鋼樁自由入泥深度估算探討

秦一楠

摘 要：本文采用規(guī)范法和軟件數(shù)值模擬的方法估算鋼樁自由入泥深度，再與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，通過對(duì)比分析總結(jié)各估算方法計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了使分析具有廣泛性，本文采用不同海域、不同場(chǎng)地地質(zhì)條件下6個(gè)平臺(tái)鋼樁進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：自由入泥深度;GRLWEAP

中圖分類號(hào)：P75 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2020）07-0137-02

一般海洋固定結(jié)構(gòu)物是需要采用鋼樁固定于指定地點(diǎn)。如導(dǎo)管架，管匯（PLEM）及深水區(qū)的順應(yīng)塔都是采用鋼樁將結(jié)構(gòu)物荷載傳遞給土壤，通過鋼樁基礎(chǔ)保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。由于承載力要求、施工環(huán)境條件的限制，海洋工程所用的鋼樁比較大，直徑2～3米，長(zhǎng)度100多米，一根樁重量400～600噸。同時(shí)結(jié)構(gòu)物固定需要幾根甚至十幾根鋼樁，必將推高工程的用鋼量。此外，結(jié)構(gòu)物的海上安裝，打樁往往占據(jù)大部分的安裝時(shí)間，節(jié)省打樁時(shí)間可以降低工程費(fèi)用（工程船的費(fèi)用一天需要上百萬）。綜上所述，在樁長(zhǎng)、直徑滿足上部結(jié)構(gòu)物承載力的要求后，合理地設(shè)計(jì)樁的壁厚對(duì)于工程的安全和經(jīng)濟(jì)合理是非常必要的。

鋼樁安裝分析，需考慮鋼樁受到風(fēng)浪流、錘的沖擊力等作用。最危險(xiǎn)的工況一般是在剛剛插樁時(shí)，此時(shí)鋼樁相當(dāng)于一根懸臂桿件，底部固定、頂部自由，計(jì)算中考慮歐拉失穩(wěn)，鋼樁懸臂段越長(zhǎng)對(duì)于鋼樁強(qiáng)度越不利。懸臂段的長(zhǎng)度由自由入泥深度決定，精確的估算自由入泥深度對(duì)于鋼樁安裝分析的準(zhǔn)確性、合理性是十分重要的 。但由于海上環(huán)境比陸地復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地勘查技術(shù)要求高，這些不利于準(zhǔn)確估算鋼樁自由入泥深度。本文將根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范和工程常用軟件，對(duì)鋼樁自由入泥深度估算進(jìn)行探討。

1 API規(guī)范鋼樁阻力計(jì)算的規(guī)定

規(guī)范中對(duì)鋼樁的阻力分為側(cè)摩阻和端阻。根據(jù)土壤性質(zhì)分別按粘性土和非粘性土計(jì)算側(cè)摩阻和端阻。

1.1粘性土

海洋工程中用的鋼樁都是大直徑薄厚鋼樁，鋼樁插樁過程中端阻遠(yuǎn)小于側(cè)摩阻，在計(jì)算自由入泥深度時(shí)可忽略端阻，但計(jì)算側(cè)阻時(shí)需要同時(shí)考慮樁內(nèi)外側(cè)阻力。當(dāng)鋼樁入泥后下沉某一深度穩(wěn)定后，土壤對(duì)樁的阻力等于鋼樁自重，這就可計(jì)算樁自由入泥深度。

2 GRLWEAP（打樁軟件）鋼樁可打入性分析原理介紹

GRLWEAP是采用波動(dòng)方程進(jìn)行打樁分析的軟件。軟件采用動(dòng)態(tài)分析的方法，模擬樁在打樁錘作用下的運(yùn)動(dòng)和受力情況，分析過程中考慮土壤受到擾動(dòng)而降低打樁阻力的影響，其輸出結(jié)果包括各個(gè)貫入深度所對(duì)應(yīng)的樁單位入泥長(zhǎng)度所需錘擊數(shù)，以及各個(gè)貫入深度時(shí)樁受到的土壤阻力、樁身受到的拉壓應(yīng)力。根據(jù)這些結(jié)果數(shù)據(jù)，在考慮土壤受擾動(dòng)情況下可以預(yù)估鋼樁的自由入泥深度。情況一，鋼樁在某一貫入深度處開始，單位入泥長(zhǎng)度所需錘擊數(shù)由零變?yōu)榉橇悖@一貫入深度之前的貫入度可以作為自由入泥深度。情況二，在某一貫入深度處，鋼樁所受到的貫入阻力等于樁自重，此時(shí)的貫入深度就是自由入泥深度。GRLWEAP軟件打樁分析流程如下圖：

3 估算自由入泥深度與實(shí)測(cè)自由入泥深度對(duì)比分析

根據(jù)上述估算原理，本文將采用規(guī)范法和軟件數(shù)值模擬估算鋼樁自由入泥深度，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的施工數(shù)據(jù)，進(jìn)行比較分析。為使此次分析具有廣泛的代表性，選取不同海域的多個(gè)平臺(tái)進(jìn)行。平臺(tái)表層土壤信息和鋼樁總體情況如下表：

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，規(guī)范法和軟件數(shù)值模擬估算鋼樁自由入泥深度列于下表：

注：自由入泥深度軟件數(shù)值模擬計(jì)算中，土壤對(duì)樁側(cè)摩阻SCR進(jìn)行折減。“*”根據(jù)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告中提供折減系數(shù)對(duì)SCR進(jìn)行折減，其余數(shù)值模擬根據(jù)規(guī)范采用50%的折減系數(shù)對(duì)SCR進(jìn)行折減。

以上計(jì)算結(jié)果對(duì)比總結(jié)如下：

（1）規(guī)范計(jì)算值遠(yuǎn)小于實(shí)測(cè)值，估算偏于保守;

（2）相比較數(shù)值模擬估算值更接近于實(shí)測(cè)值;

（3）數(shù)值模擬采用地質(zhì)調(diào)查報(bào)告中提供折減系數(shù)估算結(jié)果，相比采用規(guī)范規(guī)定的折減系數(shù)估算結(jié)果更接近于真實(shí)值;

（4）表層土壤以粘性土為主的場(chǎng)地鋼樁自由入泥深度，相比于粘性土與砂土相互疊層的場(chǎng)地要大。

4結(jié)語

鋼樁自由入泥深度的準(zhǔn)確估算，對(duì)鋼樁打樁施工安全性、工程的經(jīng)濟(jì)性有重要的影響。合理地估算鋼樁自由入泥深度一直是鋼樁設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。本文結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)鋼樁自由入泥深度估算進(jìn)行了有限的探討，在工程實(shí)際中要想準(zhǔn)確估算還需結(jié)合具體情況進(jìn)行分析。

參考文獻(xiàn)：

[1] API RP 2A WSD 2007 Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms—Working Stress Design.

[2] API RP2 GEO 2011 Geotechnical and Foundation Design Considerations.

[3] GRLWEAP軟件說明幫文件.