利用CAPWAP擬合對海上導管架欠打鋼樁進行承載力評估

李建剛、周執(zhí)偉、李文成、王凱、胡登方、楊陽

（海洋石油工程股份有限公司安裝分公司，天津，300452）

1 項目介紹

秦皇島某非井口平臺，導管架場址水深20.3m。其鋼樁外徑1829mm，壁厚為50-65mm之間，在P1、P2段底端還有厚度為25mm的導向，樁身材質屈服應力強度為355Mpa。拒錘鋼樁B1設計傾角為7.07：1，設計入泥深度98m，作業(yè)過程中在94.34m的位置發(fā)生拒錘，樁位如圖1所示。

圖1 秦皇島某項目樁位圖

根據(jù)作業(yè)場所地址勘探報告，樁基底層巖土以密實到非常密實的粉質細砂/砂質粉土為主，夾雜少量非常硬的粉質粘土，設計入泥深度位置巖土為密實到非常密實的細砂和粉質細砂，樁土摩擦角δ=30°，Nq=40，具體參數(shù)如圖2所示：

圖2 秦皇島某項目巖土勘探報告

本項目B1樁初打及復打均采用MHU1200S型雙作用液壓打樁錘進行作業(yè)。MHU-1200S打樁錘錘芯重量為648.39kN，最大額定打擊能量為1199.84kJ，等效行程約為1.85m，該打樁錘驅動系統(tǒng)未使用錘墊。

2 數(shù)據(jù)采集

本項目中，筆者在鋼樁P3段距離樁頭約5.3m的位置用螺栓固定的方式安裝兩套加速度和應變傳感器，以監(jiān)測樁身在打樁過程中的加速度與應變情況。兩套傳感器在鋼樁上呈180°分布，以降低傾斜打樁過程中彎曲應力造成的影響。

鋼樁在MHU1200S液壓打樁錘的驅動下，共計打樁835錘，鋼樁累計下沉75mm，達到每英尺800錘的拒錘判定標準。打樁過程中采用PDA-8G打樁分析儀，實時監(jiān)控并記錄鋼樁傳感器安裝位置的加速度、應變狀態(tài)，以供后續(xù)分析。

3 數(shù)據(jù)擬合分析

根據(jù)樁基監(jiān)測技術規(guī)范要求，最后2m打樁時，平均每錘貫入度應控制在2-6mm。本項目中，由于打樁拒錘，單錘貫入度不足0.1mm，遠小于規(guī)范要求。筆者初步判斷，打樁過程中土阻力未能完全激發(fā)，用該數(shù)據(jù)進行擬合分析得到的抗壓、抗拔承載力可能偏低。

本項目中，選擇復打測試記錄中第833錘擊記錄數(shù)據(jù)進行分析，該次錘擊打樁錘輸入能量為939.5kN·m，力與速度信號比例性良好，且尾端F與V信號趨近于0，符合信號選擇要求，具體數(shù)據(jù)記錄曲線如圖3所示。

圖3 PDA-8G采集的數(shù)據(jù)記錄（833/835）

將所選擇數(shù)據(jù)曲線導入CAPWAP軟件(Case Pile Wave Analysis Program)，通過建立樁土模型、反復優(yōu)化樁側阻力分布、樁端阻力值以及巖土模型各系數(shù)，使CAPWAP計算得到的曲線與現(xiàn)場采集的曲線之間的差異不斷降低，得到如圖4的擬合結果：擬合質量數(shù)為1.67，樁土總阻力值為52.398MN，側摩阻力為38.361MN。

通過CAPWAP分析結果中的樁側土阻力分布情況可知（圖4中表4），在最后幾個土單元，所激活的樁土側摩阻力值急劇降低，具體樁側土阻力值如圖5所示：

圖4 CAPWAP分析結果

圖5 樁底附近側摩阻力分布情況

通過巖土勘探報告可知，87.5-89.2m樁側單位表面摩擦力值為120kPa，89.2-92.6m為67kPa，92.6-96m為200kPa，理論單個土單元側摩阻力值F可以由以下公式計算：

F=f .π. D . h

其中：f：單位表面摩擦力值

D：鋼樁外徑=1.829m

h：土單元高度=2m

通過計算可知，以上三個土層單個土單元理論可提供的側摩阻力值分別為1379kN、770kN、2298kN，綜上分析，該處樁土側摩阻力值過低是不合理的。結合前文分析可判斷，在深度為86-94m處，鋼樁相對于巖土的位移過低，巖土的側摩阻力并未完全激發(fā)，實際樁土總阻力值要大于CAPWAP分析所得到的總阻力值。

4 欠打評估

保守起見，筆者未對CAPWAP分析得到的B1樁承載力進行修正，按照抗壓承載力52.398MN，抗拔承載力38.361MN進行評估。

由于鋼樁拒錘，需要對B1樁進行現(xiàn)場尺寸修正，并對鋼樁進行靜力評估、地震評估以及強度評估，在滿足設計條件的情況下，按照欠打長度進行切除處理。本項目對鋼樁進行了一年一遇的操作工況下波浪和冰工況、百年一遇極端工況下波浪和冰工況、地震中的強度水平、韌性水平進行評估，評估結果顯示各安全參數(shù)均滿足要求，詳細結果見表1。

表1 B1樁承載力評價表（單位：kN）

通過上表計算可知，尺寸修正后的B1位置鋼樁在不同工況下的承載力安全系數(shù)分別為2.14、1.95、1.76、1.24，大于2.0、1.5、1.2、1.0的設計規(guī)范要求。

本項目還對切割后的鋼樁進行強度評估，在位靜力工況下最大UC為0.449；地震工況下最大UC值為0.795，滿足規(guī)范要求。

5 結論

根據(jù)在現(xiàn)場對欠打鋼樁進行打樁動態(tài)監(jiān)測所采集的數(shù)據(jù)，借助CAPWAP分析得到的承載力情況，對欠打鋼樁進行分析可知：鋼樁在操作工況、極端工況及地震工況下，鋼樁承載力安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，且鋼樁最大UC值為0.795，滿足規(guī)范要求，可對B1腿鋼樁欠打部分進行切除處理。