海洋平臺(tái)鋼樁可打入性分析方法及適用性研究

劉明，侯金林，孫友義，陶敬華

中海油研究總院，北京100027

海洋平臺(tái)鋼樁可打入性分析方法及適用性研究

劉明，侯金林，孫友義，陶敬華

中海油研究總院，北京100027

打樁是海洋樁基平臺(tái)海上安裝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，在鋼樁設(shè)計(jì)階段進(jìn)行可打入性校核是保證順利打樁的重要技術(shù)手段。文章介紹了當(dāng)前海洋工程領(lǐng)域的打樁系統(tǒng)和打樁分析方法，并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)不同打樁工況所采用的按土壤性質(zhì)和按阻力性質(zhì)進(jìn)行阻力折減的方法、相關(guān)參數(shù)的取值及影響，以及方法的適用性進(jìn)行了對(duì)比研究。最后結(jié)合國(guó)內(nèi)海洋工程經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)狀，給出了進(jìn)行鋼樁可打入性校核與施工的一些結(jié)論和建議。

海洋樁基平臺(tái)；鋼樁；打樁；可打入性校核；工況分析；打樁系統(tǒng)

0 引言

鋼樁是海洋樁基平臺(tái)的重要組成部分，它作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為整個(gè)平臺(tái)提供固定和支撐（抗壓和抗拉）。近年來(lái)，隨著平臺(tái)規(guī)模的不斷增大，海洋環(huán)境的進(jìn)一步惡化，海洋結(jié)構(gòu)物安全性要求的提高，鋼樁尺寸及設(shè)計(jì)入土深度相比以前有了很大增加，打樁難度也相應(yīng)提高。在海上安裝作業(yè)時(shí)，由于鋼樁的施工需要浮吊、打樁錘、駁船等大型船舶、機(jī)具，如果打樁作業(yè)未能順利進(jìn)行，不僅會(huì)造成施工投資的大幅增加，而且還會(huì)拖延油氣田的投產(chǎn)。有的平臺(tái)在打樁施工中出現(xiàn)拒錘現(xiàn)象，被迫采取重新評(píng)估樁基承載能力、增設(shè)后期監(jiān)測(cè)設(shè)施或?qū)嵤┨屯寥俅驑兜却胧?，也?huì)進(jìn)一步造成投資增加和投產(chǎn)推遲。為了降低施工風(fēng)險(xiǎn)，保證順利打樁，鋼樁的可打入性分析已經(jīng)成為鋼樁設(shè)計(jì)階段的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

1 打樁系統(tǒng)

海洋工程領(lǐng)域的打樁系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：打樁錘、樁和土壤。

打樁錘是用于打樁作業(yè)的機(jī)具，海洋工程施工領(lǐng)域通常使用液壓錘（見(jiàn)圖1，為IHC Hydrohammer B.V.和MENCK公司生產(chǎn)的液壓錘）。液壓錘性能穩(wěn)定，易于操控并可即時(shí)調(diào)整擊打能量，而且能夠進(jìn)行水下打樁。打樁錘通常按能量級(jí)別分為不同型號(hào)，有不同的性能和參數(shù)。除了標(biāo)稱最大能力外，在進(jìn)行打樁分析時(shí)應(yīng)注意不同作業(yè)公司及不同配套機(jī)具可以達(dá)到的最大實(shí)際能力。國(guó)內(nèi)海洋工程領(lǐng)域液壓錘打樁的最大使用效率通常為90%。

圖1 海洋工程常用的液壓打樁錘

海洋工程領(lǐng)域通常需要進(jìn)行海上打樁作業(yè)的為鋼管樁，該樁由多截卷制鋼質(zhì)圓管焊接組成，不同截段管外徑相同，壁厚根據(jù)不同位置的受力不同而存在差異。由于構(gòu)造簡(jiǎn)單，材質(zhì)單一，在打樁分析中通常視為標(biāo)準(zhǔn)的彈性體，在進(jìn)行可打入性校核的同時(shí)進(jìn)行鋼樁強(qiáng)度校核。

土壤作為打樁系統(tǒng)中最復(fù)雜的組成部分，其復(fù)雜性主要體現(xiàn)在土壤構(gòu)成、土質(zhì)性質(zhì)的差異以及打樁過(guò)程中土壤的動(dòng)態(tài)屬性上。在力學(xué)性質(zhì)上，土體材料為非線彈性，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為曲線關(guān)系。鑒于土體材料的復(fù)雜性，在進(jìn)行打樁分析時(shí)，往往將其簡(jiǎn)化為剛塑性材料，見(jiàn)圖2。

圖2 土體材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的簡(jiǎn)化

在海洋工程領(lǐng)域，一般預(yù)先進(jìn)行平臺(tái)場(chǎng)址鉆孔取樣，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到土壤的靜態(tài)屬性。對(duì)于打樁分析，重要的土壤參數(shù)包括：摩擦力系數(shù)、壓力系數(shù)（用于計(jì)算樁端阻），阻尼系數(shù)和臨塑變形等。到目前為止，對(duì)于土壤對(duì)打樁產(chǎn)生阻力的機(jī)理還不夠清楚，一般通過(guò)選取動(dòng)態(tài)參數(shù)來(lái)等效模擬土壤的動(dòng)阻力。選用動(dòng)態(tài)參數(shù)帶有經(jīng)驗(yàn)性，這也是進(jìn)行準(zhǔn)確打樁預(yù)測(cè)的最大難點(diǎn)。

2 打樁分析方法

對(duì)于海洋平臺(tái)鋼管樁，打樁過(guò)程需要克服的阻力有：樁側(cè)摩阻和樁端阻（見(jiàn)圖3）。

圖3 打樁阻力示意

打樁計(jì)算分析所使用的基本理論為波動(dòng)理論，其一般形式為：

式中u——位移；

E——彈性模量；

ρ——密度；

t——時(shí)間；

χ——縱向坐標(biāo)；

R——土阻力。

使用數(shù)值方法求解波動(dòng)方程是進(jìn)行打樁計(jì)算的基本方法。使用波動(dòng)方程將打樁系統(tǒng)離散成系列質(zhì)量、彈簧和阻尼器，模擬應(yīng)力在樁內(nèi)傳播。土壤阻力及其非線性分別由彈簧、摩擦鍵及阻尼器模擬施加到樁的離散質(zhì)量上。并將逐次錘擊過(guò)程在時(shí)間上離散成為微小的時(shí)間間隔，計(jì)算從已知的錘擊初速開(kāi)始，逐個(gè)單元進(jìn)行反復(fù)迭代，直到樁底單元不再貫入。打樁離散單元模型見(jiàn)圖4。

圖4 打樁離散單元模型

波動(dòng)方程式（1）應(yīng)用到離散單元模型的差分方程為：

式中D、d——位移；

n——迭代次數(shù)；

m——離散單元編號(hào)；

Δt——時(shí)間間隔；

W——質(zhì)量；

K——彈性系數(shù)；

g——重力加速度；

R——土阻力。

式（2）適用于計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算，用于海洋工程領(lǐng)域打樁計(jì)算分析的軟件（如GRLWEAP 2005）大多應(yīng)用這一方法。

3 打樁工況定義與設(shè)置

3.1 打樁工況定義

海洋工程是高風(fēng)險(xiǎn)的行業(yè)，海上打樁作業(yè)過(guò)程復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)因素多，可即時(shí)備用的大型打樁機(jī)具數(shù)量少，而且費(fèi)用高昂。為使鋼樁可打入性校核能夠科學(xué)、有效地反映現(xiàn)實(shí)情況，定義打樁工況時(shí)不僅要考慮鋼樁海上施工程序，還要考慮鋼樁設(shè)計(jì)、打樁機(jī)具，并且要適當(dāng)考慮環(huán)境等風(fēng)險(xiǎn)。按照這樣的原則，在進(jìn)行打樁分析時(shí)，可以對(duì)打樁工況進(jìn)行如下分類和定義。

（1）連續(xù)打樁工況。表示打樁作業(yè)連續(xù)進(jìn)行，打樁錘持續(xù)擊打鋼樁，鋼樁影響范圍內(nèi)的土壤處于持續(xù)的擾動(dòng)狀態(tài)，打樁阻力（動(dòng)阻）最小。常見(jiàn)于較深水平臺(tái)的水下裙樁，整根樁設(shè)計(jì)成一節(jié)，單節(jié)樁段的設(shè)計(jì)使得打樁過(guò)程可以連續(xù)進(jìn)行。

（2）短間歇打樁工況。表示因?yàn)榻訕叮ㄒ?jiàn)圖5）、打樁機(jī)具更換等情況而短時(shí)間停止打樁后，鋼樁影響范圍內(nèi)的土壤擾動(dòng)狀態(tài)經(jīng)歷短時(shí)間恢復(fù)后，繼續(xù)進(jìn)行打樁的狀況。打樁阻力（動(dòng)阻）大于連續(xù)打樁工況。常見(jiàn)于較淺水域（渤海、潿洲灣等）平臺(tái)的主腿樁（整根樁分成多節(jié)）的施工。

（3）長(zhǎng)間歇打樁工況。表示因?yàn)樘鞖馔蛔儠r(shí)間較長(zhǎng)，打樁機(jī)具因故障而無(wú)法及時(shí)修復(fù)或更換等意外情況，而被迫長(zhǎng)時(shí)間停止打樁，土壤擾動(dòng)狀態(tài)經(jīng)歷更長(zhǎng)時(shí)間的恢復(fù)后繼續(xù)打樁的狀況。此工況下打樁阻力最大，并因此發(fā)生過(guò)鋼樁不能打到設(shè)計(jì)深度而拒錘的情況。

在海洋工程領(lǐng)域，按照安全施工的原則，長(zhǎng)間歇打樁工況是在制訂結(jié)構(gòu)物海上施工方案和實(shí)施海上打樁程序中應(yīng)該盡量采取防范措施加以避免的工況。

圖5 渤海某導(dǎo)管架接樁作業(yè)

3.2 打樁工況設(shè)置

基于打樁過(guò)程中土壤動(dòng)阻力（土壤被擾動(dòng)后的樁側(cè)摩擦阻力和樁端阻力）小于土壤靜阻力的事實(shí)（在后文連續(xù)打樁實(shí)例分析中得到驗(yàn)證），針對(duì)不同的打樁校核工況，設(shè)置不同的動(dòng)阻系數(shù)用于獲得等效的土壤動(dòng)阻力，見(jiàn)式（3）。

式中f動(dòng)——土壤動(dòng)阻力；

k——?jiǎng)幼柘禂?shù)；

f靜——土壤靜阻力。

根據(jù)打樁過(guò)程中土壤阻力性質(zhì)和土壤構(gòu)成的不同，可以把打樁工況的動(dòng)阻系數(shù)設(shè)置分成兩類，見(jiàn)表1。

表1 鋼樁可打入性校核工況動(dòng)阻系數(shù)設(shè)置應(yīng)用示例

（1）一類方法按土壤性質(zhì)進(jìn)行摩阻折減，考慮到砂土的易恢復(fù)性質(zhì)，只對(duì)黏土進(jìn)行折減；對(duì)于端阻，考慮到土壤在與樁端接觸之前的不完全動(dòng)員狀態(tài)，不進(jìn)行折減。

（2）二類方法按阻力性質(zhì)的不同而分別對(duì)摩阻和端阻進(jìn)行折減，不考慮土壤的不同構(gòu)成。

4 打樁分析參數(shù)設(shè)置

對(duì)于打樁分析，除去阻力、鋼樁材料特性、樁錘參數(shù)這些可以明確標(biāo)定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)外，還有兩個(gè)重要的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)：臨塑變形和阻尼系數(shù)。臨塑變形表示樁土之間達(dá)到極限作用力的相對(duì)位移，阻尼系數(shù)反映了樁土之間因相對(duì)速度而引起的阻力增加?；贓AL史密斯的推薦，有一套現(xiàn)行的基本通用的計(jì)算參數(shù)，見(jiàn)表2和表3。

表2 臨塑變形參考

表3 阻尼系數(shù)參考

臨塑變形和阻尼系數(shù)均與錘擊數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，系數(shù)取值越大，錘擊數(shù)越高。

5 適用性分析

為論證海洋平臺(tái)鋼樁可打入性分析方法及工況設(shè)置的適用性，收集整理了多個(gè)導(dǎo)管架平臺(tái)的海上打樁施工記錄，與打樁校核的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、分析，選取了典型的對(duì)比結(jié)果和分析結(jié)論摘錄如下。本文鋼樁可打入性分析均使用GRLWEAP 2005軟件完成計(jì)算。

5.1 連續(xù)打樁

圖6為節(jié)選的南海西部某井口平臺(tái)裙樁（樁徑為2 134 mm，設(shè)計(jì)入土深度為85.5 m）的打樁記錄與可打入性校核計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。圖7為節(jié)選的珠江口某綜合平臺(tái)裙樁（樁徑2 438 mm，設(shè)計(jì)入土深度99 m）的打樁記錄與可打入性校核計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。兩個(gè)平臺(tái)的鋼樁均為單節(jié)鋼樁，打樁過(guò)程連續(xù)進(jìn)行。

圖6 南海西部某井口平臺(tái)打樁對(duì)比

圖7 珠江口某綜合平臺(tái)打樁對(duì)比

結(jié)果表明，其一，對(duì)于連續(xù)打樁工況，兩類打樁動(dòng)阻設(shè)置方法均保守地預(yù)測(cè)了鋼樁的可打入性，均可以作為鋼樁可打入性的判定依據(jù)；其二，由于工況參數(shù)設(shè)置及平臺(tái)場(chǎng)址土壤構(gòu)成的差異，兩類打樁動(dòng)阻設(shè)置方法校核結(jié)果的保守程度不盡相同。

5.2 短間歇打樁

圖8為節(jié)選的渤海北部某井口平臺(tái)鋼樁（樁徑1 829 mm，設(shè)計(jì)入土深度93 m）的打樁記錄與可打入性校核計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，鋼樁為多節(jié)樁，在入土深度約67 m處進(jìn)行了接樁，打樁間歇時(shí)間約為78 h。圖9為節(jié)選的渤海中部某中心平臺(tái)鋼樁（樁徑1 829 mm，設(shè)計(jì)入土深度76 m）的打樁記錄與可打入性校核計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，鋼樁為多節(jié)樁，在入土深度約41 m處進(jìn)行了接樁，打樁間歇時(shí)間約為131 h。

圖8 渤海北部某井口平臺(tái)打樁對(duì)比

圖9 渤海中部某中心平臺(tái)打樁對(duì)比

結(jié)果表明，其一，對(duì)于短間歇打樁工況，兩類打樁動(dòng)阻設(shè)置方法均保守地預(yù)測(cè)了鋼樁的可打入性，均可以作為鋼樁可打入性的判定依據(jù)；其二，由于工況參數(shù)設(shè)置及平臺(tái)場(chǎng)址土壤構(gòu)成的差異，兩類打樁動(dòng)阻設(shè)置方法校核結(jié)果的保守程度不盡相同；其三，間歇時(shí)間影響了鋼樁的可打入性，間歇之后的錘擊數(shù)明顯增加，而且間歇時(shí)間越長(zhǎng)，錘擊數(shù)的增加越明顯。

6 結(jié)論與建議

根據(jù)大量海樣樁基平臺(tái)打樁作業(yè)的施工經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合以上分析，給出了以下結(jié)論與建議：

（1）用于鋼樁可入性分析的兩類動(dòng)阻設(shè)置方法，均能保守地進(jìn)行鋼樁可打入性校核，均能保障鋼樁打入到設(shè)計(jì)深度。但由于第二類方法更偏向人為的經(jīng)驗(yàn)性設(shè)置，缺乏足夠的理論依據(jù)；而第一類方法，從土壤類型上進(jìn)行了區(qū)分，更符合土壤類型的狀態(tài)性質(zhì)，樁-土作用的描述在理論上更加合理，因此建議首選第一類方法作為鋼樁可打入性校核方法，進(jìn)一步的研究工作也應(yīng)圍繞第一類方法展開(kāi)。

（2）對(duì)于可以實(shí)施連續(xù)打樁作業(yè)的單節(jié)鋼樁，打樁記錄錘擊數(shù)往往遠(yuǎn)小于使用連續(xù)打樁工況進(jìn)行可打入性校核所得的錘擊數(shù)，使用連續(xù)打樁工況校核可以較好地預(yù)測(cè)鋼樁的可打入性。另一方面，在工程實(shí)踐中，通常無(wú)需增加或僅增加少量鋼材用以加強(qiáng)鋼樁壁厚就可以滿足短間歇打樁工況，實(shí)現(xiàn)樁錘故障更換等短期意外發(fā)生時(shí)仍能順利完成打樁作業(yè)。因此，綜合考慮減少施工風(fēng)險(xiǎn)和并不過(guò)多增加工程投資兩個(gè)方面，建議設(shè)計(jì)單節(jié)鋼樁達(dá)到滿足短間歇打樁工況的校核要求。

（3）對(duì)于不能實(shí)施連續(xù)打樁作業(yè)的多節(jié)鋼樁，在正常施工程序下，打樁記錄的錘擊數(shù)小于使用短間歇打樁工況進(jìn)行可打入性校核所得的錘擊數(shù)。間歇時(shí)間的長(zhǎng)短直接影響打樁效果?；谀壳罢莆盏馁Y料，5 d以內(nèi)的打樁間歇時(shí)間均取得了較好的打樁效果。

（4）對(duì)于更長(zhǎng)時(shí)間的打樁間歇，土壤狀態(tài)得到了更大程度的恢復(fù)，甚至形成鋼樁堵塞，造成打樁難度大幅提高，以致出現(xiàn)拒錘風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于此類風(fēng)險(xiǎn)，基于目前的工程技術(shù)，在進(jìn)行鋼樁設(shè)計(jì)時(shí)，可以使用鋼樁堵塞或土壤靜阻等最保守的工況進(jìn)行可打入性校核。這種最保守工況的校核通常導(dǎo)致鋼樁截面尺寸的大幅增加，從而使鋼材用量和工程投資相應(yīng)增長(zhǎng)。因此，綜合考慮合理控制工程投資和控制施工風(fēng)險(xiǎn)，建議將連續(xù)打樁和短間歇打樁作為鋼樁可打入性校核的判定工況，而將長(zhǎng)間歇打樁工況作為參考工況，并在鋼樁施工方案中側(cè)重采用優(yōu)化打樁順序、關(guān)注施工氣候窗、使用備用錘等多種手段，以避免長(zhǎng)間歇打樁工況的發(fā)生。

[1]朱騰明.樁基礎(chǔ)承載力時(shí)間效應(yīng)研究現(xiàn)狀綜述[J].石油工程建設(shè)，1994，20（2）：3-5.

[2]王圣強(qiáng)，馬德強(qiáng)，王彥博，等.海洋平臺(tái)樁基承載力檢測(cè)與沉降監(jiān)測(cè)[J].石油工程建設(shè)，2012，38（5）：17-20.

[3]孫成贊.海上固定平臺(tái)導(dǎo)管架樁管屈曲原因及改進(jìn)措施[J].石油工程建設(shè)，2004，30（2）：58-60.

[4]蒲玉成.海洋平臺(tái)非連續(xù)打樁過(guò)程的有限元?jiǎng)恿Ψ治鯷J].港工技術(shù)，2013，50（1）：43-45.

[5]劉永鋒.用波動(dòng)方程法研究打樁過(guò)程[J].水運(yùn)工程，2001，331（8）：23-27.

SteelPile DriveabilityAnalysis Method and Applicabilityfor Installation of Offshore Platform

Liu Ming，Hou Jinlin，Sun Youyi，Tao Jinghua
CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China

Piling is one of the most important steps for installation of offshore pile supported platform.Pile driveability analysis in pile design is crucial for successful offshore piling.The piling systems and piling analysis methods used in current offshore engineering are presented.Two kinds of resistance reduction methods，i.e.by soil property and by resistance property according to different piling cases，the relevant parameter values taken and their influences as well as applicability of the methods are comparatively studied.In the end，some conclusions and suggestions on steel pile driveability check and piling construction are given based on domestic offshore engineering experience and current status.

offshore pile supported platform；steelpile；piling；driveability check；case analysis；piling system

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.002

劉明（1977-），男，河北保定人，工程師，2006年畢業(yè)于赫爾辛基理工大學(xué)（芬蘭，Helsingin teknillinen reaalikoulu），碩士，現(xiàn)從事海洋工程研究與設(shè)計(jì)工作。

2014-03-25