基于能量法的大直徑超長鋼管樁溜樁問題分析

閆澍旺，陳 浩，賈沼霖,2，林 澍，孫立強

(1.天津大學 建工學院，天津 300072; 2.華電重工股份有限公司博士后科研工作站，北京 100070)

基于能量法的大直徑超長鋼管樁溜樁問題分析

閆澍旺1，陳 浩1，賈沼霖1,2，林 澍1，孫立強1

(1.天津大學 建工學院，天津 300072; 2.華電重工股份有限公司博士后科研工作站，北京 100070)

海洋樁平臺采用大直徑超長樁，由于樁、錘的重量很大，沉樁過程中經常發生溜樁現象。因此為了便于打樁控制，判斷溜樁的范圍是非常必要的。結合實際工程對溜樁的過程和發生機理進行了探討；利用PCPT原位測量資料，基于能量法建立了判斷溜樁范圍的分析計算方法。針對南海油田典型的平臺樁沉樁過程中的溜樁問題進行了分析計算，驗證了所提出的方法的合理性，可供樁設計以及沉樁施工參考。

沉樁；溜樁；靜力觸探；能量守恒；單樁承載力

Abstract:Super long and large diameter piles are commonly adopted for constructing ocean platform foundations.The pile-running phenomenon frequently takes place because of the great weight of both the pile and the hammer.The mechanism of pile-running is discussed associated with case analysis.A predicting procedure is established based on the energy conservation method of the running pile.The suggested method is used to predict a pile-running case in a practical project in the South China Sea,and the calculated results agree well with the observed data.

Keywords:pile penetration; pile-running; PCPT; energy conservation; bearing capacity

我國南海多個導管架平臺樁基打樁過程中均出現嚴重的溜樁現象，即在沉樁過程中，某段貫入深度內錘擊數為零或者說在沉樁過程中樁在自重或者樁錘組合自重作用下樁貫入度過大的現象，溜樁長度7～40 m不等。隨著海洋石油、天然氣開發逐漸向深海發展，深海基礎結構物中的打入樁呈現出大直徑、超長等特征。由于運輸和吊裝能力的提高，樁身不再采用傳統的分段制作和安裝，而是一次成樁，整根樁的重量達到7 000 kN以上。同時所用樁錘的重量也越來越大(如液壓錘IHC S-1200型，錘重1 600 kN以上)，過重的樁錘導致溜樁現象加劇，而溜樁長度過大(10 m以上)會給設計者帶來較大困惑，質疑鉆孔資料的準確性、擔心樁承載力設計值是否可以滿足工程要求，而且給施工帶來不便，大幅度的溜樁不利于施工控制，容易將打樁錘控制線路拉斷，引起停錘，此外還可能影響到接樁、換錘等正常施工程序。

但對于溜樁問題國內外的有關工作還不多見。郭生昌等[1]對于2009年在長江口地區設計建設的橫沙東灘促淤圈圍五期工程1#基地配套碼頭工程中出現的溜樁問題進行了較為詳盡地描述和分析，管樁為Φ800PHC B型管樁，樁長47 m，最大溜樁長度達26 m。溜樁的主要原因是持力層上部覆蓋有較厚的淤泥質軟黏土。Dover等[2]對舊金山到奧克蘭大橋工程進行現場沉樁試驗，分析產生溜樁的原因也主要是地基表層存在較厚的軟黏土層，并對溜樁的結果進行了反分析。

南海平臺采用的樁長度在100 m以上，涉及的土層軟硬交替，在設計階段，依據地質勘察報告中提供的土質參數計算的沉樁阻力遠大于樁錘自重之和，但在實際施工中發現有些較硬的土層中也會發生溜樁，鑒于溜樁現象會引發的一系列不利影響，因此有必要建立溜樁的判斷方法來解決這一問題。針對南海平臺樁沉樁過程中溜樁現象研究了溜樁產生機理，依據原位靜力觸探資料，基于能量法對實測溜樁區間進行反向推導，提出超長樁側摩阻分布模型，可供樁設計以及沉樁施工參考。

1 南海某平臺溜樁實例分析

如圖1所示為南海某導管架平臺其中一根鋼管樁貫入過程中溜樁現場實拍錄像中溜樁始末位置照片，溜樁區間從深度14 m直至36 m，溜樁時間約為13 s，在較短的時間里，樁身下沉22 m。然而溜樁現象的發生在此根鋼管樁貫入過程中反復出現，這對施工控制及樁身的穩定性與安全性的判斷無疑是極為不利的。

圖1 鋼樁溜樁過程現場實拍圖片Fig.1 Photos of steel pile running at site

該平臺的樁位圖如圖2所示。平臺的四個角(A1,A4,B1,B4)的間距為：A1到A4的距離為100 m，A1到B1的距離為87 m，每個角各有四根樁，樁的參數如表1所示。錘型為MHU 1200，錘重為1 636 kN。

圖2 平臺的樁位和鉆孔位置Fig.2 The pile position and the borehole location of the platform

表1 樁的設計參數Tab.1 The details of the pile

在平臺的每個角附近各有一個鉆孔來揭示附近的土層情況。鉆孔BH1、BH2、BH3和BH4分別對應A4、B1、A1和B4位置的樁的土壤剖面。每個角的鉆孔位置與樁的距離均為6.48 m。由于篇幅限制，這里只列出了BH1鉆孔計算要用到的土體參數(見表2)。

圖3給出了該平臺四角部的打樁記錄與土層剖面圖。同一角部的樁的沉樁曲線趨勢比較一致；但由于土體的離散性，差別也是比較明顯的，表明不同樁位的土層與鉆孔處的土層不盡相同。

圖3 各樁位的打樁曲線Fig.3 Pile driving records of four pile positions

從樁的貫入曲線可以看出，由于表層硬殼層比較均勻，所以樁在入泥后，自由下沉到12 m左右的第三層土(中密到密砂)中，重力與土阻力達到平衡，樁—錘系統處于自由站立狀態(stick-up)。經過20～50次的錘擊，樁身由硬殼層進入黏土層，溜樁開始發生。以A1處的樁為例：溜樁在密實粉細砂中停住，經300到600次錘擊后，進入黏土層，發生第二次溜樁；溜樁在埋深為60 m左右的砂質粉土中停住，經50次左右的錘擊，穿透該土層進入黏土層，再次發生溜樁；溜樁過程穿過黏土層，進入埋深為75 m的粉土層中停止。從打樁記錄來看，所有的樁沉入75 m以后，都不會再發生溜樁現象。

圖4為勘測該平臺場址處的地質情況，施工方完成了兩個170米的測孔。

圖4 PCPT鉆孔1測試結果Fig.4 The PCPT test results of NO.1 borehole

分別為BH1 & CPT1與BH2 & CPT2。PCPT測試所使用的儀器設備為WISON-APB鉆孔PCPT系統。其PCPT探頭錐角為60°、錐頭面積為10 cm2，摩擦套筒面積為150 cm2。每次PCPT測試的連續貫入行程為3 m，貫入速度為20 mm/s。

2 溜樁機理分析

工程實踐表明，溜樁一般發生當樁底端穿過較硬土層，進入下部較軟土層的過程中；或是樁穿越承載力較小的深厚軟土層時。樁在穿越較硬土層中時，由于錘擊作用下獲得較大的加速度，在進入軟土層中樁端阻力迅速減小，從而發生溜樁現象。而從該導管架平臺現場打樁記錄中可知，當樁貫入一定深度的軟土層時，即使不進行錘擊，樁也會發生溜樁現象。如圖5所示，樁在經自由站立穿過表層硬殼層[3-5]，此后經錘擊作用使樁繼續下沉。當樁進入軟土層后，雖然側摩阻面積增加，但界面處土的重塑程度提高，摩阻力實際上在不斷減小[6-7]。同時由于樁端阻力變化不大，而樁端阻力占總的土阻力的比重較大，因此總的土阻力減小。如果總的土阻力達到以下條件之一即有可能發生溜樁：1)小于樁自重；2)小于樁和錘的重量之和；3)小于樁和錘的重量與樁錘的慣性力之和。一旦溜樁發生，樁周土體受到連續的擾動，強度降低到重塑強度，側摩阻力急劇減小，端部承載力也有不同程度的降低，溜樁速度越來越快。因此，溜樁在軟土層中一般不會停止。如果軟土層下面是較硬的土層(一般需要密實的砂土層)，當樁刺入該土層后，樁端阻力迅速增加，溜樁速度逐漸減小，并有可能停止，需要繼續用錘擊才能進一步貫入。但如果下面還有軟土層，樁沉入該層后仍然有溜樁的可能。在南海某工程中，溜樁現象在每根樁的沉樁過程中都反復出現。

圖5 溜樁過程示意Fig.5 Schematic diagram of pile-running phenomenon area

3 能量守恒法計算模型

圖6 計算模型示意Fig.6 The sketch map of calculation model

本研究以LW3-1導管架平臺樁基施工工程為例，從能量傳遞的角度分析溜樁過程(即為外力做功所產生的沖擊機械能克服土體對樁的阻力，破壞其能量守恒的狀態，使得樁體下沉，直至達到新的平衡狀態，在不同的土層中反復作用，直到滿足設計的極限承載力或達到設計的貫入深度為止)，建立一個描述該能量傳遞過程的能量平衡方程。從討論樁身勢能與外力做功之間的關系出發，將能量法方程引入溜樁區間的數值計算，樁溜樁能量守恒的計算模型如圖6所示。

樁身初始狀態的重力勢能主要消耗在以下三個方面：一為是樁產生彈性變形能；二是樁作整體振動的能耗；三是樁作為剛體在土中的運動，包含克服土阻力(端阻力與側摩阻力)做功及相應產生的熱能。而溜樁是在很少或不錘擊的情況下靠自重貫入，所以第一、二部分的能耗很小，只需研究第三部分的能耗。

樁的下沉阻力由樁端阻力和樁側摩阻力組成。要估算溜樁長度，就必須對樁在溜樁時的土阻力分別進行分析計算。而樁在溜樁區間內運動時，是一個能量傳遞與轉換的過程，樁身在開始與結束時均為靜止狀態，這也是使用能量法分析溜樁過程的一個有利因素。假定樁-土界面荷載的傳遞符合理想線彈塑性模型，即樁側及樁端阻力達到極值后，在整個樁體貫入過程中保持恒定不變，則從起始位置到停止位置的溜樁距離為L0，其勢能計算公式：

式中：EG為樁錘勢能；G為樁錘自重；L0溜樁長度。

樁身在起止位置的動能為0，則全部勢能主要用來克服土阻力做功以及部分能量耗散(主要包含樁身的變形能和超孔隙水壓勢能)：

式中：Wr為樁側摩阻力與樁端阻力做功；Wd為樁身變形能；Eh為溜樁過程中超孔隙水壓力勢能。

其中克服土阻力做功Wr，可寫為

式中：fi(x)為溜樁區間以上某一深度土層的單位側摩阻力；fj(x)為溜樁區間內某一深度土層的單位側摩阻力；qj(x)為溜樁區間內某一深度土層的單位端阻力；Dp為樁身周長；Ae為樁端環形面積；Li為溜樁區間以上某一土層厚度；Lj為溜樁區間內某一土層厚度。

樁身的變形能Wd其表達式如下

式中：L為樁長；N(z)為樁身深度z處的軸力；Ep為樁的彈性模量；Ap為樁身截面積。

在溜樁機理的闡述中提出了溜樁現象一般發生在黏土等較軟土層，于是樁身受到的樁底端反力較小，則沿樁身深度的軸力也較小，溜樁過程中樁周土中產生的超靜孔隙水壓力勢能Eh與樁身貫入過程中的擠土效應、錘擊荷載等因素有關。溜樁過程不受錘擊荷載作用靠自身重力下沉，而擠土效應又與樁內土塞有著密切的關系。樁的直徑越大，樁管內土塞高度就越大，工程實踐表明，在軟土地區大直徑鋼管樁的土塞高度幾乎與貫入深度相等，甚至高于泥面。這說明大直徑鋼管樁幾乎不向樁周排土，擠土效應非常弱，在沉樁過程中土塞完全閉塞的可能性非常小。所以對于大直徑鋼管樁貫入過程中產生的超靜孔隙水力勢能否按照孔穴擴張理論計算，需要進行更深入地研究。有文獻通過有限元分析模擬得出結論，當錘擊作用時，在土中產生一個非常大的超孔壓，隨著錘擊力的消失，超孔壓值迅速減小，但不會完全消散。在樁貫入過程中產生的超靜孔隙水壓力勢能非常有限。由以上分析可知大直徑鋼管樁溜樁過程不同于PHC管樁等排土樁，由于其直徑大、壁薄、質量大等特點，較薄的樁壁穿越土層時樁身變形能與超孔隙水壓力勢能相對于土阻力做功非常小，在實際工程應用中可忽略[10-11]。則結合式(2)可得下式：

結合式(1)、(3)和(4)以及土阻力的計算結果就可以預估溜樁長度。其中Es=Wd+Eh，統稱為消耗能，由于在溜樁過程中，沒有錘擊作用，且軟土層中樁端受力較小，因此產生的孔壓耗散能與樁身的變形能都很小，結合多個工程實例經驗給出耗散能與樁錘勢能EG的比值為0.05～0.1左右，因此在計算過程中選取中間數值進行評估計算。

4 工程實例

4.1溜樁區間的判斷

南海該平臺的樁在沉樁過程中都發生了溜樁。基于能量守恒的方法對該工程進行了分析，并與實測結果進行了比較。

溜樁的發生與設計者在設計階段對沉樁阻力的預估方法不合理有關，這種誤判與大直徑超長樁的特性有關，因此，由于這種新型的樁基在貫入過程中產生了一些更為突出的特性，如自重大、慣性大、貫入速度大、對樁周土體剪切作用時間長、對樁周土擾動大等特點，這些特點中，自重大、慣性大是大直徑超長樁的特性，而對樁周土體剪切作用時間長、對樁周土擾動大等特點是需要將傳統樁基計算方法中考慮到的樁周土的影響程度進行更深層次的研究與采用更合理的計算方法。

用靜力觸探法來預估樁的承載力具有高效與快捷等優點，靜力觸探(CPT)與靜壓樁在幾何形狀和貫入方式上具有相似性，因此可以用靜力觸探的實測結果來預測單樁的承載力，所以，國內外學者提出很多經驗公式。由于各學者研究目的的不同，靜力觸探測試數據與承載力計算的經驗公式的形式和意義有較大不同。目前采用半經驗方法多是基于靜力觸探試驗成果和樁的載荷試驗成果相關分析基礎上的經驗公式，主要考慮沉樁方式、樁端阻力的影響范圍、樁側摩阻力的統計方式、樁型、加載方向以及樁周土層等對樁的承載力的影響，不同的經驗公式只考慮了上述影響因素中的一種或幾種，考慮的重點和適用的對象也不一樣，造成了一根樁的極限承載力按不同的經驗公式計算的樁的值卻不完全相同，甚至相差很大。此外，公式中的經驗系數大多無明確的物理含義，不容易確定，這也影響了該方法的應用范圍和估算值的可靠性。

溜樁的發生與設計者在設計階段對沉樁阻力的預估方法不合理有關，這種誤判與大直徑超長樁的特性有關，因此，由于這種新型的樁基在貫入過程中產生了一些更為突出的特性，如自重大、慣性大、貫入速度大、對樁周土體剪切作用時間長、對樁周土擾動大等特點，這些特點中，自重大、慣性大是大直徑超長樁的特性，而對樁周土體剪切作用時間長、對樁周土擾動大等特點是需要將傳統樁基計算方法中考慮到的樁周土的影響程度進行更深層次的研究與采用更合理的計算方法。這就需要正確的利用靜力觸探試驗結果，選用合理的經驗公式與研究方法。

4.2溜樁過程中端阻力的計算方法

迄今有很多方法用CPT結果估算單樁承載力，主要方法有兩種：Bustamante和Giasenelli方法與de Ruiter和Beringen方法。Bustamante和Giasenelli的方法即為LCPC[13]法，該法認為樁端的平均等效錐尖阻力(qca)，它是1.5倍樁徑深度范圍內的qc平均值。計算方法見圖(3)和圖(4)所示。單樁的側摩阻力(fp)可用下述公式計算：

式中：αLCPC為摩擦力系數；kc為樁端承載力系數。

4.3溜樁過程中側摩阻力的計算方法

雖然靜力觸探可以較為真實反映樁側摩阻力隨土層的變化，但卻無法體現某一土層在反復摩擦之后強度減弱的情況，而貫入過程中的側摩阻力與土的靈敏度有關，由于靜力觸探的摩擦筒長度有限，可認為其上的摩擦力是均勻分布的，這與樁的貫入受力有所不同。當用靜力觸探測得的摩阻力計算沉樁阻力時，還需對樁側阻力綜合修正。

CPT試驗的側摩阻力是擾動土不排水抗剪強度的函數，Shcmertmnan[14]提出靈敏度(St)可從摩擦比(Rf)估算得出：

式中：Ns為無量剛系數，Rad和Lunne[15]通過研究顯示Ns值的變化范圍為5到10，平均值為7.5。Lunne認為Ns值取決于礦物成分、OCR和其他因數，對所有的黏土不能給出唯一的Ns值。本文認為Ns值的取值范圍在7～9時更符合海洋土質的特點。

對于砂土中樁側摩阻力的計算，文中認為de Ruiter和Beringen[16]對砂土進行單獨計算的方法更適合溜樁的分析，選取f1=0.12 MPa，f2=CPT側壁摩阻力，f3=qc/300(壓)，f4=qc/400(拉)中的最小值作為樁側摩阻力fp。

表2為采用上述靜力觸探計算方法得到的沉樁過程中的樁端阻力與樁側摩阻力。

根據鉆孔資料和所建立的溜樁判斷方法，將靜力觸探計算值應代入式(1)、(3)和(4)后，對該平臺16根樁的溜樁區間進行了分析計算，可計算出溜樁區間，具體計算結果如表3所示，溜樁區間示意如圖7所示。圖4為PCPT測試值，本文在此基礎上提出一種將現有測試值與實際樁基承載力相匹配的計算方法，表2中qc為應用式(5)、(6)得到的測試值的轉換值，其中kc和α為公式中所用到的參數的取值，fp為應用本文提到的側摩阻力的確定方法得到的樁基側摩阻力。

表2 BH1鉆孔靜力觸探測試結果Tab.2 The PCPT results of BH1 borehole

表3 依據鉆孔1的溜樁區間計算結果Tab.3 Results of the pile-running area based on BH1 borehole

(續表)

圖7 溜樁區間的計算結果與實測比較Fig.7 Comparison of calculation results and in-situ results in pile-running area

對16根樁的計算結果與實測溜樁區間的對比如圖7，計算結果與實測溜樁區間具有一致性，在80 m深度時，基本不會發生溜樁現象，其中具有的一些細微差異可能是由于土質特性不同所造成的，基本上計算結果與實測值吻合程度較好。

5 結 語

目前海洋樁平臺經常采用大直徑超長樁，在沉樁過程中容易發生溜樁。為了便于打樁控制，判斷溜樁的深度是非常必要的。對溜樁的過程和發生機理進行了探討；在此基礎上，建立了基于能量守恒法判斷溜樁范圍的分析計算方法。針對南海某平臺樁沉樁過程中的溜樁問題進行了分析計算，驗證了所提出方法的合理性，可供樁設計以及沉樁施工參考。

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Research on the mechanism and calculation method for pile-running of long and large diameter piles based on energy conservation method

YAN Shuwang1,CHEN Hao1,JIA Zhaolin1,2,LIN Shu1,SUN Liqiang1

(1.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.Huadian Heavy Industries Co.,LTD.,Beijing 100070,China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.03.008

1005-9865(2016)03-0063-09

2015-08-12

國家自然科學基金資助項目(51322904; 51279127; 41372291)

閆澍旺(1950-)，男，天津人，教授，博導，從事巖土工程專業的研究和教學工作。E-mail:yanshuwang@tju.edu.cn

賈沼霖。E-mail:jzhaolin@126.com