北部灣導(dǎo)管架平臺打樁過程高應(yīng)變動態(tài)監(jiān)測與分析*

駱寒冰 羅 曉 韓延波 謝 芃 李少飛 牛書濤

(1. 天津大學(xué)船舶與海洋工程系 天津 300350; 2. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451)

海洋平臺鋼樁具有大直徑和超長特性，如果打入過程中遇到海底土質(zhì)較硬，易形成土塞出現(xiàn)拒錘風(fēng)險。由于鋼樁一般分為多節(jié)，中間需要停錘進(jìn)行焊接施工，由于停錘期間鋼樁貫入海底部分土層孔隙水的消散而引起鋼樁周圍摩擦力增加，將使得鋼樁更加難以打入。拒錘后的掏土作業(yè)不僅費(fèi)用昂貴，而且會延誤工期。如果增加打樁錘擊能量，樁身應(yīng)力可能會過大而出現(xiàn)屈服破壞。對鋼樁打樁過程進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，可以實時獲取樁身的應(yīng)力和加速度信息，評估樁基的承載力及完整性，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整打樁作業(yè)，防止鋼樁出現(xiàn)拒錘和屈服破壞。基于波動理論的高應(yīng)變動態(tài)監(jiān)測技術(shù)可用于判定樁的承載力和評價樁身完整性[1-2]，常用高應(yīng)變模擬分析方法有CASE法和CAPWAP法[3]。CAPWAP法又稱實測波形擬合法，根據(jù)假設(shè)的樁-土模型，基于實測曲線擬合應(yīng)力波曲線，求出最佳擬合對應(yīng)的樁身阻力分布和樁基承載力，合理評估樁身極限承載力；但曲線擬合工作量較大，參數(shù)選取不同會導(dǎo)致擬合的差異，須根據(jù)工程經(jīng)驗選擇參數(shù)。CASE法假定樁靜阻力模型為剛塑性體，樁身等阻抗、動阻力集中于樁底，與實際情況差異較大，但該方法能快速分析估算樁身最大應(yīng)力和承載力，適合在打入過程中進(jìn)行實時監(jiān)測。總體而言，CAPWAP法較CASE法結(jié)果更加準(zhǔn)確。

近年來，國內(nèi)多位學(xué)者對海洋平臺打樁及其動態(tài)監(jiān)測的理論知識和技術(shù)方法進(jìn)行了研究，樁基動態(tài)監(jiān)測技術(shù)逐漸在國內(nèi)海洋工程中得到了應(yīng)用[4-8]。趙亮 等[8]首次在國內(nèi)使用高應(yīng)變動態(tài)監(jiān)測技術(shù)對渤海某海洋石油平臺樁基打樁過程進(jìn)行了全程監(jiān)控，并開展了樁基承載力評估的復(fù)打測試。蒲玉成 等[9]針對東海某氣田開發(fā)中導(dǎo)管架的樁基安裝進(jìn)行了水下高應(yīng)變動力監(jiān)測試驗研究。南海北部灣平均水深42 m，潿洲油田某導(dǎo)管架平臺所在位置的海底土壤主要是砂性土壤，在打樁過程有形成土塞拒錘的風(fēng)險。為確保施工順利進(jìn)行，須對該導(dǎo)管架平臺鋼樁貫入過程進(jìn)行高應(yīng)變動態(tài)監(jiān)測。盡管在我國渤海、東海的海上平臺打樁安裝項目都有高應(yīng)變動態(tài)監(jiān)測的先例，但針對北部灣海域海上平臺打樁動態(tài)監(jiān)測的研究資料甚少。因此，本文首次在北部灣海域打樁安裝項目進(jìn)行高應(yīng)變動態(tài)監(jiān)測研究，并結(jié)合CAPWAP方法對樁完整性和承載力進(jìn)行統(tǒng)計分析，以期為該海域后續(xù)的打樁作業(yè)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 平臺鋼樁概況及打樁監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 平臺鋼樁概況

北部灣潿洲油田某導(dǎo)管架平臺所在位置水深35.8 m，導(dǎo)管架高度44 m，鋼樁總長129 m(含截樁長度)，設(shè)計入泥深度80 m。該導(dǎo)管架平臺共設(shè)計有8根樁腿，每根樁分為P1和P2兩節(jié)，P1長77 m，位于樁身下部；P2長52 m，位于樁身上部。鋼樁外徑2 134 mm，P2鋼管下段壁厚55 mm，上段壁厚45 mm，屈服強(qiáng)度355 MPa。該平臺場址地層以砂性土壤為主，鋼樁設(shè)計貫入深度范圍內(nèi)的土壤分為16層，各層土壤資料見表1。從表1中可以看出，鋼樁在接樁入泥深度22.3～32.0 m、38.6～44.5 m、50.7～68.9 m、75.0～91.0 m范圍內(nèi)側(cè)摩擦力和樁端承載力均較大，考慮到接樁所需停錘時間較長(超過24 h)，且接樁時P1段入泥深度為29 m，在22.3～32 m接完P(guān)2樁的后續(xù)打樁過程中出現(xiàn)拒錘可能性較大，有必要對第2節(jié)P2樁開展動態(tài)監(jiān)測。

表1 北部灣某導(dǎo)管架平臺場址土壤參數(shù)[10]Table 1 Site soil data of the jacket platform in Beibu gulf[10]

1.2 打樁監(jiān)測系統(tǒng)

本次監(jiān)測采用美國PDI公司生產(chǎn)的PAX型四通道打樁動態(tài)分析儀、壓阻式力傳感器和壓阻式加速度傳感器。傳感器和PAX分析儀之間通過無線發(fā)射器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，有效傳輸距離為100 m。使用無線發(fā)射接收裝置可以有效提高工作效率，減小海上布線帶來的施工風(fēng)險。打樁現(xiàn)場錘擊采用MENCK液壓錘。PAX打樁分析儀頻率設(shè)置為10 kHz，通過設(shè)置樁身材料、截面和長度、錘的類型及額定能量，可實時監(jiān)測到測點在每次錘擊時樁身的最大應(yīng)力和最大錘擊能量，以及測點的最大速度等關(guān)鍵信息。

打樁動態(tài)監(jiān)測分為傳感器安裝、測試系統(tǒng)調(diào)試及數(shù)據(jù)采集和分析等3個過程。首先根據(jù)樁錘套筒長度確定傳感器的安裝位置，確保傳感器位于打樁錘套筒下緣和截樁標(biāo)記上緣間，從而能有效監(jiān)測到應(yīng)力波信息。在安裝傳感器時避開接樁、焊縫、錘套下緣和樁橫截面積變化等干擾位置。采用電磁鉆在距離樁頂約5 m的圓周上對稱鉆孔，分別用于加速度傳感器、應(yīng)力傳感器和無線發(fā)射器的固定。用于固定應(yīng)力傳感器的A、B孔沿鋼管軸線布置，固定加速度的C孔與應(yīng)力傳感器中點平齊(圖1),傳感器的現(xiàn)場安裝如圖2所示。

圖1 傳感器在樁身的布置示意圖Fig .1 Layout diagram of sensors on the pile

圖2 傳感器在樁身的實際安裝圖Fig .2 Diagram of field arrangement of sensors on the pile

鋼樁起吊前，先安裝傳感器、無線發(fā)射器，并采用測試系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測調(diào)試。準(zhǔn)備工作就緒后，在打樁過程中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析處理。由于傳感器鉆孔位置在截樁標(biāo)記上緣，打樁監(jiān)測完成后，鉆孔部分會隨著截樁離開樁腿，不會對整個樁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成影響。

2 打樁過程監(jiān)測及結(jié)果分析

2.1 打樁過程監(jiān)測

現(xiàn)場分別對該導(dǎo)管架平臺A4和B1位置的兩樁打樁過程進(jìn)行了監(jiān)測，兩樁的傳感器均布置在第2節(jié)樁上。兩樁第1節(jié)樁的初始入泥深度分別為28.5 m和29.0 m時，測得二者的停錘入泥深度均為80 m，并監(jiān)測到二者的有效錘擊數(shù)分別為6 065、6 474。鋼樁貫入深度與對應(yīng)錘擊次數(shù)的關(guān)系如圖3所示，可以看出，A4樁和B1樁的錘擊次數(shù)均在入泥深度達(dá)到58 m后呈現(xiàn)快速增加趨勢，即樁身阻力開始增加，停錘前對應(yīng)的樁身阻力達(dá)到最大值。根據(jù)拒錘標(biāo)準(zhǔn),即連續(xù)1.5 m內(nèi)每貫入0.3 m對應(yīng)的錘擊數(shù)不超過300次，換算成連續(xù)1.5 m內(nèi)每貫入1 m錘擊數(shù)為不超過1 000次。從圖3可以看出，A4和B1樁均沒有出現(xiàn)拒錘現(xiàn)象，因此后續(xù)僅選擇B1樁的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析。

B1樁實測錘擊能量和樁錘輸出能量的對比如圖4所示，從統(tǒng)計結(jié)果可以看出錘擊能量傳遞效率在95%以上。

圖3 北部灣某導(dǎo)管架平臺A4及B1樁錘擊數(shù)隨 貫入深度變化曲線Fig .3 Curve of blow counts and different depths of pile A4 and B1 for the jacket platform in Beibu gulf

圖4 北部灣某導(dǎo)管架平臺B1樁實測錘擊能量與 樁錘輸出能量的對比Fig .4 Comparison of measuring energy and output striking energy of pile B1 for the jacket platform in Beibu gulf

2.2 完整性分析

樁身完整性判斷采用應(yīng)力水平值Sl來表示，即

Sl=Sc/Fy

(1)

式(1)中:Sc為樁身最大壓應(yīng)力，MPa；Fy為樁身材料屈服應(yīng)力的0.9倍。應(yīng)力水平值越低，說明樁身出現(xiàn)破壞的可能性越?。环粗?，則越大。

不同錘擊數(shù)下，該導(dǎo)管架平臺B1樁身所受拉、壓應(yīng)力統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示，最大拉應(yīng)力(St)為119.3 MPa，最大壓應(yīng)力(Sc)為217.5 MPa。B1樁身應(yīng)力水平統(tǒng)計結(jié)果如圖6所示，可以看出Sl值主要集中在0.62左右，小于1.0。根據(jù)應(yīng)力水平判定依據(jù)，說明打樁過程中B1鋼樁未出現(xiàn)屈服破壞，樁身完整。

圖5 北部灣某導(dǎo)管架平臺B1樁身最大拉、壓應(yīng)力 與錘擊數(shù)關(guān)系圖Fig .5 Relationship of maximum tension/compression stress and blow counts of the B1 pile for the jacket platform in Beibu gulf

圖6 北部灣某導(dǎo)管架平臺B1樁身應(yīng)力水平統(tǒng)計曲線Fig .6 Stress level curve of the pile B1 for the jacket platform in Beibu gulf

2.3 承載力分析

采用CAPWAP方法，選取錘擊能量大、樁身阻力激發(fā)充分的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行上行波擬合，通過建立非均勻樁身模型，不斷調(diào)節(jié)樁身阻力分布及黏滯阻尼、彈限、加載系數(shù)等參數(shù)，使計算曲線盡可能逼近實測曲線，以模擬真實情況，并根據(jù)最佳擬合曲線得到鋼樁的承載力。

為了研究樁身承載力隨入泥深度的變化規(guī)律，對該導(dǎo)管架平臺B1鋼樁第2 500～6 400次錘擊以100為間隔的40組錘擊數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。鋼樁入泥深度從65 m變化到79 m時，得到樁基承載力與入泥深度的統(tǒng)計結(jié)果如圖7所示。其中，鋼樁的總承載力由樁底承載力Rb和樁側(cè)承載力Rs兩部分組成。從圖7可以看出，在打樁過程中，樁側(cè)承載力較樁底承載力大,鋼樁從入泥深度65 m變化到79 m時，鋼樁總承載力由29 604 kN增加到了39 021 kN。

基于B1鋼樁監(jiān)測結(jié)果，針對上述最大承載力的第6 400次記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。圖8a是實測應(yīng)力與應(yīng)力波結(jié)果；圖8b是CAPWAP法擬合的應(yīng)力結(jié)果，其中L為樁底到傳感器的距離，c為應(yīng)力波傳播速度，L/c表明應(yīng)力波在樁內(nèi)傳輸時間過程。從圖8b可以看出，擬合的應(yīng)力結(jié)果與實測結(jié)果吻合很好，表明采用CAPWAP法擬合的應(yīng)力結(jié)果可用于后續(xù)鋼樁承載力的擬合分析。圖8c為擬合得到的樁身載荷與樁端位移情況，得到的最大承載力為39 021 kN，樁側(cè)阻力為31 994 kN，樁端阻力為7 027 kN，樁頂卸載前后的位移分別為69.0、72.0 mm，可見打樁過程的承載力小于樁設(shè)計極限承載力66 900 kN。圖8d為擬合得到的沿著樁單元的樁側(cè)阻力分布，橫坐標(biāo)為樁單元數(shù)目，0表示為樁頂，50為樁底，可見靠近樁底單元的樁側(cè)阻力大，樁頂附近的阻力很小。

圖7 北部灣某導(dǎo)管架平臺B1樁身承載力與 貫入深度的關(guān)系圖Fig .7 Relationship between bearing capacity and drilling depth of B1 pile for the jacket platform in Beibu gulf

圖8 北部灣某導(dǎo)管架平臺B1樁動態(tài)監(jiān)測CAPWAP分析結(jié)果Fig .8 Results of the high strain testing in B1 pile driving by the CAPWAP method for the jacket platform in Beibu gulf

圖9展示了本文CASE法、CAPWAP法分析得到的B1樁基承載力統(tǒng)計結(jié)果，并與文獻(xiàn)[11]中的樁設(shè)計極限承載力結(jié)果進(jìn)行了對比。從圖9中可以看出： CAPWAP法分析得到的樁基總承載力與設(shè)計外摩擦力較為接近，兩者隨入泥深度變大呈相似增加趨勢，對判斷打樁現(xiàn)場樁承載力具有一定參考價值；CASE法分析時，阻尼系數(shù)取0.5，得到的承載力略大于CAPWAP法結(jié)果，不過由于CASE法假設(shè)條件與實際差異較大，相比CAPWAP法結(jié)果誤差更大；CAPWAP法得到的B1樁承載力為39 021 kN，小于樁設(shè)計極限承載力66 900 kN。這是由于打樁過程中土壤受到擾動產(chǎn)生疲勞效應(yīng)，并在鋼樁周圍產(chǎn)生了超靜孔隙水壓力，受該壓力的影響，土體作用在樁上的有效應(yīng)力減小，造成現(xiàn)場測得的極限承載力變小。打樁結(jié)束后，隨著超靜孔隙水壓力的消散，土體的承載力會逐漸得到恢復(fù)，擾動土的強(qiáng)度完全恢復(fù)需要幾周時間，有的甚至幾年后土體強(qiáng)度還在增長。

圖9 北部灣某導(dǎo)管架平臺B1樁CASE法、CAPWAP法 擬合結(jié)果與設(shè)計極限承載力對比Fig .9 Comparison between fitting results by CASE/CAPWAP methods and design ultimate bearing capacity results of B1 pile for the jacket platform in Beibu gulf

3 結(jié)論

1) 對北部灣某導(dǎo)管架平臺A4、B1兩根鋼樁打樁過程的高應(yīng)變動態(tài)監(jiān)測顯示,鋼樁每貫入1 m對應(yīng)的最大錘擊次數(shù)小于拒錘標(biāo)準(zhǔn)，打樁過程鋼樁沒有出現(xiàn)拒錘現(xiàn)象；監(jiān)測B1樁的應(yīng)力水平結(jié)果顯示Sl≈0.6,小于1，鋼樁沒有出現(xiàn)屈服破壞，樁身完整性有保障。

2) 采用CAPWAP法模擬分析了不同貫入深度下該導(dǎo)管架平臺B1樁的承載力，得到了樁極限承載力的范圍及變化趨勢，比僅分析單次錘擊數(shù)據(jù)得到的結(jié)果更為合理可靠。使用CAPWAP法擬合得到的樁承載力與樁設(shè)計外摩擦力結(jié)果相近，對判斷樁承載力有一定技術(shù)參考價值。