。

ZK2升樁位置拔樁分析

根據(jù)勘查區(qū)ZK1升樁位置地層情況，當(dāng)“JU2000E”樁腳箱最大截面入土深度為10.8m（樁尖入泥深度為12.0m），其單樁總抗拔力計(jì)算如下：

a）樁腳箱上覆土體的重量P1=1/4π（ΣrΗ）Β2×80%=16866kN=1721t

b）樁腳箱側(cè)面與周圍土體間的摩阻力F1=πBLC=1241kN=127t

c）插樁深度以上各土層土體破壞所需要的剪切力F2=πB（ΣHC）×80%=8104kN=827t

其總抗拔力R為：R=P1+F1+F2=1721+127+827=2675t。

由上述計(jì)算得出的單樁總抗拔力數(shù)值與平臺(tái)過量吃水2.36m時(shí)所提供的單樁拔樁力相近，因此，“JU2000E”平臺(tái)在ZK1插樁位置拔樁時(shí)，需過量吃水約2.4m才能將平臺(tái)樁腿拔起。

2.3 刺穿分析

根據(jù)勘察資料，本擬建場(chǎng)地插樁深度下土層均為硬土層和中密～密實(shí)狀砂（粉）性土層，未見軟弱土層存在，故認(rèn)為“JU2000E”平臺(tái)在ZK1位置深度10.8m處插樁不會(huì)發(fā)生刺穿。

3 結(jié)束語

（1）通過前期勘察表明擬建場(chǎng)地為穩(wěn)定場(chǎng)地，適宜本工程的建造。

（2）通過兩種地基土極限承載力計(jì)算方法對(duì)該場(chǎng)地內(nèi)土層地基承載力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明差異不大，均可作為該“JU2000E”平臺(tái)插拔樁參數(shù)計(jì)算依據(jù)。

（3）根據(jù)本文驗(yàn)算，在上海臨港碼頭區(qū)域內(nèi)，“JU2000E”平臺(tái)插樁深度約10.8m，拔樁時(shí)該平臺(tái)需過量吃水約2.4m才能將樁腿拔起，為以后在該區(qū)域內(nèi)插拔樁提供經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

（4）該區(qū)域范圍內(nèi)插樁深度下未見相對(duì)軟弱土層存在，故認(rèn)為“JU2000E”平臺(tái)在ZK1位置深度10.8m處插樁不會(huì)發(fā)生刺穿。

（5）由于調(diào)查區(qū)水深淺，平臺(tái)樁腿入泥深度較大，當(dāng)平臺(tái)拔樁時(shí)平臺(tái)自身吃水加上過量吃水深度需小于水深深度，為避免平臺(tái)船體觸底，建議選擇在高潮時(shí)段進(jìn)行拔樁，并隨時(shí)觀察船底與海底之間的距離變化。同時(shí)在拔樁過程中應(yīng)使用高壓泵沖去樁腿附近淤泥及回填土（減少樁腳箱以上土體載荷以幫助拔樁），保持沖樁管線系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，減小樁腳箱底部的吸附力。

（6）調(diào)查區(qū)上部②3地層雖屬粉性土層，但其橫向厚度變化較大，地基土承載力不穩(wěn)定，其下部又為軟弱土層，平臺(tái)插樁時(shí)樁腳可能在②3頂部會(huì)有停留，但存在很大刺穿風(fēng)險(xiǎn)，故建議平臺(tái)升樁時(shí)樁腳穿過②3和下部軟弱土層時(shí)防止樁腿突然貫入而對(duì)平臺(tái)造成危險(xiǎn)。

（7）平臺(tái)升樁時(shí)最大預(yù)壓荷載不應(yīng)一次施加于樁腿，而應(yīng)分階段、分級(jí)逐次緩慢增量加載，每次加載后注意觀察、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，防止突然下降而造成平臺(tái)傾斜。

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