海洋靜力觸探在海上平臺(tái)樁基承載力計(jì)算中的應(yīng)用*

宋玉鵬 宋丙輝 孫永福 周其坤

(①自然資源部第一海洋研究所， 青島 266061， 中國(guó)) (②國(guó)家深?；毓芾碇行?， 青島 266237， 中國(guó)) (③青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室， 海洋地質(zhì)過(guò)程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室， 青島 266235， 中國(guó))

0 引 言

海上平臺(tái)是海洋油氣開發(fā)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，灘淺海區(qū)海上平臺(tái)多采用樁基礎(chǔ)。準(zhǔn)確估算樁基的承載力，設(shè)計(jì)合理的樁基入泥深度，對(duì)于保障海上平臺(tái)安全具有重要意義(安永寧等， 2013)。目前海上平臺(tái)樁基承載力計(jì)算主要依據(jù)美國(guó)石油協(xié)會(huì)API規(guī)范進(jìn)行，該方法綜合了理論分析與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本文稱為鉆探規(guī)范法，其中最關(guān)鍵的土力學(xué)參數(shù)為粒狀土的內(nèi)摩擦角及黏性土的不排水抗剪強(qiáng)度。常規(guī)獲取土體力學(xué)參數(shù)的方式是鉆探取樣并開展室內(nèi)土工試驗(yàn)，由于海洋工程環(huán)境和海底土的特殊性，海上取樣并保持原狀土的應(yīng)力狀態(tài)十分困難，使得樁基承載力計(jì)算結(jié)果有時(shí)較實(shí)際情況偏差較大(朱劍鋒， 2011； 李守定等， 2019)。海洋靜力觸探屬海底原位測(cè)試技術(shù)，可快速連續(xù)探測(cè)土體原位強(qiáng)度，獲取錐尖阻力、側(cè)壁摩擦力及孔隙水壓力等參數(shù)，并用于土層劃分、土體力學(xué)參數(shù)換算及樁基承載力計(jì)算等工程地質(zhì)分析評(píng)價(jià)中，近年來(lái)在海上石油平臺(tái)、海底管纜路由、海上風(fēng)電等海洋工程勘察中得到了較為廣泛的應(yīng)用(郭紹曾等， 2015； 賈沼霖等， 2016； 楚立鵬等， 2017； 胡越等， 2020)。

國(guó)外學(xué)者最早將CPT探測(cè)資料用于單樁承載力的計(jì)算，并提出了兩類計(jì)算方法：一類是通過(guò)數(shù)學(xué)擬合分析建立靜力觸探測(cè)試數(shù)據(jù)與土體強(qiáng)度指標(biāo)(如不排水抗剪強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角)間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，然后依據(jù)傳統(tǒng)土力學(xué)理論計(jì)算樁基承載力，本文簡(jiǎn)稱為靜探間接法(Kuiter et al.，1979)； 另一類是借助試樁資料將靜力觸探得到的錐尖阻力、側(cè)壁摩擦力直接與樁端阻力、側(cè)摩阻力建立半經(jīng)驗(yàn)、半理論相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而獲得樁基承載力，本文簡(jiǎn)稱為靜探直接法(Bustamante et al.，1982)。其中靜探間接法和鉆探規(guī)范法一樣受限于傳統(tǒng)土力學(xué)理論假設(shè)，往往帶有較明顯的主觀性，而靜探直接法雖然在確定錐尖阻力的取值影響范圍、經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)等方面也存在一定的經(jīng)驗(yàn)偏好，但計(jì)算原理簡(jiǎn)單直接，相對(duì)更加客觀，應(yīng)用也更加廣泛。

國(guó)內(nèi)賈沼霖等(2016)利用LCPC法(直接法)計(jì)算了南海某平臺(tái)樁基的樁端阻力和樁側(cè)摩阻力，為樁基施工中的溜樁問(wèn)題提供了設(shè)計(jì)依據(jù)； 耿功巧(2016)評(píng)價(jià)了多種基于CPT/CPTU單樁承載力計(jì)算方法對(duì)于開口管樁的適用性，并提出了計(jì)算開口管樁承載力的改進(jìn)方法； 鄒海峰(2018)結(jié)合可靠度理論評(píng)估了4種基于CPTU的樁基極限承載力預(yù)測(cè)方法，分別給出了相應(yīng)的安全系數(shù)建議。

以往研究多關(guān)注靜力觸探在陸地單樁承載力計(jì)算中的應(yīng)用，由于海底軟土分布廣泛，且多處于飽和狀態(tài)，特別適合采用孔壓靜力觸探技術(shù)進(jìn)行原位勘察，因此，開展靜力觸探在海上平臺(tái)樁基承載力計(jì)算方面的應(yīng)用研究是十分必要的。本文擬將海洋靜力觸探探測(cè)技術(shù)應(yīng)用于勝利油田埕島海域某平臺(tái)工程地質(zhì)勘察，以常規(guī)鉆探取樣測(cè)試并開展樁基承載力計(jì)算結(jié)果為參考，對(duì)比討論不同樁基承載力計(jì)算方法之間的異同，具有一定的科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

平臺(tái)場(chǎng)址位于勝利油田埕島海域，如圖 1所示，該區(qū)域是黃河多期次改道形成的快速沉積體系，海底沉積物分布不均，發(fā)育多種海底地質(zhì)災(zāi)害，工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜。

圖 1 平臺(tái)場(chǎng)址示意圖Fig. 1 Schematic diagram of platform site

勝利油田埕島海域某海上平臺(tái)采用4根鋼樁支撐，鋼樁尺寸φ=2500 mm，由于建成時(shí)間較久，后期開展延壽評(píng)估時(shí)需重新估算平臺(tái)各樁的承載力。為查明地基土分層特征及其土力學(xué)參數(shù)，基于平臺(tái)周邊實(shí)際情況(圖 2)，在1#、3#和4#樁腿附近共布置勘探點(diǎn)4個(gè)，其中靜力觸探孔3個(gè)，設(shè)計(jì)孔深20 m，工程地質(zhì)鉆探孔1個(gè)，設(shè)計(jì)孔深50 m。靜力觸探采用ROSON100重型海床式靜力觸探設(shè)備(圖 3)，適用于海底管線路由、鉆井平臺(tái)、沉管隧道、跨海橋梁等海洋工程勘察，觸探探頭技術(shù)指標(biāo)如表 1所示。通過(guò)鉆孔采集海底原狀土樣開展室內(nèi)土工參數(shù)測(cè)試，同時(shí)作為靜力觸探土層劃分的檢驗(yàn)依據(jù)。

圖 2 平臺(tái)周邊勘探點(diǎn)平面布置圖Fig. 2 Layout of exploration sites around platform

圖 3 ROSON 100重型海床式靜力觸探儀Fig. 3 ROSON 100 CPT

表 1 ROSON 100靜力觸探儀主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Major technical indices of ROSON 100 CPT

2 靜探成果應(yīng)用及討論

2.1 土層劃分

依據(jù)我國(guó)土木工程學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《孔壓靜力觸探測(cè)試技術(shù)規(guī)程》(T/CCES 1-2017)，采用靜力觸探測(cè)試參數(shù)劃分土層時(shí)，分層界面一般為錐尖阻力超前深度與滯后深度的中點(diǎn)位置。本次探測(cè)獲取的3組靜力觸探貫入曲線如圖 4所示，需要注意的是根據(jù)各個(gè)靜探孔處實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)，以水深最深的1#靜探孔處海底標(biāo)高為基準(zhǔn)，對(duì)3#和4#靜探曲線進(jìn)行了海底地形修正，略去了海底表層以淺約1 m的探測(cè)結(jié)果。依據(jù)前述土層分層原則，對(duì)平臺(tái)區(qū)21 m以淺地層進(jìn)行了分層，同時(shí)結(jié)合相鄰位置處鉆孔柱狀圖檢驗(yàn)了土層分層精度。

圖 4 靜力觸探貫入曲線及工程地質(zhì)剖面圖Fig. 4 Cone penetration testing curves and soil profile

由圖 4可知，經(jīng)過(guò)地形修正后的3組靜力觸探貫入曲線彼此吻合良好，尤其是錐尖阻力曲線基本吻合一致，體現(xiàn)了此次海洋靜力觸探探測(cè)技術(shù)的可靠性。平臺(tái)區(qū)21 m以淺海底土由上至下可依次劃分為粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂、粉質(zhì)黏土、粉土等5組土層，通過(guò)比對(duì)鉆孔柱狀圖可知，靜力觸探與地質(zhì)鉆孔在標(biāo)定土層底界深度上最大差值約0.5 m，出現(xiàn)在海底15 m埋深粉質(zhì)黏土層與粉砂層界面處，其余土層界面處兩者標(biāo)定的分層深度基本一致，表明靜力觸探貫入曲線可以較好地反映平臺(tái)所在海區(qū)海底主要土層分界面，為靜力觸探在相關(guān)海域推廣應(yīng)用奠定了工作基礎(chǔ)(蔡國(guó)軍等， 2009； 劉松玉等， 2013)。另外，值得注意的是第二層厚約8.0 m的粉質(zhì)黏土層通過(guò)地質(zhì)鉆孔可細(xì)分為軟塑和可塑兩個(gè)亞層，而相應(yīng)分層在靜力觸探錐尖阻力曲線上表征不甚明顯，但通過(guò)結(jié)合側(cè)摩阻力曲線可以對(duì)其進(jìn)行區(qū)分，表現(xiàn)為可塑粉質(zhì)黏土層的側(cè)摩阻力較軟塑粉質(zhì)黏土層增大明顯。以距離地質(zhì)鉆孔最近的3#靜探孔為例，各土層靜力觸探參數(shù)代表值(孔壓靜力觸探測(cè)試技術(shù)規(guī)程(T/CCES 1-2017))列于表 2中。

表 2 各層土靜力觸探參數(shù)代表值Table 2 Representative indices of CPT for every soil stratum

2.2 單樁承載力計(jì)算

2.2.1 平臺(tái)樁基承載力計(jì)算方法

灘淺海區(qū)平臺(tái)多采用鋼管樁基礎(chǔ)，利用打樁或振動(dòng)沉樁的方式將樁貫入至預(yù)設(shè)深度以獲取足夠承載力。靜荷載條件下，鋼管樁承載力計(jì)算方法如下：

Qd=Qf+Qp=f·As+q·Ap

(1)

式中：Qf為樁側(cè)摩阻力(kN)；Qp為樁端承載力(kN)；f為單位樁側(cè)摩阻力(kPa)；As為樁側(cè)表面積(m2)；q為單位樁端承載力(kPa)；Ap為樁端總面積(m2)。

2.2.1.1 鉆探規(guī)范法

由式(1)可知，在樁的尺寸及貫入深度確定的前提下，計(jì)算樁基承載力的關(guān)鍵取決于單位樁側(cè)摩阻力f及單位樁端承載力q?；诖罅吭嚇顿Y料以及物模試驗(yàn)結(jié)果，美國(guó)石油協(xié)會(huì)API規(guī)范給出了單位樁側(cè)摩阻力f及單位樁端承載力q的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法(Dennis et al.， 1983； Randolph， 2003)：

對(duì)于黏性土：

f=aCu

(2)

q=9Cu

(3)

式中：a為無(wú)量綱系數(shù)，與計(jì)算點(diǎn)處土的不排水抗剪強(qiáng)度及有效上覆土壓力有關(guān)(海上平臺(tái)場(chǎng)址工程地質(zhì)勘察規(guī)范(GB/T 17503-2009))；Cu為計(jì)算點(diǎn)處室內(nèi)測(cè)試得到的土體不排水抗剪強(qiáng)度(kPa)。

對(duì)于粒狀土：

f=Kσ′v0tanδ

(4)

q=σ′v0Nq

(5)

式中：K為橫向地基壓力系數(shù)，對(duì)于開口無(wú)土塞打入樁，取0.8，形成土塞或端部封閉樁，取1.0；σ′v0為計(jì)算點(diǎn)處的有效上覆土壓力(kPa)；δ為樁-土間的摩擦角(°)，一般約為0.6～0.7倍室內(nèi)砂土的內(nèi)摩擦角(Randolph et al.， 1994)；Nq為無(wú)量綱承載力系數(shù)，與粒狀土類別及密實(shí)程度有關(guān)(中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)編寫組，2009)。

2.2.1.2 靜探間接法

靜探間接法是在鉆探規(guī)范法的基礎(chǔ)上采用靜力觸探探測(cè)結(jié)果估算土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。目前廣泛用于黏性土不排水抗剪強(qiáng)度Cu計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式(孔壓靜力觸探測(cè)試技術(shù)規(guī)程(T/CCES 1-2017))為：

(6)

式中：Cu為黏性土不排水抗剪強(qiáng)度(kPa)；qc為實(shí)測(cè)錐尖阻力(kPa)；σv0為總上覆土壓力(kPa)；Nkt為經(jīng)驗(yàn)圓錐系數(shù)，具體取值根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定， 若無(wú)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，取值范圍宜為11～19。韓猛等(2020)對(duì)埕島油田海域9個(gè)典型鉆孔中UU不排水抗剪強(qiáng)度與其相對(duì)應(yīng)深度CPT錐尖阻力進(jìn)行了線性回歸分析，反推得到埋深0～5 m、5～10 m以及10～20 m土體的經(jīng)驗(yàn)圓錐系數(shù)分別為17.54、16.89和19.05，雖然參與統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)量相對(duì)較少，但相關(guān)性良好，因此本文后續(xù)推算黏性土不排水抗剪強(qiáng)度時(shí)參考了該研究成果。

粒狀土有效內(nèi)摩擦角可按下式計(jì)算：

(7)

式中：φ′為有效內(nèi)摩擦角(°)；qc為實(shí)測(cè)錐尖阻力(kPa)；pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取100 kPa；σ′v0為有效上覆土壓力(kPa)。

2.2.1.3 靜探直接法

相較于間接法，利用靜力觸探探測(cè)得到的錐尖阻力直接估算樁端阻力和樁側(cè)摩阻力顯然更切合實(shí)際，其中應(yīng)用最廣泛的是由Bustamante et al.(1982)提出的LCPC法，預(yù)制樁的單位樁端極限阻力可按下式計(jì)算：

qp=ξc·qca

(8)

單位樁側(cè)極限摩阻力fp可按下式計(jì)算：

(9)

式中：qc為實(shí)測(cè)錐尖阻力(kPa)；ξf為摩阻力系數(shù)。

2.2.2 樁基承載力計(jì)算結(jié)果及討論

基于鉆探取樣與室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果以及原位靜力觸探探測(cè)成果，分別運(yùn)用鉆探規(guī)范法、靜探間接法和靜探直接法對(duì)勝利油田埕島海域某平臺(tái)3#樁腿(φ=2500 mm)開展樁基承載力計(jì)算，相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表 3～表 5所示，其中表 5中插樁深度分別對(duì)應(yīng)層-層界面以及每層土的中間部位，另外最下部粉土層由于缺乏后續(xù)土層的CPT貫入阻力數(shù)據(jù)，故樁端附近等價(jià)平均錐尖阻力qca出現(xiàn)了空缺。樁基承載力計(jì)算結(jié)果如圖 5所示，其中圖 5b和圖 5c中鉆探規(guī)范法和靜探間接法對(duì)應(yīng)的樁端阻力和單樁極限承載力經(jīng)過(guò)了修正，修正原則是承載力在粒狀土層頂和底部3倍樁徑范圍內(nèi)線性變化過(guò)渡至相鄰黏性土層(李大展等， 1982)。

表 3 3#樁腿鉆探規(guī)范法計(jì)算參數(shù)表Table 3 Calculating parameters for drilling method(3# pile)

表 4 3#樁腿靜探間接法計(jì)算參數(shù)表Table 4 Calculating parameters for CPT indirect method(3#pile)

表 5 3#樁腿靜探直接法計(jì)算參數(shù)表Table 5 Calculating parameters for CPT direct method(3#pile)

由圖 5a可知，雖然0～12 m埋深靜探直接法得到的樁側(cè)摩阻力稍大于鉆探規(guī)范法和靜探間接法的計(jì)算結(jié)果，而12～21 m埋深靜探間接法對(duì)應(yīng)的樁側(cè)摩阻力相對(duì)鉆探規(guī)范法和靜探直接法的計(jì)算結(jié)果又有所偏小，但3種方法得到的樁側(cè)摩阻力隨埋深變化整體趨勢(shì)是基本一致的。

圖 5b給出了3種不同方法得到的樁端阻力隨埋深的變化趨勢(shì)，整體來(lái)看鉆探規(guī)范法和靜探間接法得到的樁端阻力基本吻合，這與本文選取用于推算土體強(qiáng)度參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)有關(guān)，體現(xiàn)了一定的區(qū)域工程經(jīng)驗(yàn)，而靜探直接法得到的樁端阻力相較前兩者明顯偏大，揭示了原位和室內(nèi)、直接和間接樁端阻力計(jì)算方法之間的差異。

圖 5 樁基承載力計(jì)算結(jié)果Fig. 5 Calculation results of pile bearing capacity

圖 5c展示了3種不同方法得到的單樁極限承載力計(jì)算結(jié)果，與樁端阻力隨埋深的變化趨勢(shì)類似，鉆探規(guī)范法和靜探間接法得到的單樁極限承載力也基本吻合，而靜探直接法得到的單樁極限承載力相較前兩者明顯偏大，由于缺乏相應(yīng)的試樁資料，尚無(wú)法進(jìn)一步評(píng)估不同計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。值得注意的是埋深約13 m處3種方法計(jì)算得到的單樁極限承載力彼此非常接近，而依據(jù)鉆探調(diào)查結(jié)果可知，平臺(tái)各樁腿均設(shè)計(jì)插入埋深11.6～15.4 m的海底粉砂層中，因此以粉砂作為持力層的前提來(lái)看此3種樁基極限承載力計(jì)算方法具有較好的兼容性。

3 結(jié) 論

本文從土層劃分和樁基承載力計(jì)算兩方面探討了海洋靜力觸探探測(cè)技術(shù)在勝利油田埕島海域的應(yīng)用，結(jié)合鉆探取樣和室內(nèi)土工測(cè)試成果，對(duì)比分析了不同樁基承載力計(jì)算方法之間的異同，得出了如下結(jié)論：

(1)以鉆探地質(zhì)剖面為基準(zhǔn)，海洋靜力觸探貫入曲線可以較好地反映平臺(tái)海底主要地層分界面。

(2)3種樁基承載力計(jì)算方法對(duì)應(yīng)的樁側(cè)摩阻力隨埋深變化整體趨勢(shì)基本一致，但埋深較淺時(shí)靜探直接法得到的樁側(cè)摩阻力稍大于鉆探規(guī)范法和靜探間接法的計(jì)算結(jié)果，而埋深較深時(shí)靜探間接法得到的樁側(cè)摩阻力稍小于鉆探規(guī)范法和靜探直接法的計(jì)算結(jié)果。

(3)基于一定的區(qū)域工程經(jīng)驗(yàn)，鉆探規(guī)范法和靜探間接法得到的樁端阻力和單樁極限承載力基本吻合，而靜探直接法得到的樁端阻力和單樁極限承載力相較前兩者明顯偏大。

(4)考慮以粉砂作為持力層的前提下3種樁基極限承載力計(jì)算方法彼此間表現(xiàn)出較好的兼容性。

(5)限于缺乏試樁數(shù)據(jù)，本文僅從定性角度探討了海上平臺(tái)3種樁基承載力計(jì)算結(jié)果的異同，后續(xù)隨著資料的積累將開展定量化的對(duì)比研究。