海洋平臺樁基承載力檢測與沉降監測

王圣強，馬德強，王彥博，孟凡星

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

海洋平臺樁基承載力檢測與沉降監測

王圣強，馬德強，王彥博，孟凡星

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

以渤海某海洋平臺為例，通過對該平臺樁基承載力的檢測，分析得出該平臺承載力未達到設計值，故對該平臺樁基進行了為期一年的沉降監測，在監測中，使用了適合海洋平臺長期監測的光纖光柵技術。監測結果表明，平臺的關鍵部位沒有發生傾角的變化，因此判斷樁基礎沒有發生不均勻沉降，此平臺是安全的。建議在今后的使用過程中，平臺使用方應繼續按照樁基監測報警戒線的要求執行，不能隨意增加上部荷載，同時必須嚴格控制活荷載，以保證平臺樁基的安全。

海洋平臺；承載力檢測；樁基；監測

海洋石油平臺遠離大陸，要經受各種惡劣的環境條件，因而具有較大的風險性。為確保海洋平臺的安全，通常在設計過程中對各種可能遇到的風險進行計算分析，以確保平臺在建造與使用過程中的安全性和可靠性。但是，有些情況下平臺在建造或使用過程中不能完全滿足原設計要求，這時就需要對平臺進行承載力檢測與沉降監測，以確保海洋平臺的安全。

1 工程概況

某海上油田位于渤海灣東北部海域，建有兩座平臺，即CEP平臺和WHPB平臺，水深約13 m，其中WHPB平臺包括導管架、上部組塊、鉆井模塊和生活樓等設施，如圖1所示。

圖1 某海上油田的WHPB平臺

WHPB平臺為6腿6樁結構，根據所處海域的土壤特征和上部荷載情況，設計各樁的入泥深度為104 m，設計承載力為56 MN。但是，在打樁施工過程中出現了意外，樁基沒有打到設計深度，平均每個樁基的入泥深度與原設計大約相差15 m，使得每個樁基的承載力達不到設計要求，平臺有可能發生沉降。

2 承載力檢測

WHPB平臺有6根鋼管樁，其樁位平面圖如圖2所示。設計樁型尺寸為D 1.524 m×123.80 m，6根樁的樁頂均向平臺內傾斜，樁設計入土深度為104 m，實際入土深度89.0 m，露出水面約22.0 m，估計單樁軸向抗壓極限承載力為36.5 MN。

圖2 WHPB平臺樁位平面示意

2.1 檢測方法

按照中華人民共和國行業標準JBJ 106-2003《建筑樁基檢測技術規范》中的有關規定進行，本次檢測的儀器采用美國PDI公司生產的PAL樁基動力檢測儀。

高應變檢測法的基本原理是：采用一定落高、一定質量的重錘敲擊樁頂，當樁頂受到錘擊力時，產生彈性應變，此應變以縱波形式沿樁軸向下傳遞，應力波沿樁身傳遞規律遵循一維波動方程。通過安裝在距樁頂2倍樁徑以下位置的應力傳感器和加速度傳感器測量出其樁體響應，再用公式 （1）計算出單樁極限承載力Rc。

式中Jc——樁尖阻尼系數，其取值與樁端土質有關；

F——錘擊力/kN；

Z——樁基材料波阻抗/（kN·s/m）；

V——質點運動速度/（m/s）；

t1——波傳播時間/s；

t1+2L/c——樁底反射的對應時間/s；

L——測點下樁長/m；

c——波速/（m/s）。

根據實測到的樁頂處力與速度的時程曲線，可以得出有關承載力、樁身完整性、錘擊能量、樁身應力等許多分析結果。其現場工作原理如圖3所示。

圖3 高應變檢測法現場工作原理示意

2.2 實測情況

在檢測過程中，使用MHU-1200S型打樁錘，錘擊系統能保證錘擊力作用方向沿樁身軸向方向。為監視和減少可能出現的偏心錘擊的影響，檢測時沿樁身兩側軸向方向安裝應變傳感器和加速度傳感器各兩只。鋼樁波速值設定為5 120 m/s，鋼樁質量密度設定為7.85 t/m3。根據施工數據，選擇錘擊能量為1 000 kJ，每根樁錘擊9錘并采集了信號。實際采集每錘信號時，在傳感器安裝處未發生塑性變形現象，力和加速度曲線最終均歸零，未出現嚴重錘擊偏心情況，在多次錘擊下承載力下降不明顯，四通道測試數據正常，信號一致性較好，符合規范要求。

2.3 檢測結果

結合本工程地質資料和實測情況，并比較每根樁各錘信號質量的細微差異，各樁均選取其中一個錘信號進行波形擬合，得出高應變動力檢測結果見表1。

表1 應變動力檢測結果

3 樁基沉降監測

通過上述檢測結果分析，在現有樁基深度下，單樁平均承載力可達50.08 MN，雖未達到設計承載力 （56 MN），但通過控制上部荷載的方法，仍可以保證平臺的安全使用。但是考慮到諸多不確定因素的影響，如土壤特性的不確定、評估樁基極限承載力的不確定以及作業期間上部荷載的不確定等，為進一步確保平臺的安全，該平臺建造方委托大連理工大學進行了樁基沉降監測。

樁基沉降分為兩種不同的情況加以考慮。如果樁基礎失效，那么必然引起較大的不均勻沉降，整體結構處于危險狀態；如果樁基礎沒有失效，但是由于土壤特性發生變化 （持力層性質不穩定）以及上部荷載的作用，樁基同樣會產生較小的不均勻沉降，這種變化如果不加以控制，同樣也會對結構產生較大的影響。其中第二種類型的沉降是現階段應該重點監測的對象。

3.1 沉降監測原理

對于陸上結構的沉降監測可以采用相鄰建筑物作為參照系對比，直接實測出目標建筑物的真實沉降量，海上結構沉降監測恰恰缺乏此類固定的參照系，使得現有的陸上沉降監測技術難以直接應用于海上項目，因此，對于該項目只能選用不需要相對參照系的間接監測方法。對于該平臺沉降的監測采用的是力學反演方法，該方法不需要固定的相對參照系，因此非常適合于海洋工程沉降監測項目。

基于優化理論的力學反演方法，將待反演的結構不均勻沉降量作為優化變量，將計算結果和觀測結果的差值作為目標函數，然后通過各種不同的優化方法來求解這個問題，最終可以得到結構的不均勻沉降量。如果平臺樁基發生了不均勻沉降，必然會引起導管架關鍵位置傾角的變化，這些微小的傾角變化可以通過相關儀器監測到，再按照上述反演方法就可以計算結構的不均勻沉降。樁基沉降反演流程如圖4所示。

圖4 樁基沉降反演流程示意

3.2 監測設備及測點布置

整個樁基監測系統分傳感器、數據解調、數據采集三部分，傳感器包括光纖光柵傳感器和大地梁式傾斜儀。

在海洋平臺這樣復雜的結構環境中，使用傳統的電阻應變片無法進行長期監測，因此采用了光纖光柵傳感器來測量應變，光纖光柵傳感器是由高分子材料組成，耐腐蝕，適合于長期健康監測。本項目使用的DGK-6750大地梁式傾斜儀屬于液體擺式傾斜儀，具有較好的抗振動性能，可以很容易地安裝到現場且不需要維修。在光纖監測中，我們使用的是美國Micron光學公司生產的Sm125光纖光柵解調器，該子系統用于傳感器的數據采集和初步處理，它是為測量低速變化量，像應力、溫度和壓力參數而設計的，被廣泛應用于橋梁、大壩、建筑物等長期監測。

沉降監測點傳感器包括傾斜儀和光纖應變傳感器，即通過關鍵位置的傾斜變化和應力變化間接計算平臺樁基的沉降。這就需要找到對于樁基沉降比較敏感的結構部件，通過數值模擬計算可以得到所需的結構位置及其響應。考慮了以下的工況：A1、A2、A3、B1、B2、B3各腿分別沉降；A1和B1、A2和B2、A3和B3沉降。以計算為基礎，在距海平面5.2 m （EL 5 200）處挑選出6個測點 （如圖5所示），這些點均能夠充分反映某些沉降工況，而且特點非常明顯，這樣非常有利于反演計算樁基的真實沉降。

3.3 沉降監測實施

圖5 EL5200上的6個測點 （Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q8）

沉降監測中的數據主要來自傾斜儀，針對大地梁式傾斜儀設計開發的相應數據處理軟件，能自動采集數據、定時儲存。在實際檢測中發現數據中含有一些由于電壓漂移、溫度變化帶來的噪音，為了使反演數據得到的結果更加準確，必須對該噪音進行處理，得到更準確的傾角變化信息。

基于優化理論的反演方法計算，其一般形式為：

式中x——待反演量，此處為各樁的沉降量；

A——非線性計算過程，此處為通過結構計算分析在沉降量為x的情況下，各測點在理論上的角度改變量；

b——包含觀測噪聲的觀測量，在此指觀測

各點得到的角度改變量。

3.4 監測結果及分析

基于土壤畸變理論計算得出在現有條件下，單樁的最大沉降約為10 cm，因此，在樁基沉降數值模擬分析中，選擇10 cm為單樁的最大沉降量，進而得到在此沉降下結構關鍵部位的響應，為最終的平臺傾斜監測提供理論數據。

當監測結果發現平臺樁基的沉降達到容許值的85%時，系統將進行警告，平臺作業操作人員必須停止作業，并繼續觀察沉降情況。如沉降趨于穩定，則可恢復平臺作業；如沉降繼續增加，當平臺的沉降達到容許值的95%時，平臺所有人員必須撤離，并對平臺重新評估，以確定平臺能否繼續使用。

自開展監測以來，在歷時一年的時間內，該平臺沉降監測中并沒有發生關鍵位置傾斜角變化。根據沉降監測的反演理論，認為平臺沒有發生不均勻沉降。如果6個樁基同時發生沉降，且沉降量相同，傾斜儀測點部位的角度變化將非常小，當該變量小于傾斜儀的精度時，是測不出來的。為此，我們還同時對平臺荷載進行了監測，以便能控制平臺上部總的荷載量，在此不再論述。

4 結論

由平臺樁基承載力檢測結果可知，該平臺樁基沒有達到設計承載力，故需對該平臺進行長期監測。在此次樁基沉降監測中，使用了適合海洋平臺長期監測的光纖光柵技術，該技術在國內外一些大型工程中已得到應用，但是在海洋工程領域的應用尚屬首例，因此，這次檢測為該技術在海洋工程監測領域的應用積累了寶貴的經驗。

在監測過程中，平臺的關鍵部位沒有發生傾角的變化，因此判斷樁基礎沒有發生不均勻沉降。在今后的使用過程中，平臺使用方應繼續按照以上樁基監測報警戒線的要求執行，不能隨意增加上部荷載，同時必須嚴格控制活荷載，只有這樣才能保證平臺樁基的安全。

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[2]孫圣和，王廷云，徐影.光纖測量與傳感技術[M].哈爾濱∶哈爾濱工業大學出版社，2002.

[3]陳亮.失效分析在海洋平臺工程中的應用[D].大連：大連理工大學，2006.

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[5]徐丹.光纖傳感器應變監測的應用研究[D].大連：大連理工大學，2008.

[6]陳波，閆澍旺，陳文金.海洋平臺單列群樁效應的研究[J].石油工程建設，2002，（2）：12-16.

Bearing Capacity Inspection and Settlement Monitoring of Offshore Platform Pile Foundation

WANG Sheng-qiang（Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China），MA De-qiang,WANG Yan-bo，et al.

The pile foundation bearing capacity of an offshore platform in Bohai Bay was inspected and it was found that the bearing capacity of this platform was under the design value.Hence,a one-year settlement monitoring for the platform was carried out by using optical fiber gratings suitable for long period monitoring of offshore platform.The result indicated that there was no change in platform obliquity,thus the uneven settlement of the pile foundation did not happen and the platform was safe.It is suggested that the platform applica-tion henceforth should continuously be in accordance with the alarm conditions of the pile foundation monitoring,the upper loads on the platform should not increase at discretion and the active loads must be strictly controlled so as to ensure safety of the pile foundation

offshore platform；bearing capacity inspection；pile foundation；monitoring

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.05.004

王圣強 （1981-），男，山東梁山人，工程師，2008年畢業于天津大學，獲得巖土工程碩士學位，現主要從事海洋平臺陸地建造及海上安裝工作。

2011-08-05；

2012-06-14