高應變動測試驗在水下樁基施工中的應用

蒲玉成，李颯，張培獻

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.天津大學建工學院巖土所，天津 300072；3.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

0 引言

早在20世紀70年代，樁基高應變測試方法就開始應用于我國海洋工程。唐念慈1978年對渤海12號工程的樁基進行了動測試驗，評價了樁基的承載力[1]。2005年在渤海某場地海洋平臺的建設中樁基拒錘后，動測法被用來進行了樁基承載力的評價[2]。由于其優越性，被廣泛應用于跨海大橋、海上風電、港口工程等海洋建筑物的樁基檢測。

現有的研究顯示，絕大多數海洋工程進行的高應變動測試驗為水面以上，水下的動測試驗數量很少。截止目前為止，公開發表的水下動測試驗為1996年Neil的相關描述[3]。

為盡快了解東海土質條件及其對打樁過程的影響，在東海某導管架平臺樁基施工中采用了高應變動測方法對打樁過程進行了實時監測，這是我國首次采用高應變動測方法對水下打樁過程進行監測。

1 工程背景

導管架平臺位于東海某地區，平均水深84.1 m，樁基采用大直徑鋼管樁。根據樁形分布、位置和受力作用，分為主樁和副樁，主樁位于4個角部的中心位置，共4根，主樁兩側為副樁。樁徑φ2 438 mm，主樁樁長118.5 m，副樁117.6 m，設計入泥樁長96.0 m。每根樁重達434.9 t，樁基布置形式見圖1。

圖1 樁基布置形式Fig.1 Layout form of Pile foundation

用于安裝導管架和打樁作業的作業船上配有MENCK MHU800S和1200S液壓錘，液壓錘是雙動力，錘重分別為45.4 t和66.2 t，沖程分別為1.84 m和1.85 m，最大額定能量為800 kJ和1 200 kJ。MENCK打樁系統不用配備錘墊。由于打樁過程為水下作業，打樁船配備2個水下機器人（ROV），其中一個用來觀察海底附近樁的貫入度，另一個用來觀察打樁錘和樁頂情況。

根據地質勘察報告，作業場地地層主要以中密至密實粉細砂、粉土、硬至堅硬粉質黏土為主。勘察揭露深度為140.9 m，層序共分為17層，各土層沿深度分布見表1。

表1 土層分布情況Table 1 Soil layer distribution

2 高應變動測試驗的實施

2.1 試驗儀器

現場高應變動測試驗使用的設備主要包括主機（PDA打樁分析儀）、傳感器、主電纜。主機用來采集、存儲和基本的實時分析，如CAPWAP和iCAP可以快速給出SRD、樁身應力、錘擊效率等結果，本項目使用美國PDA公司的PAK主機。

2.2 試驗步驟

2.2.1 傳感器的安裝

傳感器安裝位置距樁頂2倍樁徑左右。由于樁基通過套筒導入泥中，為了避免傳感器過早進入套筒而被損壞，傳感器的安裝位置應盡量靠近樁頂。

在樁體插樁就位之前將傳感器安裝于樁體，但此時傳感器并不與主電纜連接，待插樁就位后，打樁開始前再進行電纜連接。由于本次試驗為水下打樁監測，需要在傳感器安裝位置的側面90°處焊接1個厚40 mm、長寬均為250 mm的耳板，用于固定主電纜和調節其長度。

為使ROV在水下清晰監視傳感器，需要在傳感器位置涂上1圈色澤鮮艷的油漆。

2.2.2 電纜的連接和處理

插樁就位后，打樁之前，使用工作籃接近樁身并進行主電纜與傳感器的連接（圖2），主電纜的另一端連接到PDA打樁分析儀上。

圖2 主電纜與傳感器的連接Fig.2 The main cable connected to the transducers

進行水下測試需要注意保持合適的電纜長度，電纜應盡量放松。由于電纜的水下部分不可見，所以電纜長度應預先進行標記，并根據樁體入泥情況，通過標記隨時釋放電纜長度。此外還需要注意，防水電纜為了抵抗拉力，內部嵌有鋼絲，自身重量很大，150 m長的電纜，帶卷軸重量達到100 kg，需要專人負責。檢測之前，電纜應完全鋪開，最好采用絞盤進行電纜釋放和回滾。

2.2.3 打樁過程監測

PDA打樁分析儀放置在打樁錘控制室，這里配備有ROV顯示屏，能夠清楚地觀察記錄樁的貫入度情況。

打樁開始前ROV下水觀察確保電纜和錘的管線與導管架沒有纏繞，測試工程師檢查PDA上的信號，確保傳感器正常工作。監測現場至少需要2位檢測工程師，一位監測PDA打樁分析儀和樁的貫入度，另一位專門控制電纜長度。

樁的貫入信息應及時傳遞給控制電纜的工程師，以確保打樁過程中釋放足夠長的電纜，尤其在打樁開始階段，需要在水中釋放額外長度的電纜。

在試驗過程中注意數據的保存。打樁完成起吊樁錘時，確保樁錘控制管線與主電纜保持分離。如需要復打，復打之前需將主電纜安全固定在導管架平臺上。

打樁結束時傳感器位于水底，一般難以回收，僅回收主電纜。

3 高應變動測結果與分析

2根試驗樁為A1-3和B1-3（見圖1）。2根樁初始入泥21 m左右，采用MHU1200S錘進行打樁作業，打樁的錘擊能量介于300~500 kJ。在打樁開始后不久，2根樁均出現不同程度的溜樁，總體打樁情況見表2。

PDA打樁分析儀測量的動態數據用來評估打樁錘和打樁系統的性能、樁頭壓縮應力和樁身結構的完整性，采用CAPWAP得到相應的結果見表3、表 4。

表2 打樁過程Table 2 Piling Procedure

表3 A1-3錘效、樁身應力以及完整性Table 3 Energy transfer efficacy,pile stress and integrity of A1-3

表4 B1-3錘效、樁身應力以及完整性Table4 Energy transfer efficacy,pilestressand integrity of B1-3

從表中可以看到，打樁過程中，錘輸出能量可以有效作用在樁體上，樁身最大拉、壓應力均小于許用應力，樁身結構完整。

4 打樁結束時的樁基承載力

根據PDA的動態數據，計算了樁體在不同深度處的承載力，結果見表5、表6。

表5 A1-3樁不同深度處樁的承載力Table5 Pilecapacity along thedifferent depth of A1-3

表6 B1-3樁不同深度處樁的承載力Table 6 Pile capacity along the different depth of B1-3

從表中可以看到，由于溜樁的產生，溜樁后樁的承載力受到明顯影響，溜樁段（A1-3樁38 m，B1-3樁20 m）地基土提供的承載力很小。

5 水下動測試驗的特點

高應變動測法成功應用于海洋工程水下打樁，這在國內尚屬首次。與水上試驗相比，水下動測試驗的主要特點有：

1）傳感器所在位置不同，水下動測試驗傳感器需要入水，而水上動測試驗傳感器始終位于水面以上。

2）由于傳感器入水，對相應設備的要求也就不同。水下測試使用的傳感器和電纜必須全部為防水型，并需要在試驗前增加保護措施。

3）測試成本有很大差別，水上試驗傳感器和電纜都可以回收重復使用，而水下試驗傳感器為一次性使用，電纜雖可以回收，但由于回收方法還存在缺陷，造成其回收后能否再次使用需要進行測試評估，從而造成試驗成本大幅度提高。

4） 由于測試全部在水下，試驗過程中需要ROV協助進行，而水上測試則不存在這一問題。

5） 由于海洋環境惡劣和地質條件復雜，使水下動測試驗的風險加大，對傳感器安裝、傳感器與電纜連接和測試過程中電纜的處理提出了更高的要求。

鑒于水下動測試驗的特殊性，試驗過程中應充分注意：

1） 良好的溝通非常重要，測試中所有人員的積極配合是保證試驗順利進行的基礎。

2） 傳感器、樁和主電纜之間的連接應精心設計，以減少連接時間，并且有助于電纜回收，節約成本。

3）應指派專人照看電纜，避免發生纏繞。

6 結語

水下樁基動測試驗過程復雜，成本較高，掌握水下樁基動測技術有助于提高我國海洋工程現場測試水平。

試驗過程中在傳感器安裝、電纜連接以及數據采集等環節都具有自身特點，每一個環節都不能有失誤，否則將造成整個試驗的失敗。試驗過程中各方面需要及時溝通和協調，這是保證試驗成功的重要前提。

現場實測數據顯示，本次打樁過程中樁身最大拉、壓應力均小于許用應力，樁身完整性較好。

[1] 唐念慈.渤海近海平臺的打樁分析[J].南京工學院學報，1980（1）：48-55.TANG Nian-ci.Pile driving analysis of Bohai offshore platform[J].Journal of Nanjing Instituteof Technology，1980（1）：48-55.

[2] 李颯，韓志強，楊清俠，等.海洋平臺大直徑超長樁成樁機理研究[J].工程力學，2010，27（8）：241-245.LISa，HANZhi-qiang，YANGQing-xia，et al.Theformation mechanism of super large diameter and deep penetration pile in offshore platform[J].Engineering Mechanics，2010，27（8）：241-245.

[3]HARNAR Neil，LIKINSGarland.Underwater dynamic testing experience[C]//Proceedings of the fifth international conference on the application of stress-wavetheorytopiles.Orlando，1996：12-17.