黏土中打樁動力過程對樁基的影響

　中海石油上海分公司

黏土中打樁動力過程對樁基的影響

張樹德中海石油上海分公司

大直徑超長鋼管樁被越來越多地應用于海洋工程中，準確預測樁的可打入性是保證海上安全施工的重要條件。根據我國某平臺打樁的實測數據，對黏土中打樁過程土阻力的衰減和承載力的恢復進行了研究。根據現場打樁記錄，采用波動方程計算打樁過程中的土阻力。在打樁過程中，黏土的土阻力可衰減至其承載力的10%左右，雖然黏土強度在打樁過程中產生了明顯的衰減，但其同時又具有較高的恢復能力。現有的經驗公式無法真實反映現場實際情況，在進行樁的可打入性分析以及樁基承載力評估時，要充分考慮黏土的特點，慎重使用經驗公式，按照當地的實際工程經驗選取合理的計算參數。在條件允許的情況下，應該采用復打的方法對樁基承載力進行進一步評估。

黏土；打樁；土阻力；柱基承載力；評估

海洋工程大直徑、超長鋼管樁的可打入性以及打樁后樁基承載力的評估，是影響工程建設的重要因素[1]。

工程實踐表明，打樁過程中周圍土體會發生較為明顯的變化[2-3]。在黏土層中進行打樁時，樁周原狀土體結構受到一定程度的破壞。打樁結束后，土體強度漸漸恢復，恢復的過程具有時效性。為此，根據我國某平臺打樁的實測數據對黏土中打樁過程土阻力的衰減和承載力的恢復進行了研究。

1　打樁過程中土阻力的計算

在對樁的可打入性進行分析時，需要計算打樁過程中的土阻力。大直徑管樁在打樁過程中，往往認為不發生閉塞，在黏土層中連續打樁時采用Semple和Gemeinhardt等人提出的方法[4]確定單位側阻力

式中 fdr為打樁時單位側阻力（kN）； f為樁基承載力中的單位側阻力（kN）；Fp為經驗系數。

根據工程經驗，Fp由式（2）確定

式中OCR為土體的超固結比。

對于正常固結黏土，即OCR=1.0時，打樁過程中的土阻力可表示為

式中Sunc為黏性土正常固結條件下的不排水抗剪強度（kPa）；Su為黏性土實際不排水抗剪強度（kPa）；As為樁體側表面積（m2）； AP為樁端面積（m2）。

在打樁過程中考慮黏土強度的弱化，其折減系數一般取為0.5。

2　工程背景

某工程平臺區水深約63m；樁基采用開口鋼管樁，直徑2.134m，共8根，分布在四個角；樁長115.5m；最終入泥93m；樁最大壁厚65mm，最小壁厚45mm；在入泥深度范圍內黏土厚度達到85m。

從現場打樁記錄及打樁所用總能量可以看出，現場打樁最后1m的錘擊數在20擊左右，打樁所用的總能量不超過500MJ。打樁總能量見圖1。

圖1　打樁總能量

3　利用波動方程計算打樁阻力

根據現場打樁記錄，采用波動方程計算打樁過程中的土阻力。圖2為計算得到的本工程錘擊數與土阻力的關系曲線，根據圖2曲線以及現場打樁記錄可以得到打樁土阻力沿深度的分布。

圖2　捶擊數與土阻力關系曲線

由土阻力與深度關系曲線可以看出，打樁過程中的土阻力要遠小于樁基的承載力。當黏土的折減系數選擇為0.5時，其預測結果與計算結果有較大的差異；當選擇0.1的折減系數時則與實際情況相符合。

4　樁基承載力的恢復

目前對于樁基承載力的恢復有很多經驗公式，其中最為常用的為Skov和Denver等人提出的以下經驗公式[5]

式中 A和 t0為經驗參數，在黏土中t0一般取1.0， A取0.6（Skov和Denver等人在黏土中的推薦值）；Q0為打樁結束時的承載力；Qt為打樁結束后時間為t時的承載力。

按照上述公式以及參數推薦值計算得到的打樁結束后90天的承載力僅能達到17.4MN，遠遠不能滿足設計要求。

為了進一步評估樁基承載力，對其中兩根樁在打樁結束后9.5、48、86h以及打樁結束后90天，分別進行了復打。同樣采用波動方程對復打記錄進行分析，得到了復打時間點的土阻力的均值，分別為16、33、32、42MN。從以上數值可以看出，在打樁結束后不到10個小時，樁基承載力的恢復已接近公式預測打樁結束后90天的承載力預測值。

根據打樁結束時各個樁的土阻力以及復打得到的土阻力，可以得到樁基承載力隨時間的變化關系，見圖3。如果按照Skov和Denver等人提出的公式進行擬合，在t0=1.0的條件下， A取值為1.2，是Skov和Denver推薦值的2倍，且其變化趨勢與經驗公式也有明顯的差異。

圖3　承載力隨時間的變化關系

5　結論

打樁過程中的土阻力以及樁基承載力的評估是海上安全施工以及保證平臺安全運行的關鍵。在以黏土為主的土層當中進行打樁，土體強度會發生明顯的弱化，在打樁結束后的一段時間其強度又會明顯恢復。

目前常用的有關考慮黏土強度折減的土阻力預測公式以及考慮樁基時間效應的承載力恢復公式，在本項目中均與實際結果存在較大的差異，無法真實反映現場的實際情況。

實際工程表明，在打樁過程中，土阻力中黏土強度的發揮僅為設計值的10%；在打樁結束后10個小時內，樁基承載力即有明顯的恢復；在打樁結束后90天，樁基承載力接近其設計值。因此在實際工程中應該考慮黏土特點，慎重使用經驗公式，按照當地的實際工程經驗選取合理的計算參數。在條件允許的情況下，應該采用復打的方法對樁基承載力進行進一步評估。

[1]陳寶潔，海洋平臺安全建造管理[J]．油氣田地面工程，2013，32（9）：13-14.

[2]姜龍，預制樁的沉樁阻力分析[J]．油氣田地面工程，2007，26 （8）：48-50.

[3]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.

[4]SempleRM，GemeinhardtJP．Stresshistoryapproachtoanalysis ofsoilresistancetopiledriving[C]//OffshoreTechnologyConference．Houston：OTC，1981：11-21.

[5]SkovR，DenverH．Time-dependenceofbearingcapacityofpiles [C]//Proc3rdIntConfAppStress-waveTheorytoPiles．Ottawa：BiTechPublishers，1988：879-888.

13920746863、lisa@tju.edu.cn

（欄目主持樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.036

張樹德：高級工程師，主要從事海洋建筑物的設計及建造等方面的工作。

2015-04-21