砂土及黏土場地鉆井船插樁對鄰近樁的影響

高維杰，王建華，田兆豐，范怡飛

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(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))

鉆井船是海洋石油開采工程中的重要工具。自升式鉆井船工作時依靠樁靴貫入海床中提供豎向支撐力和水平抵抗力，樁靴貫入及拔出過程中會排開大量土體，對周圍土體擾動特別大。然而鉆井船工作時附近可能有海洋樁平臺，鉆井船樁靴貫入及拔出產(chǎn)生的土體位移會擠壓樁基礎(chǔ)，使樁撓曲、傾斜甚至失穩(wěn)，對臨近樁平臺產(chǎn)生不利影響。因此有必要對鉆井船樁靴在不同場地中貫入及拔出對鄰近樁的影響進(jìn)行研究。

針對鉆井船插拔樁對鄰近樁的影響，國內(nèi)外學(xué)者開展了一些研究。Siciliano等[1]針對鉆井船在正常固結(jié)軟黏土場地插樁問題進(jìn)行了100g條件下的離心模型試驗(yàn)，分析了不同樁靴與鄰近樁間距時樁靴貫入對鄰近樁的影響，并通過梁-柱模型建立鄰近樁與周圍土體的相互作用關(guān)系，根據(jù)樁身彎矩對樁靴貫入產(chǎn)生的土體位移進(jìn)行了反分析。Craig[2]針對鉆井船在黏土上覆蓋砂土場地中的插樁問題也進(jìn)行了100g條件下的離心模型試驗(yàn)，分析插樁過程對鄰近樁水平承載力的影響。Stewart[3]針對自升式鉆井平臺插拔樁后鄰近樁受到橫向荷載的情況，分析不同強(qiáng)度黏土中樁靴貫入過程對鄰近樁水平承載特性產(chǎn)生的影響，為研究不同強(qiáng)度土層中的樁身響應(yīng)提供參考依據(jù)。以上工作雖然對黏土場地中插、拔樁靴對鄰近樁的影響進(jìn)行了一定研究，但沒有研究樁靴對周圍土體的影響。Xie[4]在軟黏土場地和砂土上覆蓋黏土的場地中進(jìn)行100g條件下的離心模型試驗(yàn)，利用PIV技術(shù)揭示了周圍土體變形機(jī)理。田兆豐[5]通過實(shí)驗(yàn)室自行研發(fā)的土體位移測量裝置測得特定位置處土體位移也為兩段法計(jì)算提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。以上研究大部分是關(guān)于黏土場地和黏土上方或下方鋪設(shè)砂土的場地中插拔樁對鄰近樁影響的研究。吳永韌等[6]通過1g條件下的模型試驗(yàn)，分析了飽和粉砂地基中樁靴貫入對臨近平臺樁基礎(chǔ)的影響；盡管他對粉砂場地中樁靴貫入對鄰近樁的影響進(jìn)行研究分析，但對鄰近樁響應(yīng)的介紹較少。

綜上所述，目前鉆井船插拔樁對鄰近樁影響的研究主要針對某單一土層場地或者混合成層土場地進(jìn)行研究，雖然對于不同場地插拔樁對鄰近樁的影響已有了一定認(rèn)識，但仍然缺少系統(tǒng)的比較和研究。針對上述問題本文分別在黏土和砂土場地中進(jìn)行了插、拔樁試驗(yàn)，分析研究不同場地中鉆井船插樁對鄰近樁的影響，以及不同工作場地中鉆井船插、拔樁阻力對鄰近樁影響的規(guī)律。

1 模型試驗(yàn)概況

模型試驗(yàn)具體過程：①制備試驗(yàn)土體，并安裝鄰近樁及土體位移測量裝置；②測量試驗(yàn)土體土性參數(shù)；③試驗(yàn)中保持樁靴貫入速率為0.1 mm/s，貫入到預(yù)定位置為止(黏土場地中樁靴貫入深度dc=0.45 m，砂土場地中樁靴貫入深度ds=0.15 m)；④切換伺服加載裝置，對樁靴施加恒定的力，模擬鉆井船工作過程；⑤拔樁過程中樁靴上拔速度為0.1 mm/s，樁靴拔出泥面后停止。

1.1 模型參數(shù)及土層

模型試驗(yàn)樁靴原型直徑Dp=18 m，為減小邊界效應(yīng)的影響，使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，確定模型試驗(yàn)尺寸相似比N=100，即模型樁靴直徑D=18 cm。樁基礎(chǔ)豎向承載力主要由樁端阻力(端承樁)和樁身摩擦阻力(摩擦樁)兩方面提供，為增加摩擦阻力一般加長樁基礎(chǔ)，按照相對剛度分類，屬于柔性樁[7]，根據(jù)鄰近樁模型的尺寸形狀，選用鋁合金圓管，鄰近樁模型具體參數(shù)為內(nèi)徑10.0 mm，外徑12.3 mm，樁長1.1 m，彈性模量為70 GPa，截面慣性矩526.7 mm4。鄰近樁模型入土0.9 m，沿樁身布置9對應(yīng)變片測量樁身彎矩，1號應(yīng)變片布置在距離樁尖0.1 m處， 9號應(yīng)變片在土面處, 兩對應(yīng)變片之間間隔0.1 m。

土體位移測量裝置由實(shí)驗(yàn)室自行設(shè)計(jì)制作，裝置共10段，底端固定，中間8段為測量單元，頂端是信號集成端及接口。試驗(yàn)所用場地土體厚0.9 m，具體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 場地土體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)Tab.1 Parameter index of physical and mechanical properties of clay

圖1 電動十字板剪切試驗(yàn)測點(diǎn)(單位：mm)Fig.1 Testing points for monitoring undrained shear strength (unit: mm)

用分層擊實(shí)法現(xiàn)場制備砂土土層。土層厚0.9 m，每層0.1 m，分9層填裝砂土，每層劃分均勻的7塊，每塊裝土190 kg，每層裝土完成后將土整平，用擊實(shí)錘擊實(shí)達(dá)到預(yù)定厚度。

對黏土場地進(jìn)行電動十字板剪切試驗(yàn)，測點(diǎn)位置如圖1所示。測試結(jié)果(圖2)表明，該試驗(yàn)土層不排水抗剪強(qiáng)度隨土體深度略有增加，土體抗剪強(qiáng)度隨土體深度變化的擬合函數(shù)為：

Su=5.8+2.75d1

(1)

式中：Su為土體不排水抗剪強(qiáng)度(kPa)；d1為土體深度(m)。

圖2 不同位置測點(diǎn)處不排水抗剪強(qiáng)度Fig.2 Undrained shear strength of different monitoring points

1.2 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)過程中鄰近樁樁頭完全自由，即不約束樁頭的位移和轉(zhuǎn)角。在距離鄰近樁0.5D(D表示樁靴直徑，本試驗(yàn)的樁靴直徑為18 cm)位置以0.1 mm/s速度進(jìn)行插樁和拔樁。鄰近樁及土體位移測量裝置分別安裝在樁靴兩側(cè)，距離樁靴邊緣0.5D(見圖3和4)。伺服電動缸通過反力架與模型箱相連，并由它帶動樁靴以0.1 mm/s的速度貫入及拔出，為了測量樁靴貫入阻力及拔出抗力，樁靴與電動缸推桿之間由力傳感器連接。為準(zhǔn)確測量樁靴在土體以下的深度，安裝1個55 cm量程的位移傳感器。在樁的研究中，樁頭位移十分重要，可以簡化認(rèn)為是樁身位移的外在表現(xiàn)，所以樁頭處需要通過機(jī)電百分表測量樁頭位移。

圖3 試驗(yàn)平面布置(單位： mm)Fig.3 Plan layout of model tests (unit: mm)

圖4 試驗(yàn)設(shè)備剖面(單位： mm)Fig.4 Profile of model tests (unit: mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 插樁及拔樁阻力

圖5為樁靴貫入阻力隨插樁深度變化曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明，在黏土場地樁靴貫入過程中，當(dāng)樁靴貫入0.1 m深(約為0.5D)后插樁阻力基本穩(wěn)定，最大插樁阻力和樁靴尺寸與黏土的物性指標(biāo)密切相關(guān)；而在砂土場地樁靴貫入過程中，樁靴貫入阻力曲線是一條光滑的折線，轉(zhuǎn)折點(diǎn)在0.02 m深度處(約為0.1D)，兩條直線的不同斜率表示插樁阻力不同的變化速率，轉(zhuǎn)折點(diǎn)之前的插樁阻力變化速率較小，轉(zhuǎn)折點(diǎn)之后的插樁阻力變化速率較大。砂土場地的樁靴貫入阻力整體上隨深度呈線性增大。

SNAME認(rèn)為插樁阻力可以看成是土體豎向極限承載力考慮土體回淤和樁靴替換部分土體[8]。從試驗(yàn)現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)，砂土場地中貫入樁靴，插樁坑出現(xiàn)部分回淤，回淤土體的深度約為插樁坑高度的一半。砂土場地的最大樁靴貫入阻力計(jì)算式為：

(2)

(3)

圖6是樁靴貫入阻力實(shí)測值和由式(2)得到的計(jì)算值隨插樁深度變化的曲線。從圖6可見，樁靴貫入阻力變化曲線存在一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)，轉(zhuǎn)折點(diǎn)以前樁靴貫入阻力變化速率較慢，轉(zhuǎn)折點(diǎn)以后樁靴貫入阻力變化速率較快，這與SNAME計(jì)算式(2)得到的結(jié)果基本一致。

圖5 樁靴貫入阻力Fig.5 Resistance of spudcan penetration

圖6 砂土場地樁靴貫入阻力實(shí)測值和計(jì)算值Fig.6 Measured and calculated values of penetration resistance of spudcan in sand

圖7 樁靴拔出阻力Fig.7 Resistance of spudcan extraction in clay and sand

圖7是拔樁阻力隨拔樁深度變化的曲線。從圖7可見，黏土場地拔樁在初始階段拔樁力迅速增加，當(dāng)樁靴拔出1D后拔樁阻力基本穩(wěn)定，當(dāng)樁靴距離土面0.12 m處，拔樁阻力迅速變小并趨于零，從試驗(yàn)中可以看出，此時樁靴和土完全分離；砂土場地中拔樁阻力初始階段會迅速增大，達(dá)到峰值后又迅速減小，當(dāng)減小到一定程度后變化速率減緩。和黏土場地的拔樁相比較，砂土場地中拔樁阻力在初期變化最劇烈，后期較為穩(wěn)定；而黏土場地的拔樁過程則相反。

Purwana[9]對黏土場地中拔樁的研究表明，拔樁阻力有很大一部分由樁底吸力貢獻(xiàn)。分析拔樁阻力的變化，表明在該拔樁速率下，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是一個由小到大隨后突降為0的過程，其中樁靴底部和土體之間的吸力起主導(dǎo)作用。

砂土場地中的拔樁阻力曲線在初期(樁靴從0.16 m到0.15 m)增長迅速，達(dá)到峰值；在中期(樁靴從0.15 m到0.13 m)迅速減小，減到峰值的50%；在后期(樁靴從0.13 m到完全拔出過程)基本保持線性減少趨勢，直至減小到零。

Meyerhof和Adams在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)砂土場地中拔樁的土體破壞面呈圓臺形狀，將此破壞面簡化為圓柱形滑動剪切面，通過豎向剪切面土壓力影響系數(shù)Ku將兩者聯(lián)系起來,并提出一個半經(jīng)驗(yàn)式計(jì)算拔樁極限承載力Pu[10]。

(4)

(5)

式中：W為樁靴上部土體重量，W=πDγl;Ku為豎向剪切面土壓力影響系數(shù)，Ku=0.496φ；Sr為被動土壓力形狀影響系數(shù)，Sr=1+ml/D，系數(shù)m在表2中選取。

表2 系數(shù)m參考值Tab.2 Reference values of m

圖8 砂土場地樁靴上拔阻力計(jì)算值和實(shí)測值Fig.8 Measured and calculated values of resistance of spudcan extraction in sand

Meyerhof-Adams經(jīng)驗(yàn)式在初始時刻認(rèn)為樁靴上部泥面齊平，與試驗(yàn)過程中拔樁初始狀態(tài)吻合，通過Meyerhof-Adams法計(jì)算得到樁靴上拔阻力的理論值(見圖8)。從圖8可見，當(dāng)砂土內(nèi)摩擦角按照試驗(yàn)前的參數(shù)取41°時計(jì)算得到的值比實(shí)測值偏大，當(dāng)內(nèi)摩擦角取25°時，理論值和實(shí)測值吻合較好。這可能是由于該部分土體是周圍土體回淤后產(chǎn)生的，相比試驗(yàn)前制備的密實(shí)土體，這部分土體是松散的。經(jīng)過擾動，土體發(fā)生了弱化，其物性參數(shù)發(fā)生改變。樁靴在0.14 ～0.16 m位置時，樁靴上拔阻力實(shí)測值明顯大于理論值，此時應(yīng)該存在其他的影響因素，例如樁靴與下部土體的黏聚力，針對此問題沒有開展進(jìn)一步研究。

對比黏土場地和砂土場地中的插、拔樁阻力發(fā)現(xiàn)：①插樁過程中，在兩種不同場地樁靴貫入相同深度時，樁靴貫入阻力值的大小相差懸殊，在樁靴貫入0.15 m深時，黏土場地的樁靴貫入阻力是砂土場地的16.4%，因此樁靴在不同場地中的相同深度，砂土場地可以提供更大的承載力；②拔樁過程中，在黏土場地的拔樁阻力最大值是砂土場地的5倍，因此砂土場地中拔樁可以較為輕松地完成，而在黏土場地中需要更加詳細(xì)的論證和研究；③黏土場地中拔樁阻力最大值是插樁阻力最大值的66.5%，砂土場地中拔樁阻力最大值是插樁阻力最大值的2.1%。

2.2 土體位移

樁靴直接作用于土體，插、拔樁過程中對周圍土體擾動非常劇烈，造成土體水平方向的移動。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，樁靴貫入過程中，黏土土體回淤不明顯，砂土土體出現(xiàn)部分回淤，模型樁靴被砂土覆蓋；樁靴拔出過程中，黏土土體部分回淤，砂土土體回淤明顯，插樁坑基本不可見。圖9和10分別給出了插樁和拔樁過程中距離樁靴邊緣0.5D處的黏土及砂土土體水平位移場。

圖9(a)和圖10(a)是樁靴貫入過程中鄰近樁周圍土體的水平運(yùn)動，從圖中可以看出，樁靴貫入造成樁靴周圍土體向遠(yuǎn)離樁靴的方向運(yùn)動，隨著樁靴向下貫入，發(fā)生最大土體水平位移處逐漸下移，且發(fā)生在樁靴水平位置深度處；樁靴水平位置以上的土體表現(xiàn)為運(yùn)動減緩、停滯甚至回淤的現(xiàn)象，此時土體處于卸載狀態(tài)。圖9(b)和圖10(b)顯示的是樁靴拔出過程中鄰近樁周圍土體的水平運(yùn)動，從圖中可以看出，樁靴拔出使鄰近樁附近土體向樁靴方向運(yùn)動，雖然拔樁過程初始條件不同，但是可以看出樁靴從0.15 m上拔至泥面處，黏土土體運(yùn)動變化更為明顯。

圖11是樁靴貫入深度0 ≤d≤0.15 m過程中土體水平位移在各個時刻的比較。由圖可知，在泥面處的土體位移非常相似，基本為2～5 mm，但隨著深度加深，變化規(guī)律表現(xiàn)不同。在黏土場地中當(dāng)插樁深度小于0.1 m時，最大土體位移發(fā)生在泥面處，當(dāng)插樁深度大于0.1 m時，最大土體位移發(fā)生在樁靴水平位置處；而在砂土場地中，最大土體位移基本發(fā)生在樁靴水平位置處。比較樁靴貫入0.15 m時刻的土體水平位移，發(fā)現(xiàn)砂土場地的最大土體水平位移比黏土場地的最大土體水平位移大，約是黏土場地的1.6倍，說明樁靴貫入在砂土場地的水平方向上影響較大；在樁靴貫入深度0 ≤d≤0.15 m過程中，砂土場地0.5 m深度以下土體基本沒有發(fā)生變化，而在黏土場地則發(fā)生了更加明顯的變化，特別是d=0.12 m及以后的過程，由此可見樁靴貫入在黏土場地的垂直方向上影響大。

圖9 黏土場地中土體水平位移Fig.9 Horizontal displacement of soil mass in clay

圖10 砂土場地中土體水平位移Fig.10 Horizontal displacement of soil mass in sand

圖11 插樁過程中土體水平位移(0≤d≤0.15 m)Fig.11 Horizontal displacement of soil mass during spudcan penetration (0≤d≤0.15 m)

2.3 樁身彎矩

土體運(yùn)動會擠壓鄰近樁，使鄰近樁受力產(chǎn)生彎曲和移動，從而影響鄰近樁的安全。圖12給出了插、拔樁過程中的樁身彎矩分布，規(guī)定樁靴一側(cè)受拉為正受壓為負(fù)。從圖12可以看出，插樁初期，沿樁身都是負(fù)彎矩，表示樁靴一側(cè)受拉，此時樁靴排開泥面處土體，土體擠壓鄰近樁上部，使鄰近樁向遠(yuǎn)離樁靴的方向彎曲。隨著樁靴貫入深度增加，負(fù)彎矩最大處逐漸下移，并且數(shù)值逐漸增大，上部逐漸出現(xiàn)正彎矩，正彎矩的發(fā)展趨勢和負(fù)彎矩基本相同，最大彎矩處逐漸下移，且數(shù)值逐漸增大。拔樁過程中，黏土場地中樁身彎矩變化比較明顯，最大樁身彎矩減小，0.5 m(拔樁初始時刻樁靴位置)以下樁身彎矩隨著樁靴上拔逐漸減小，此時土體受樁身拔出影響產(chǎn)生回淤，土體對鄰近樁卸載；砂土場地中樁身彎矩變化不明顯，從初始時刻和結(jié)束時刻可以看出樁身彎矩減小。

圖12 黏土和砂土場地中樁身彎矩Fig.12 Bending moment of pile shaft during spudcan penetration and extraction in clay and sand

黏土場地中最大負(fù)彎矩是最大正彎矩的75%，砂土場地中的最大負(fù)彎矩是最大正彎矩的2倍。上文中已經(jīng)證明插樁對砂土場地有很大擾動，使上部土體弱化，因此在砂土場地中插樁時，樁靴上部土體弱化，對鄰近樁的支持力減弱，下部土體被擠密增強(qiáng)了鄰近樁的水平承載力，與文獻(xiàn)[11-13]的研究結(jié)果一致。此時出現(xiàn)負(fù)彎矩大于正彎矩的現(xiàn)象，在黏土場地中沒有這種現(xiàn)象。

在同一種場地中，樁身最大彎矩發(fā)生在樁靴貫入階段，分析插樁過程中樁身最大彎矩發(fā)生的時刻，并預(yù)測樁身最大彎矩隨樁靴貫入的變化規(guī)律(圖13)。從圖13可見，兩種場地中最大樁身彎矩均隨樁靴貫入深度增加逐漸增大，并且在樁靴貫入0.3 m深(約1.67D)后，最大樁身彎矩變化減緩甚至基本保持不變，此時樁達(dá)到最危險(xiǎn)狀態(tài)。

圖14給出了鉆井船插樁過程中的樁頭水平位移。從圖14可見，砂土場地中插樁造成的樁頭水平位移明顯大于黏土場地，前者約為后者的3.7倍。此時樁尖位置不變，砂土場地中的鄰近單樁比黏土場地的更加傾斜，也更不利于鄰近樁平臺的安全使用。另外，當(dāng)樁靴貫入0.09 m(0.5D)深時，樁頭水平位移基本達(dá)到最大值，之后開始緩慢減小；而砂土場地的樁頭水平位移曲線開始時增速較快，然后逐漸減緩，最后基本趨于平穩(wěn)。

圖13 最大樁身彎矩Fig.13 Mmaximum bending moment of pile along with depth of spudcan penetration

圖14 樁頭水平位移Fig.14 Horizontal displacement of pile head

3 結(jié) 語

(1)樁靴貫入相同深度，砂土場地可以提供更大承載力；拔樁過程中，黏土場地更加難以拔出，需要較大拔樁力。砂土是鉆井船工作的最佳場地。

(2)在軟黏土場地中插樁，樁靴對土體強(qiáng)度影響較??；在密實(shí)砂土場地中，樁靴使其上部土體軟化，強(qiáng)度減小。

(3)樁靴對土體的影響方向存在差異，樁靴貫入在砂土場地的水平方向上影響較廣，在黏土場地的垂直方向上影響更深。

(4)插樁相同深度，在黏土場地中最大彎矩發(fā)生在樁靴最大直徑處，而在砂土場地中發(fā)生在鄰近樁下部，最大樁身彎矩隨著插樁深度增大而增加，但是當(dāng)樁靴貫入到一定深度后，最大樁身彎矩基本保持不變。

(5)樁靴貫入過程中，樁頭位移在黏土場地中的數(shù)值較小，并且在遠(yuǎn)離樁靴達(dá)到最大值后又逐漸減小，有向樁靴方向移動的趨勢；而在砂土場地中數(shù)值較大，在遠(yuǎn)離樁靴方向上逐漸增大，然后基本穩(wěn)定。