海上固定式平臺(tái)水下鋼樁打樁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

馬晉雄 蘇偉 孫文明

摘 要：本文將結(jié)合南海海域東方13-2導(dǎo)管架固定式平臺(tái)水下鋼管樁施工及打樁過程中高應(yīng)變監(jiān)測(cè)，簡(jiǎn)要地介紹了水下鋼管樁高應(yīng)變監(jiān)測(cè)流程。打樁過程中高應(yīng)變監(jiān)測(cè)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樁身應(yīng)力、打樁錘的能量、貫入度、樁身完整性及樁身承載力，為海上打樁的順利進(jìn)行提供了數(shù)據(jù)支持。打樁結(jié)束后可以用CAPWAP軟件分析出短期內(nèi)準(zhǔn)確的樁身承載力，為后期附近平臺(tái)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：高應(yīng)變監(jiān)測(cè);水下鋼管樁;CAPWAP;承載力

中圖分類號(hào)：U674.38? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）09-0066-03

1 引言

從目前世界上的油氣地質(zhì)資源勘探情況來看，海洋里的石油儲(chǔ)量所占比重越來越大。對(duì)于近海石油開采，導(dǎo)管架固定式平臺(tái)是非常普遍的一種形式，在我國(guó)的渤海、東海以及南海眾多油田對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)的需求很大。中國(guó)與周邊國(guó)家在“擱置爭(zhēng)議、共同開發(fā)”的原則指引下，海洋石油大力發(fā)展南海油田區(qū)塊進(jìn)而海洋石油開發(fā)水深也不斷加大。

導(dǎo)管架固定式平臺(tái)的上部甲板、下部導(dǎo)管架主要是靠插入海底的鋼樁提供承載力和抗拔力。因此，海上打樁的完成情況很大因素上影響了上部組塊的安全。海上打樁施工難度大、地質(zhì)條件復(fù)雜、受天氣影響嚴(yán)重，打樁過程中容易出現(xiàn)的有拒錘、溜樁、承載力不滿足設(shè)計(jì)要求。為保證打樁的順利進(jìn)行，有必要進(jìn)行打樁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

高應(yīng)變監(jiān)測(cè)可以監(jiān)測(cè)打樁過程中樁身應(yīng)力、打樁錘的能量、貫入度、樁身完整性及樁身承載力。打樁結(jié)束后可以用CAPWAP軟件分析出準(zhǔn)確短期內(nèi)的樁身承載力。

本文結(jié)合東方13-2 導(dǎo)管架水下鋼管樁打樁施工過程，對(duì)高應(yīng)變打樁監(jiān)測(cè)流程進(jìn)行了闡述，可供類似項(xiàng)目參考。

2 東方13-2平臺(tái)項(xiàng)目介紹

2.1 樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

平臺(tái)樁基由12根垂直安裝的鋼管樁組成。鋼樁直徑為2.438m，壁厚沿樁身由5.0cm到10.0cm。鋼樁共有兩種類型：GRIPPER-PILE長(zhǎng)度為146.5m 和NO GRIPPER-PILE 長(zhǎng)度為145m，所有12根樁的最終入泥深度均為127m。

2.2 地質(zhì)土壤條件

通過對(duì)施工海域海底泥面以下141m土壤鉆芯取樣分析，得出海底土壤大致可分為14層，每一層土壤都有相應(yīng)的層厚、抗剪強(qiáng)度、單位表面摩擦力和單位樁端承載力。

2.3 施工過程

（1）根據(jù)導(dǎo)管架下放的水平度決定先插哪根樁，用掛好起樁器的吊機(jī)將這根鋼樁從運(yùn)輸船提起，在水下ROV的幫助下將鋼樁插入樁靴。

（2）將起樁器換成打樁錘，用打樁錘將水下鋼樁打到設(shè)計(jì)入泥深度。

3 高應(yīng)變打樁監(jiān)測(cè)過程

3.1 高應(yīng)變動(dòng)測(cè)設(shè)備

打樁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)儀PDA、水下加速度傳感器、水下應(yīng)力傳感器、數(shù)據(jù)傳輸線纜及數(shù)據(jù)分析軟件CAPWAP。如圖1所示。

3.2 檢測(cè)設(shè)備的安裝

（1）在鋼樁頂附近（此項(xiàng)目為距樁頂4.8m）安裝兩個(gè)加速度傳感器和兩個(gè)應(yīng)變傳感器，一個(gè)加速度傳感器和一個(gè)應(yīng)力傳感器為一組，兩組傳感器呈180°對(duì)稱安裝;傳感器用螺栓固定在鋼樁上以確保應(yīng)變和加速度一致。

（2）沿樁身長(zhǎng)度方向布置連接傳感器的數(shù)據(jù)線纜，數(shù)據(jù)線纜另一端和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)主機(jī)PDA相連接。

3.3 數(shù)據(jù)的采集

在現(xiàn)場(chǎng)施工拒錘風(fēng)險(xiǎn)低的情況下，現(xiàn)場(chǎng)一般采用監(jiān)測(cè)對(duì)角的兩根鋼樁來計(jì)算承載力。這個(gè)項(xiàng)目打樁過程中也是采用對(duì)12根鋼樁中對(duì)角的2根做了高應(yīng)變監(jiān)測(cè)：

（1）PDA開機(jī)并設(shè)置好相應(yīng)參數(shù)，輸入對(duì)應(yīng)的項(xiàng)目名稱、樁號(hào)、作業(yè)時(shí)間記錄、采集數(shù)據(jù)的保存路徑、打樁錘的能量、鋼樁總長(zhǎng)、傳感器安裝位置距樁頂?shù)木嚯x、設(shè)計(jì)入泥深度、樁身鋼材的屈服強(qiáng)度、傳感器安裝位置的鋼樁直徑和壁厚以及波速。

（2）設(shè)置完成后即可進(jìn)入監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集界面，待打樁錘開始錘擊樁頂時(shí)PDA將自動(dòng)記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，每一次錘擊都將得到一條力波曲線和一條速度波曲線。如圖2所示。

在采集頁(yè)面左側(cè)欄能實(shí)時(shí)顯示以下信息：

TSB-傳感器以下最大拉應(yīng)力計(jì)算值

CSX-傳感器位置最大壓應(yīng)力測(cè)量值

CSB-樁底最大壓應(yīng)力

EMX-傳遞到樁身的最大能量

ETR-能量傳輸比

BPM-每分鐘錘擊數(shù)

BTA-樁身完整性

FMX-傳感器位置最大打擊力

CTX-傳感器以下最大拉力值

CFB-樁底壓力計(jì)算值

VMX-傳感器處測(cè)得的最大速度值

DMX-樁頂最大位移

DFN-最終貫入度

可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要設(shè)置某些參數(shù)顯示在數(shù)據(jù)欄。

3.4 數(shù)據(jù)處理

更加準(zhǔn)確地分析。需要對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CAPWAP軟件分析。CAPWAP軟件根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集到的力和速度數(shù)據(jù)，計(jì)算土阻力及沿樁身的分布情況。最終的CAPWAP分析結(jié)果包括相對(duì)土阻力分布、土壤的震動(dòng)和阻尼特性及模擬的靜荷載-貫入度圖表。

CAPWAP分析的過程主要包括：數(shù)據(jù)的選取、建立樁模型、假設(shè)土阻力參數(shù)、CAPWAP分析、計(jì)算曲線與實(shí)測(cè)曲線的對(duì)比和數(shù)據(jù)的輸出。

（1）數(shù)據(jù)的選取。在PDA軟件中打開實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選取最后一兩米內(nèi)數(shù)據(jù)比例較好的。

（2）建立樁模型。選好曲線后進(jìn)入CAPWAP軟件，根據(jù)鋼樁的實(shí)際尺寸參數(shù)建立樁模型。

（3）參考地質(zhì)調(diào)查報(bào)告假定相應(yīng)的圖阻力參數(shù)。

（4）進(jìn)行CAPWAP分析。運(yùn)用樁頂測(cè)量的下行波計(jì)算得到相應(yīng)的上行波，并把計(jì)算得到的上行波與實(shí)測(cè)的上行波比較。若對(duì)擬合結(jié)果不合格，則調(diào)整圖阻力分布、樁端弾限和阻尼，直到合格為止。

（5）輸出結(jié)果。輸出土模型、靜載試驗(yàn)曲線、樁的總承載力、側(cè)摩阻力及樁端阻力等，如圖3所示。

4 高應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果分析評(píng)估

高應(yīng)變打樁監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)了樁身應(yīng)力、樁錘打樁系統(tǒng)效能及對(duì)樁身承載力的評(píng)估，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供了技術(shù)支持，保障了施工的順利進(jìn)行。下面以A1-2樁為例簡(jiǎn)單列舉下分析內(nèi)容。

（1）樁錘打樁系統(tǒng)效能評(píng)估。A1-2用Menck MHU 800S液壓錘進(jìn)行打樁作業(yè)，打樁結(jié)束的最后1m樁頭附近傳感器檢測(cè)到的打樁能量為474.4KJ。根據(jù)液壓錘最大輸出能量為800KJ推算出，打擊能量為最大能量的57.9%。

（2）樁身應(yīng)力評(píng)估。A1-2傳感器以下最大樁身壓應(yīng)力通過CAPWAP軟件分析得到為170.5Mp，均小于API規(guī)范許用壓應(yīng)力值320MPa，即樁身鋼材屈服強(qiáng)度的90%，因此樁身未發(fā)生變形破壞。

（3）樁承載力評(píng)估。在打樁結(jié)束后通過數(shù)據(jù)對(duì)A1-2樁進(jìn)行CAPWAP軟件分析，分析結(jié)果為樁側(cè)阻力為11.0MN，樁端阻力為5.4MN，總阻力為16.4MN。

用動(dòng)態(tài)方法算出的樁承載力是對(duì)打樁過程中樁軸向動(dòng)壓力的一種估算，樁身的承載能力會(huì)隨著時(shí)間增長(zhǎng)而發(fā)生變化;在細(xì)顆粒土壤中，打樁結(jié)束后土壤會(huì)慢慢恢復(fù)，這種情況下打樁結(jié)束時(shí)，CAPWAP軟件計(jì)算出的承載力較樁長(zhǎng)期承載力結(jié)果偏小。如果現(xiàn)場(chǎng)具備條件可以經(jīng)過48小時(shí)左右進(jìn)行復(fù)打，通過復(fù)打數(shù)據(jù)在重新計(jì)算承載力，這樣得到的承載力將更準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

在海上導(dǎo)管架固定式平臺(tái)打樁過程中進(jìn)行高應(yīng)變打樁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，從而得到樁錘打樁系統(tǒng)的效能、打樁過程中的樁身應(yīng)力、土阻力及樁身承載能力等數(shù)據(jù)，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供依據(jù)。

在打樁完成后綜合考慮地質(zhì)調(diào)查報(bào)告采用CAPWAP軟件對(duì)打樁監(jiān)測(cè)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行CAPWAP分析，可以得到更為準(zhǔn)確的鋼樁承載力以及土阻力分布情況。

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