海洋平臺鋼樁可打入性研究

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(海洋石油工程股份有限公司,天津 300452)

樁基礎(chǔ)在海洋工程中得到廣泛的應(yīng)用，其中固定式鋼質(zhì)平臺基本上全是應(yīng)用鋼樁固定，深海浮式平臺中錨系結(jié)構(gòu)的固定也大部分采用了鋼樁。隨著科技的進步與發(fā)展，海洋平臺也向大型集成化、深水方向發(fā)展，其結(jié)果必然對樁基的要求更加苛刻，因此鋼樁也向大直徑、超深入泥方向變化。這也將導(dǎo)致在施工過程中會發(fā)生溜樁、拒錘等現(xiàn)象的發(fā)生。因此，根據(jù)鋼樁尺寸、地質(zhì)勘探資料及選取的樁錘進行合理準(zhǔn)確地預(yù)測鋼樁的可打入性，以使得即將進行的整個打樁工程更加科學(xué)、合理，使打樁工程中可能會碰到的主要問題在打樁之前就得到解決，避免事故的發(fā)生，減少工程經(jīng)濟損失。龔維明等人對鋼管樁的可打入性進行了分析研究，分析了開口鋼管樁的閉塞效應(yīng)、沉樁阻力、群樁相互作用問題，提出了打樁順序等建議[1]。文中結(jié)合具體的工程實例，利用波動理論對開口樁進行可打入性分析，并對樁的貫入穩(wěn)定性進行校核。

1 理論基礎(chǔ)

目前對樁的可打入分析除了用經(jīng)驗工程估算外，還必須采用波動方程數(shù)值分析法。國內(nèi)外一些學(xué)者采用波動方程數(shù)值分析法對動力沉樁中眾多影響因素進行了系統(tǒng)的分析，進而對樁-錘-土系統(tǒng)有了更清楚的認(rèn)識。美國樁基動力學(xué)公司開發(fā)的用于打樁分析的波動方程分析軟件GRL WEAP可用于分析樁的打入可能性、預(yù)測單樁承載力、樁身受到的拉壓應(yīng)力等。在動力打樁和測試過程中，一次錘擊樁頂?shù)臄_動作用認(rèn)為是在樁體中作用入射波。由于樁體不連續(xù)和樁周土的相互作用，因此，就產(chǎn)生了與入射波反向傳播的反射波。入射波、反射波以及接下來的反射作用在整個樁體中相互影響。GRL WEAP程序以一維波動理論為基礎(chǔ)，采用數(shù)值方法模擬該過程。

1.1 一維波動理論

考慮沒有內(nèi)部阻尼和土體相互作用的柱形桿，見圖1。

圖1 一端加載的柱形桿

桿的質(zhì)量密度為ρ，橫截面積為A，彈性模量為E。在桿頂作用一荷載F(t)，桿中一微小部分dx的運動方程為

(1)

式中:x——the Lagrangian坐標(biāo);

u——軸向位移;

t——時間。

力F可由應(yīng)變ε表示如下。

(2)

由方程(1)和方程(2)，得

(3)

或

(4)

式中：c——波的傳播速度，

(5)

方程(4)的通解可用下面方程表示為

u=u↓(x-ct)+u↑(x+ct)

(6)

該通解由兩個行波組成，其傳播速度都為c，但傳播方向相反。波沿特征線(x±ct)傳播，而且u↓和u↑的值是常數(shù)，可由邊界條件確定。

對于質(zhì)點速度v和軸力F，可導(dǎo)出下列方程。

(7)

(8)

式中:v↓ 和F↓僅是(x-ct) 的函數(shù);v↑和F↑也僅是(x+ct)的函數(shù)。在一般情況下，樁身任意截面上的速度和軸力都是上行波和下行波的疊加的結(jié)果。

由式(7)和(8)，可知

F↓=Zv↓

F↑=-Zv↑

(9)

式中:Z——桿件的阻抗，定義為桿件上任意點處的受力與該點的運動速度之比。

1.2 貫入穩(wěn)定性分析理論

打樁過程中樁在自重或者樁錘組合作用下會發(fā)生貫入度過大的現(xiàn)象，工程上稱之為溜樁。根據(jù)溜樁的位置又分兩種情況：①打樁之前，導(dǎo)管架就位后，樁插入后在本身自重的情況下會自由貫入泥土中；②打樁過程中，樁頭穿過硬質(zhì)沙層，在進入到軟土中的時候可能發(fā)生溜樁。

在打樁之前，導(dǎo)管架腿中插入鋼樁后，由于表面土層土質(zhì)較軟，樁在重力的作用下會自由貫入直到樁受到土的阻力與重力平衡，樁自由貫入會停止。其平衡方程為

SRP=F

(10)

考慮到樁身貫入對周圍土體的擾動，取土的重塑強度計算土阻力。假定樁內(nèi)側(cè)的摩阻力為0時，計算一定貫入深度下樁阻力SRPmin的值;樁內(nèi)側(cè)摩阻力為外側(cè)摩阻力的50%時，計算一定貫入深度下樁阻力SRPmax的值，其表達式如下。

SRPmin=fsAso+qpAp=fsCsoL+qpAp

(11)

樁身受力F同土阻力SRP相等，根據(jù)土阻力的不同，則得到溜樁長度L的范圍為

(12)

(13)

式中：F——樁身受力；

fs、qp——單位樁側(cè)摩阻力、單位樁端阻力；

As、Ap——樁側(cè)、樁端面積；

Aso、Asi——樁內(nèi)外側(cè)面積；

Cso、Csi——樁內(nèi)外側(cè)周長；

L——溜樁長度。

樁土間相互作用模型可表示為

W=Wu+Wv+Wa

(14)

式中：Wu,Wv及Wa分別為因樁身位移、速度及加速度而產(chǎn)生的相互作用力，但分析中沒有考慮由于附加質(zhì)量而產(chǎn)生的慣性力Wa。土體疲勞程度與樁的貫入深度、樁錘能量大小、樁的截面形式、樁材料、樁徑、土層埋深、土性等諸多因素有關(guān)[2]。目前仍采用一些經(jīng)驗公式分析土體疲勞因子與樁的最大貫入深度和土層埋深的關(guān)系。常用的方法如下。

設(shè)土層埋深為X，樁的最大貫入深度為Y，埋深為X的土層疲勞因子為βs。

線性公式：βs=X/Y或βs=X/(Y-5)

非線性公式：βs=(X/Y)2或

βs={X/(Y-5)}2

指數(shù)公式：βs=e[-0.04×(Y-X)]或

βs=e[-0.04×(Y-X-5)]

考慮疲勞后的屈服強度為

fuy=fyuo×β

(15)

各種土體疲勞計算方法的分析結(jié)果均顯著小于不考慮土體疲勞時的相應(yīng)值。對相同的貫入深度，當(dāng)考慮土體產(chǎn)生疲勞時，樁周所發(fā)揮的靜阻力降低，所需要錘擊數(shù)減小。實踐發(fā)現(xiàn)采用非線性算法可以更好地模擬樁的打樁性狀[2]，所以溜樁分析中應(yīng)采用非線性公式模擬土體疲勞。

2 工程應(yīng)用實例

采用GRL WEAP程序?qū)Σ苠楹Ｉ嫌吞?CFD11-3/5)平臺基礎(chǔ)打樁工程進行計算分析，與現(xiàn)場打樁記錄和TNOWAVE打樁分析程序進行比較，來說明該程序在打樁中的實際應(yīng)用。

2.1 CFD11-3/5工程簡介

CFD11-3/5工程中鋼管樁的長度為103.46 m，從上到下共分3段，其幾何和物理參數(shù)見表1。

表1 鋼管樁的幾何和物理參數(shù)

樁設(shè)計貫入深度為68 m。樁錘采用液壓錘(IHC S-500)，不采用錘墊和樁墊。

2.2 計算參數(shù)選取

1)錘的參數(shù)。采用液壓錘(IHC S-500)來打樁，其中本次計算擬定機械效率和額定效率均輸入80%。

2)土質(zhì)參數(shù)。按照API規(guī)范，選取土質(zhì)基本參數(shù),見表2。

表2中的側(cè)摩阻力實際上給定了樁側(cè)各土層的屈服強度，表中的端阻力實際上給定了樁端各土層的屈服強度。

3)取樁側(cè)土彈性變形值與樁端土彈性變形值相等，即：Qs=Qp=2.5 mm。

4)樁側(cè)土阻尼系數(shù)。砂土：Js=0.24 s/m；粘土：Js=0.15 s/m。樁端土阻尼系數(shù)Jp=0.5 s/m。

5)土塞作用。1～8層土體取ξ=0.3;9～10層土體取ξ=0.5;第11～18層土體取ξ=0.7。

樁貫入土深為68.0 m，從地表至地下共分為14層土，土質(zhì)參數(shù)見表2。

表2 土質(zhì)參數(shù)

2.3 計算結(jié)果分析

分別采用GRL WEAP程序和TNOWAVE程序?qū)σ陨蠑?shù)據(jù)進行設(shè)計貫入深度為68 m的沉樁可能性分析、承載能力分析。沉樁中貫入深度及錘擊數(shù)的比較見圖2。

圖2 沉樁中貫入深度～錘擊數(shù)比較

采用一維波動理論的GRL WEAP軟件平臺進行可打入性分析，通過設(shè)置樁端和樁側(cè)的系數(shù)得出形成土塞的3組數(shù)據(jù)及沒有形成土塞的3組數(shù)據(jù)。最終得出了樁入泥68 m時整個過程的樁的承載力分布，沉樁可行性結(jié)果數(shù)據(jù)、樁身應(yīng)力等情況。圖2是樁達到設(shè)計貫入深度時計算分析的每英尺的錘擊數(shù)與現(xiàn)場實測的具體結(jié)果，可以看出實測的結(jié)果與計算中無土塞(0.7～1.0)相一致，因此此平臺的打樁情況幾乎沒有形成土塞。在圖2中可以看出在入泥50.3 m左右時每英尺的錘擊數(shù)增大，主要是因為在此位置接樁，加上天氣原因在此位置停留了大約一周，由于等待時間的加長，樁頭土體固結(jié)，引起土體強度恢復(fù)與提高，從而使打樁困難。

3 結(jié)論

1)采用波動方程理論的GRL WEAP程序能很好地建立打樁的計算模型，并且考慮對各項影響因素，得出打樁時的結(jié)果。通過和現(xiàn)場打樁記錄的對比，現(xiàn)場打樁記錄結(jié)果接近理論計算結(jié)果。

2)若首節(jié)樁過短，溜樁過大，則易陷入導(dǎo)管架腿中，造成接樁困難，延誤工期。通過溜樁計算分析，可以在設(shè)計階段確定出樁分段長度。

3)從分析的結(jié)果看出，在接樁位置捶擊數(shù)明顯增大，說明在此位置土體強度得到了恢復(fù)，因此，接樁位置一定要在樁頭進入到泥土層中進行，在硬質(zhì)沙土層中停錘作業(yè)時，土體強度恢復(fù)較快，容易發(fā)生拒錘。

4)對發(fā)生溜樁的位置要盡量采用小能量擊打，避免大能量對錘造成損壞。

[1] 商德仲.動力沉樁中土體疲勞的計算方法探討[J].中國港灣建設(shè)，2007(1)：20-22.

[2] 劉 潤，董 偉.土體疲勞對打樁分析的影響[J].海洋技術(shù),2005,24(4):68-72.