鉆井船插拔樁對(duì)鄰近樁影響的模型試驗(yàn)

田兆豐，王建華，范怡飛

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072； 2. 天津大學(xué)巖土工程研究所，天津 300072)

當(dāng)前自升式鉆井船的樁靴直徑一般在十幾至二十幾米之間，在樁靴貫入海床及從土體中拔出的過(guò)程中會(huì)排開大量土體。很多情況下自升式鉆井會(huì)影響鄰近導(dǎo)管架平臺(tái)作業(yè)，因此在插、拔樁過(guò)程中土體的移動(dòng)將會(huì)對(duì)鄰近導(dǎo)管架平臺(tái)的樁基礎(chǔ)產(chǎn)生一定影響。為了分析這一影響，國(guó)內(nèi)外眾多科研人員進(jìn)行了相關(guān)研究，主要開展了數(shù)值模擬[1-4]及模型試驗(yàn)。在模型試驗(yàn)方面，Hossain等于2006年針對(duì)單一黏土層，通過(guò)開展離心模型試驗(yàn)，得出了樁周圍土體流動(dòng)形式[5]；Springman[6]和Stewart[7]給出了樁基礎(chǔ)鄰近大壩時(shí)，受影響樁樁身彎矩分布情況；根據(jù)樁身受到土體水平位移時(shí)樁身響應(yīng)的數(shù)值分析，Lee提出了4種不同的破壞形式[8]；吳永韌等[9]進(jìn)行了砂土中的1g模型試驗(yàn)研究，僅測(cè)量了樁頭位移；Siciliano等[10-12]進(jìn)行了相關(guān)的離心模型試驗(yàn)研究，對(duì)土體位移及對(duì)鄰近樁的影響進(jìn)行分析。土體變形和樁身響應(yīng)是相互聯(lián)系的，但同時(shí)插拔樁過(guò)程中研究土體位移和樁身內(nèi)力和變形的相關(guān)模型試驗(yàn)較少，結(jié)論的準(zhǔn)確性有待驗(yàn)證，該課題需要進(jìn)一步研究分析。

本文進(jìn)行了自由樁頭條件下黏土場(chǎng)地中鉆井船插拔樁1g模型試驗(yàn)，模擬鉆井船插拔樁對(duì)鄰近樁的影響。試驗(yàn)過(guò)程中主要監(jiān)測(cè)并記錄鄰近樁樁身彎矩、土體水平位移、樁頭水平位移及插拔樁阻力等，對(duì)測(cè)量物理量進(jìn)行分析，結(jié)合土體位移變化與樁身響應(yīng)進(jìn)行綜合分析，在一定程度上闡明兩者之間的關(guān)系。

1 1g模型試驗(yàn)

由于試驗(yàn)土箱的限制，該試驗(yàn)幾何相似比為1∶100。工程中樁靴為剛性體，不對(duì)其材料進(jìn)行相似分析。鄰近樁為柔性樁，樁身的環(huán)形內(nèi)徑為10.0 mm，外徑為12.4 mm；入土深度為900 mm。樁身材料為鋁合金，彈性模量為70 GPa，對(duì)應(yīng)原型樁材料為鋁合金，彈性模量為70 GPa，彈性模量的相似比為1∶1。

試驗(yàn)在1g條件下進(jìn)行，雖然鄰近樁及樁靴滿足幾何相似和材料模量相似，但是受模型比尺影響對(duì)應(yīng)位置土中的自重應(yīng)力減小為原型自重應(yīng)力的1/100。1g模型試驗(yàn)中不能復(fù)制土體非線性及受應(yīng)力影響的性質(zhì)，不能再現(xiàn)原型試驗(yàn)，但是針對(duì)1g條件下數(shù)據(jù)變化規(guī)律進(jìn)行分析，為實(shí)驗(yàn)室后續(xù)離心模型試驗(yàn)提供經(jīng)驗(yàn)及方法。

1.1 試驗(yàn)用土箱及土層

試驗(yàn)用土箱長(zhǎng)1.2 m，寬1.0 m，高1.2 m。試驗(yàn)在黏土中進(jìn)行，制土方法參見文獻(xiàn)[13]，土層厚0.9 m，物理性質(zhì)指標(biāo)為含水率42%, 天然重度17.88 kN/m3，液限44.44%，塑限27.01%，塑性指數(shù)17.43。

在試驗(yàn)開始前使用電動(dòng)十字板對(duì)土體的不排水剪切強(qiáng)度Su進(jìn)行了測(cè)量。共測(cè)量9個(gè)點(diǎn)位不同深度Su值，如圖1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：土體沿深度方向不排水抗剪強(qiáng)度有所增加但變化較小，土層均勻性良好，平均不排水抗剪強(qiáng)度為7.4 kPa。

圖1 試驗(yàn)土層不排水抗剪強(qiáng)度值Fig.1 Undrained shear strength of test soil layer

1.2 模型試驗(yàn)裝置及安裝

圖2 試驗(yàn)設(shè)備安裝布置示意(單位：mm)Fig.2 Layout of test equipment installation(unit： mm)

試驗(yàn)所用樁靴模型截面為圓形，其最大直徑為180 mm，用D表示，如圖2和3所示。試驗(yàn)中插、拔樁速為0.1 mm/s，試驗(yàn)所用加載機(jī)構(gòu)為伺服控制系統(tǒng)，主要包括計(jì)算機(jī)、波形發(fā)生器、伺服控制器、伺服電機(jī)及與之連接的電動(dòng)缸。電動(dòng)缸通過(guò)加載架豎直安裝在試驗(yàn)土箱上，連接力傳感器后與樁靴相連，如圖3(a)所示。為了研究鄰近樁與樁靴之間距離對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，在距離樁靴0.25D和0.50D兩種條件下安裝鄰近樁及土體位移測(cè)量裝置。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備安裝布置實(shí)物 Fig.3 Layout of test equipment installation

試驗(yàn)選用內(nèi)徑10.0 mm，外徑12.4 mm，長(zhǎng)1.1 m的鋁合金管材制作鄰近樁模型。樁身布置9對(duì)應(yīng)變片，間隔0.1 m，用于測(cè)量樁身彎矩，如圖2(a)所示。由于模型樁需要在飽和軟黏土中工作，在應(yīng)變片安裝完成后用防水膠進(jìn)行了密封處理。樁頭為自由狀態(tài)，試驗(yàn)中模型樁受到擠土力的作用，樁頭產(chǎn)生水平位移，通過(guò)機(jī)電百分表測(cè)量試驗(yàn)樁頭水平位移，測(cè)量位置距離土體表面250 mm，如圖2和3所示。

圖4 土體位移測(cè)量裝置工作示意Fig.4 Working conditions of soil displacement measuring equipment

采用拉桿式位移傳感器對(duì)樁靴深度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。安裝方法如圖3所示，將其豎直固定在電動(dòng)缸一側(cè)，使用連接件與電動(dòng)缸出桿連接。在樁靴連接桿和電動(dòng)缸加載桿之間安裝力傳感器測(cè)量插拔樁靴過(guò)程中阻力。

在鉆井船插樁試驗(yàn)中，樁靴豎直向下逐漸貫入土體內(nèi)部，在此過(guò)程中，樁靴擠壓土體，使樁靴周圍土體向外及向下運(yùn)動(dòng)。為了測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中的土體水平位移，開發(fā)出土體位移測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括：楔形端頭、測(cè)量單元、航空接頭、引線、USB接頭、橡膠套管及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，測(cè)量設(shè)備豎直安裝在土體中，當(dāng)樁靴插入土體時(shí)，土體產(chǎn)生變形，設(shè)備測(cè)量單元逐漸傾斜，其工作狀態(tài)如圖4所示。

測(cè)量裝置核心構(gòu)件為8個(gè)測(cè)量單元，從底部到頂部依次編號(hào)為1號(hào)到8號(hào)，測(cè)量單元之間通過(guò)鉸接釘相連，保證相鄰單元之間可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)樵O(shè)備最底端的楔形端頭固定，所以將楔形端頭與1號(hào)測(cè)量單元鉸接處作為計(jì)算土體水平位移的零點(diǎn)。從最底端的1號(hào)測(cè)量單元開始計(jì)算，由1號(hào)測(cè)量單元測(cè)出的角度變化值轉(zhuǎn)化為弧度變化值Δα后，與兩鉸接釘之間的距離l(0.1)相乘，即可得到1號(hào)與2號(hào)測(cè)量單元鉸接處的水平位移，試驗(yàn)中認(rèn)為鉸接處位移即為該深度處土體水平位移；采用相同方法計(jì)算2號(hào)與3號(hào)測(cè)量單元鉸接處相對(duì)水平位移后，與上一鉸接處水平位移相加可得該位置實(shí)際水平位移；以此類推，計(jì)算出所有鉸接位置處土體水平位移，即為不同深度處土體水平位移。

在試驗(yàn)過(guò)程中土體只產(chǎn)生樁靴徑向的位移，土體位移測(cè)量設(shè)備安裝時(shí)應(yīng)保證設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)方向與樁靴徑向相一致。將設(shè)備對(duì)準(zhǔn)待測(cè)位置，使用壓桿將其豎向壓入土體中。鄰近樁模型安裝時(shí)保證應(yīng)變片朝向樁靴，豎直插入土體中，之后安裝機(jī)電百分表，測(cè)量插樁試驗(yàn)過(guò)程中樁頭的水平位移。

1.3 模型試驗(yàn)過(guò)程

模型試驗(yàn)具體過(guò)程[14]：①試驗(yàn)所用模型樁及土體位移測(cè)量裝置安裝完成后，經(jīng)過(guò)4 d土體恢復(fù)后進(jìn)行試驗(yàn)。②試驗(yàn)中保持插樁速率為0.1 mm/s，插樁深度達(dá)到0.45 m后插樁階段完成。③模擬鉆井船工作階段，切換伺服控制器工作模式，使阻力保持在插樁最大阻力的90%持續(xù)9 h，在這個(gè)過(guò)程中樁靴仍然向下運(yùn)動(dòng)，最終深度可以達(dá)到0.48 m。④隨后進(jìn)入拔樁階段，拔樁速率與插樁速率相同，當(dāng)樁靴提升至插樁初始位置時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。⑤移除試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)土體進(jìn)行堆載固結(jié)，等待土體強(qiáng)度恢復(fù)進(jìn)行下一次試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 彎 矩

兩次試驗(yàn)鄰近樁邊緣距樁靴邊緣距離分別為0.25D和0.50D，試驗(yàn)測(cè)量插拔樁過(guò)程中樁身彎矩隨樁靴深度的變化，如圖5所示。

圖5 樁身彎矩隨樁靴深度變化Fig.5 Curves of pile moment along pile at different spudcan depths

試驗(yàn)結(jié)果表明：①隨著插樁深度的增加，出現(xiàn)樁身最大正彎矩及負(fù)彎矩的土體深度逐漸增加，樁身正彎矩也逐漸增大；隨著樁靴與鄰近樁距離的增加，同一插樁深度下樁身所受最大彎矩逐漸減小，表明插樁對(duì)鄰近樁的影響逐漸減?。虎谠谀M鉆井船工作階段過(guò)程中，樁靴進(jìn)一步插入土體中0.03 m，拔樁初始位置樁靴深度為0.48 m；③隨著樁靴提升，第一階段最大樁身彎矩逐漸減小后逐漸增加并達(dá)到最大，第二階段樁身彎矩減小后增加隨后恒定；④兩次試驗(yàn)樁靴拔出后樁身最大殘余彎矩為插樁最大彎矩的41.4%和50.9%，樁靴拔除后鄰近樁樁身仍然殘余較大彎矩，插拔樁產(chǎn)生的土體變形仍然對(duì)鄰近樁造成較大影響；⑤插樁完成后，鄰近樁受到較大的擠土作用產(chǎn)生較大樁身彎矩，樁靴拔除后，雖然擠土力的作用降低，樁身彎矩減小，但樁身仍然存在較大殘余彎矩。實(shí)際工程中，插樁及拔樁的過(guò)程都會(huì)選擇在較好的工況下進(jìn)行，但是鉆井船鄰近導(dǎo)管架平臺(tái)工作階段及鉆井船工作完成離開平臺(tái)后，鄰近平臺(tái)會(huì)遇到各種復(fù)雜工況，此時(shí)樁身受各種荷載及擠土力共同作用，在平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮該因素造成的影響，以確保安全。

2.2 土體位移

兩次試驗(yàn)土體位移測(cè)量裝置邊緣距樁靴邊緣距離分別為0.25D和0.50D，試驗(yàn)測(cè)量插拔樁過(guò)程中土體水平位移隨樁靴深度的變化，見圖6。圖中負(fù)值為土體遠(yuǎn)離樁靴運(yùn)動(dòng)，正值為朝向樁靴方向運(yùn)動(dòng)。結(jié)果表明：隨著樁靴逐漸插入土體中，產(chǎn)生位移的土體深度范圍逐漸擴(kuò)大，最大水平位置出現(xiàn)的位置逐漸下移；插樁過(guò)程中，0～0.4 m深度內(nèi)土體產(chǎn)生少量回淤；同一插樁深度下，土體最大水平位移產(chǎn)生的深度與樁靴所在土體深度接近。插樁深度達(dá)到0.2 m后，同一時(shí)刻最大土體位移基本出現(xiàn)在插樁深度處。隨著樁靴與測(cè)量裝置距離的增加，插樁深度相同時(shí)產(chǎn)生的最大土體位移逐漸減小。

工作階段土體位移基本不變，將拔樁初始水平位移設(shè)置為參考0位，如圖6(c)和(d)所示，隨著樁靴提升土體朝向樁靴運(yùn)動(dòng)，即此時(shí)樁靴帶動(dòng)周圍土體產(chǎn)生一定量土體水平位移，與樁身彎矩變化相對(duì)應(yīng)，最大樁身彎矩出現(xiàn)深度與最大土體位移出現(xiàn)深度基本相同，兩者的變化規(guī)律較為相似，也就是說(shuō)土體位移變化直接影響樁身彎矩變化。結(jié)合圖6(a)和(b)數(shù)據(jù)表明，試驗(yàn)結(jié)束后土體存在一定殘余的位移，這也是試驗(yàn)完成后樁身存在彎矩的主要原因。

圖6 土體水平位移隨樁靴深度變化Fig.6 Curves of lateral soil displacement distribution at different spudcan depths

2.3 插拔樁靴阻力

樁頭水平位移是插拔樁過(guò)程中樁靴對(duì)鄰近樁影響在土體表面的直觀表現(xiàn)，在工程中表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)的水平位移。樁頭水平位移隨樁靴深度變化如圖7所示?？梢?，隨著插樁深度增加，樁頭位移首先逐漸遠(yuǎn)離樁靴，當(dāng)插樁深度達(dá)到0.1 m時(shí)，水平位移基本達(dá)到最大，隨后樁頭朝向相反方向運(yùn)動(dòng)，插樁結(jié)束時(shí)樁頭水平位移與初始位置偏差很??；拔樁開始樁頭逐漸向遠(yuǎn)離樁靴方向運(yùn)動(dòng)，達(dá)到一定值后向樁靴方向運(yùn)動(dòng)，拔樁階段結(jié)束后樁頭偏離初始位置較遠(yuǎn)；隨著樁靴與鄰近樁距離的增加，插拔過(guò)程中產(chǎn)生的樁頭位移逐漸減小。

從圖8可以看出，插樁過(guò)程中插樁阻力逐漸增大，由于土體強(qiáng)度沿深度方向強(qiáng)度變化比較均勻，每次試驗(yàn)中插樁阻力快速增加后趨于穩(wěn)定，最終可以達(dá)到1.47 kN左右；拔樁階段開始瞬間阻力由壓力變成拉力，當(dāng)拉力達(dá)到最大值后到達(dá)一穩(wěn)定階段，隨后阻力逐漸降低，有的位置出現(xiàn)較小幅度的臺(tái)階式下降；樁靴到達(dá)一定位置后阻力瞬間下降，快速減小為0。

圖7 樁頭水平位移隨樁靴深度變化Fig.7 Curves of pile head displacement and spudcan depth

圖8 插拔樁阻力隨樁靴深度變化Fig.8 Curves of spudcan resistance and spudcan depth

試驗(yàn)中可以觀察到拔樁阻力突降為0時(shí)，樁靴底部已經(jīng)和土體分離，樁頭位移隨樁靴深度變化曲線出現(xiàn)明顯彎折，樁身彎矩也發(fā)生較大突變，鄰近樁樁身響應(yīng)在這一時(shí)刻產(chǎn)生了突變。通過(guò)分析拔樁阻力的變化，認(rèn)為樁靴底部所能提供的吸附力及樁周土提供的摩擦力的合力由小到大再逐步減小至0，其中樁靴底部和土體之間的吸力起著主導(dǎo)作用。拔樁的最大阻力為插樁過(guò)程中最大阻力的2/3。

插樁過(guò)程中樁身各應(yīng)變片測(cè)量彎矩值變化規(guī)律明顯，拔樁過(guò)程中鄰近樁距離樁靴邊緣0.25D試驗(yàn)中，應(yīng)變片測(cè)量彎矩值有震蕩，導(dǎo)致曲線變化并不平滑，但鄰近樁距離樁靴邊緣0.50D試驗(yàn)中只在樁靴與土體分離時(shí)有較大突變，根據(jù)拔樁過(guò)程中測(cè)量樁靴阻力發(fā)現(xiàn)，若樁靴阻力有明顯臺(tái)階式下降時(shí)，此時(shí)對(duì)彎矩即會(huì)產(chǎn)生明顯震蕩，該現(xiàn)象表明樁靴通過(guò)土體對(duì)鄰近樁產(chǎn)生作用時(shí)，樁靴與土體的接觸狀態(tài)對(duì)鄰近樁會(huì)產(chǎn)生較大影響。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著插樁深度的增加，鄰近樁樁身最大彎矩及最大土體水平位移產(chǎn)生的位置逐漸加深；拔樁過(guò)程中，由于土體向樁靴方向運(yùn)動(dòng)，土體位移逐漸恢復(fù)，樁身彎矩逐漸減小，但由于土體產(chǎn)生較大塑性變形，最終土體位移及樁身彎矩并未回到初始狀態(tài)。這說(shuō)明土體位移變化直接導(dǎo)致樁身響應(yīng)變化，兩者存在一定正相關(guān)性。

隨著鄰近樁與樁靴距離的增加，樁身彎矩、土體位移及樁頭水平位移逐漸降低，樁靴對(duì)鄰近樁的影響逐漸減小，由于試驗(yàn)次數(shù)相對(duì)較少，關(guān)于樁靴與鄰近樁距離對(duì)試驗(yàn)的影響只能做出定性判斷，該條件下插樁影響范圍需要繼續(xù)開展試驗(yàn)進(jìn)行確定。

在插樁過(guò)程中樁頭先向樁靴對(duì)側(cè)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到最大位移后朝向樁靴方向運(yùn)動(dòng)，拔樁過(guò)程樁頭位移繼續(xù)向樁靴方向移動(dòng)，但最終并沒(méi)有回到插樁前樁頭的初始位置，樁身仍然存在殘余彎矩，實(shí)際工程中應(yīng)予以考慮。

插樁過(guò)程中插樁阻力逐漸增加，達(dá)到一定深度后逐漸穩(wěn)定。拔樁過(guò)程中拔樁阻力先增大，達(dá)到最大值后一段時(shí)間保持基本穩(wěn)定，隨著樁靴底部與土體逐漸分離拔樁阻力突降，短時(shí)間內(nèi)阻力變?yōu)?，此時(shí)樁靴和土體之間的相互作用減小，樁靴對(duì)鄰近樁的影響也隨之減弱，此時(shí)刻后拔樁過(guò)程中樁身產(chǎn)生的負(fù)彎矩迅速變?yōu)檎龔澗?，并逐漸穩(wěn)定。在實(shí)際拔樁過(guò)程中應(yīng)對(duì)阻力的突然降低予以關(guān)注，避免因此造成失穩(wěn)。

試驗(yàn)中對(duì)樁身彎矩、土體位移、水平位移及樁頭水平位移測(cè)量方法進(jìn)行了驗(yàn)證，并得出各物理量數(shù)據(jù)變化規(guī)律，就該試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，由于1g試驗(yàn)的局限性，其試驗(yàn)結(jié)果對(duì)工程指導(dǎo)有限，但是該試驗(yàn)的意義主要在于為后續(xù)1g模型試驗(yàn)和離心試驗(yàn)的開展提供一些可行的方法及數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，力爭(zhēng)在離心試驗(yàn)中獲得更多有價(jià)值的數(shù)據(jù)。