海洋平臺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海上安裝的關鍵環節之一，在鋼樁設計階段進行可打入性校核是保證順利打樁的重要技術手段。文章介紹了當前海洋工程領域的打樁系統和打樁分析方法，并結合工程實例對不同打樁工況所采用的按土壤性質和按阻力性質進行阻力折減的方法、相關參數的取值及影響，以及方法的適用性進行了對比研究。最后結合國內海洋工程經驗與現狀，給出了進行鋼樁可打入性校核與施工的一些結論和建議。

海洋樁基平臺；鋼樁；打樁；可打入性校核；工況分析；打樁系統

0 引言

鋼樁是海洋樁基平臺的重要組成部分，它作為基礎結構為整個平臺提供固定和支撐（抗壓和抗拉）。近年來，隨著平臺規模的不斷增大，海洋環境的進一步惡化，海洋結構物安全性要求的提高，鋼樁尺寸及設計入土深度相比以前有了很大增加，打樁難度也相應提高。在海上安裝作業時，由于鋼樁的施工需要浮吊、打樁錘、駁船等大型船舶、機具，如果打樁作業未能順利進行，不僅會造成施工投資的大幅增加，而且還會拖延油氣田的投產。有的平臺在打樁施工中出現拒錘現象，被迫采取重新評估樁基承載能力、增設后期監測設施或實施掏土塞再打樁等措施，也會進一步造成投資增加和投產推遲。為了降低施工風險，保證順利打樁，鋼樁的可打入性分析已經成為鋼樁設計階段的一項重要內容。

1 打樁系統

海洋工程領域的打樁系統主要包括三個部分：打樁錘、樁和土壤。

打樁錘是用于打樁作業的機具，海洋工程施工領域通常使用液壓錘（見圖1，為IHC Hydrohammer B.V.和MENCK公司生產的液壓錘）。液壓錘性能穩定，易于操控并可即時調整擊打能量，而且能夠進行水下打樁。打樁錘通常按能量級別分為不同型號，有不同的性能和參數。除了標稱最大能力外，在進行打樁分析時應注意不同作業公司及不同配套機具可以達到的最大實際能力。國內海洋工程領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

海洋工程領域通常需要進行海上打樁作業的為鋼管樁，該樁由多截卷制鋼質圓管焊接組成，不同截段管外徑相同，壁厚根據不同位置的受力不同而存在差異。由于構造簡單，材質單一，在打樁分析中通常視為標準的彈性體，在進行可打入性校核的同時進行鋼樁強度校核。

土壤作為打樁系統中最復雜的組成部分，其復雜性主要體現在土壤構成、土質性質的差異以及打樁過程中土壤的動態屬性上。在力學性質上，土體材料為非線彈性，應力-應變關系為曲線關系。鑒于土體材料的復雜性，在進行打樁分析時，往往將其簡化為剛塑性材料，見圖2。

圖2 土體材料應力-應變關系的簡化

在海洋工程領域，一般預先進行平臺場址鉆孔取樣，并通過實驗得到土壤的靜態屬性。對于打樁分析，重要的土壤參數包括：摩擦力系數、壓力系數（用于計算樁端阻），阻尼系數和臨塑變形等。到目前為止，對于土壤對打樁產生阻力的機理還不夠清楚，一般通過選取動態參數來等效模擬土壤的動阻力。選用動態參數帶有經驗性，這也是進行準確打樁預測的最大難點。

2 打樁分析方法

對于海洋平臺鋼管樁，打樁過程需要克服的阻力有：樁側摩阻和樁端阻（見圖3）。

圖3 打樁阻力示意

打樁計算分析所使用的基本理論為波動理論，其一般形式為：

式中u——位移；

E——彈性模量；

ρ——密度；

t——時間；

χ——縱向坐標；

R——土阻力。

使用數值方法求解波動方程是進行打樁計算的基本方法。使用波動方程將打樁系統離散成系列質量、彈簧和阻尼器，模擬應力在樁內傳播。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量上。并將逐次錘擊過程在時間上離散成為微小的時間間隔，計算從已知的錘擊初速開始，逐個單元進行反復迭代，直到樁底單元不再貫入。打樁離散單元模型見圖4。

圖4 打樁離散單元模型

波動方程式（1）應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；

m——離散單元編號；

Δt——時間間隔；

W——質量；

K——彈性系數；

g——重力加速度；

R——土阻力。

式（2）適用于計算機數值計算，用于海洋工程領域打樁計算分析的軟件（如GRLWEAP 2005）大多應用這一方法。

3 打樁工況定義與設置

3.1 打樁工況定義

海洋工程是高風險的行業，海上打樁作業過程復雜，風險因素多，可即時備用的大型打樁機具數量少，而且費用高昂。為使鋼樁可打入性校核能夠科學、有效地反映現實情況，定義打樁工況時不僅要考慮鋼樁海上施工程序，還要考慮鋼樁設計、打樁機具，并且要適當考慮環境等風險。按照這樣的原則，在進行打樁分析時，可以對打樁工況進行如下分類和定義。

（1）連續打樁工況。表示打樁作業連續進行，打樁錘持續擊打鋼樁，鋼樁影響范圍內的土壤處于持續的擾動狀態，打樁阻力（動阻）最小。常見于較深水平臺的水下裙樁，整根樁設計成一節，單節樁段的設計使得打樁過程可以連續進行。

（2）短間歇打樁工況。表示因為接樁（見圖5）、打樁機具更換等情況而短時間停止打樁后，鋼樁影響范圍內的土壤擾動狀態經歷短時間恢復后，繼續進行打樁的狀況。打樁阻力（動阻）大于連續打樁工況。常見于較淺水域（渤海、潿洲灣等）平臺的主腿樁（整根樁分成多節）的施工。

（3）長間歇打樁工況。表示因為天氣突變時間較長，打樁機具因故障而無法及時修復或更換等意外情況，而被迫長時間停止打樁，土壤擾動狀態經歷更長時間的恢復后繼續打樁的狀況。此工況下打樁阻力最大，并因此發生過鋼樁不能打到設計深度而拒錘的情況。

在海洋工程領域，按照安全施工的原則，長間歇打樁工況是在制訂結構物海上施工方案和實施海上打樁程序中應該盡量采取防范措施加以避免的工況。

圖5 渤海某導管架接樁作業

3.2 打樁工況設置

基于打樁過程中土壤動阻力（土壤被擾動后的樁側摩擦阻力和樁端阻力）小于土壤靜阻力的事實（在后文連續打樁實例分析中得到驗證），針對不同的打樁校核工況，設置不同的動阻系數用于獲得等效的土壤動阻力，見式（3）。

式中f動——土壤動阻力；

k——動阻系數；

f靜——土壤靜阻力。

根據打樁過程中土壤阻力性質和土壤構成的不同，可以把打樁工況的動阻系數設置分成兩類，見表1。

表1 鋼樁可打入性校核工況動阻系數設置應用示例

（1）一類方法按土壤性質進行摩阻折減，考慮到砂土的易恢復性質，只對黏土進行折減；對于端阻，考慮到土壤在與樁端接觸之前的不完全動員狀態，不進行折減。

（2）二類方法按阻力性質的不同而分別對摩阻和端阻進行折減，不考慮土壤的不同構成。

4 打樁分析參數設置

對于打樁分析，除去阻力、鋼樁材料特性、樁錘參數這些可以明確標定的基礎數據外，還有兩個重要的經驗參數：臨塑變形和阻尼系數。臨塑變形表示樁土之間達到極限作用力的相對位移，阻尼系數反映了樁土之間因相對速度而引起的阻力增加。基于EAL史密斯的推薦，有一套現行的基本通用的計算參數，見表2和表3。

表2 臨塑變形參考

表3 阻尼系數參考

臨塑變形和阻尼系數均與錘擊數呈正相關關系，系數取值越大，錘擊數越高。

5 適用性分析

為論證海洋平臺鋼樁可打入性分析方法及工況設置的適用性，收集整理了多個導管架平臺的海上打樁施工記錄，與打樁校核的計算結果進行對比、分析，選取了典型的對比結果和分析結論摘錄如下。本文鋼樁可打入性分析均使用GRLWEAP 2005軟件完成計算。

5.1 連續打樁

圖6為節選的南海西部某井口平臺裙樁（樁徑為2 134 mm，設計入土深度為85.5 m）的打樁記錄與可打入性校核計算結果的對比。圖7為節選的珠江口某綜合平臺裙樁（樁徑2 438 mm，設計入土深度99 m）的打樁記錄與可打入性校核計算結果的對比。兩個平臺的鋼樁均為單節鋼樁，打樁過程連續進行。

圖6 南海西部某井口平臺打樁對比

圖7 珠江口某綜合平臺打樁對比

結果表明，其一，對于連續打樁工況，兩類打樁動阻設置方法均保守地預測了鋼樁的可打入性，均可以作為鋼樁可打入性的判定依據；其二，由于工況參數設置及平臺場址土壤構成的差異，兩類打樁動阻設置方法校核結果的保守程度不盡相同。

5.2 短間歇打樁

圖8為節選的渤海北部某井口平臺鋼樁（樁徑1 829 mm，設計入土深度93 m）的打樁記錄與可打入性校核計算結果的對比，鋼樁為多節樁，在入土深度約67 m處進行了接樁，打樁間歇時間約為78 h。圖9為節選的渤海中部某中心平臺鋼樁（樁徑1 829 mm，設計入土深度76 m）的打樁記錄與可打入性校核計算結果的對比，鋼樁為多節樁，在入土深度約41 m處進行了接樁，打樁間歇時間約為131 h。

圖8 渤海北部某井口平臺打樁對比

圖9 渤海中部某中心平臺打樁對比

結果表明，其一，對于短間歇打樁工況，兩類打樁動阻設置方法均保守地預測了鋼樁的可打入性，均可以作為鋼樁可打入性的判定依據；其二，由于工況參數設置及平臺場址土壤構成的差異，兩類打樁動阻設置方法校核結果的保守程度不盡相同；其三，間歇時間影響了鋼樁的可打入性，間歇之后的錘擊數明顯增加，而且間歇時間越長，錘擊數的增加越明顯。

6 結論與建議

根據大量海樣樁基平臺打樁作業的施工經驗，并結合以上分析，給出了以下結論與建議：

（1）用于鋼樁可入性分析的兩類動阻設置方法，均能保守地進行鋼樁可打入性校核，均能保障鋼樁打入到設計深度。但由于第二類方法更偏向人為的經驗性設置，缺乏足夠的理論依據；而第一類方法，從土壤類型上進行了區分，更符合土壤類型的狀態性質，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，進一步的研究工作也應圍繞第一類方法展開。

（2）對于可以實施連續打樁作業的單節鋼樁，打樁記錄錘擊數往往遠小于使用連續打樁工況進行可打入性校核所得的錘擊數，使用連續打樁工況校核可以較好地預測鋼樁的可打入性。另一方面，在工程實踐中，通常無需增加或僅增加少量鋼材用以加強鋼樁壁厚就可以滿足短間歇打樁工況，實現樁錘故障更換等短期意外發生時仍能順利完成打樁作業。因此，綜合考慮減少施工風險和并不過多增加工程投資兩個方面，建議設計單節鋼樁達到滿足短間歇打樁工況的校核要求。

（3）對于不能實施連續打樁作業的多節鋼樁，在正常施工程序下，打樁記錄的錘擊數小于使用短間歇打樁工況進行可打入性校核所得的錘擊數。間歇時間的長短直接影響打樁效果。基于目前掌握的資料，5 d以內的打樁間歇時間均取得了較好的打樁效果。

（4）對于更長時間的打樁間歇，土壤狀態得到了更大程度的恢復，甚至形成鋼樁堵塞，造成打樁難度大幅提高，以致出現拒錘風險。對于此類風險，基于目前的工程技術，在進行鋼樁設計時，可以使用鋼樁堵塞或土壤靜阻等最保守的工況進行可打入性校核。這種最保守工況的校核通常導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增長。因此，綜合考慮合理控制工程投資和控制施工風險，建議將連續打樁和短間歇打樁作為鋼樁可打入性校核的判定工況，而將長間歇打樁工況作為參考工況，并在鋼樁施工方案中側重采用優化打樁順序、關注施工氣候窗、使用備用錘等多種手段，以避免長間歇打樁工況的發生。

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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年畢業于赫爾辛基理工大學（芬蘭，Helsingin teknillinen reaalikoulu），碩士，現從事海洋工程研究與設計工作。

2014-03-25