海洋平台打桩桩基承载力恢复研究.pdf

海洋平台打桩桩基承载力恢复研究 黄怀州1，刘洪涛1，袁玉杰1，谢圣杰2，李 飒2（1.海洋石油工程股份有限公司设计院，天津 300459；2.天津大学建工学院，天津300072）摘要：桩基在海洋工程中的应用越来越广泛。打入桩在打桩结束后承载力随时间的增加而增加，合理确定不同时间的桩基的承载力，可以优化桩基设计，合理安排打桩，节约工期并进一步节省工程造价。本文根据某场地实际打桩记录采用波动方程进行了反分析，对停锤后承载力恢复进行了评估。同时采用现有方法对承载力恢复进行了计算，并将计算结果与反分析结果相比较。分析结果显示，对于粉质黏土占比较大的场地，采用现有承载力恢复的计算公式得到的承载力数值偏小，提出了基于设计承载力进行承载力恢复评估的方法，该方法计算结果与现场打桩记录反分析计算结果吻合良好。关键词：打桩；波动方程；反分析；承载力恢复 中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：1004-9592（2023）04-0036-05 DOI:10.16403/ki.ggjs20230408 Study on Pile Foundation Bearing Recovery of Offshore Unit Huang Huaizhou1,Liu Hongtao1,Yuan Yujie1,Xie Shengjie2,Li Sa2（1.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300459,China；2.Civil Engineering Department,Tianjin University,Tianjin 300072,China）Abstract:Pile foundation is widely used in ocean engineering.Since the bearing capacity of driven piles increases with time,to determine the bearing capacities of piles at different time can optimize the design of pile foundation,reasonably work out piling layout,shorten construction period and further lower project cost.Actual piling records are back-analyzed by using wave equation,complete with the evaluation of bearing recovery after piling.At the same time,the existing methods are used to calculate the bearing recovery.The comparative analysis results show that the existing methods lead to relatively small bearing value based on the site with a large proportion of silty clay.A bearing recovery evaluation method is proposed based on the design bearing capacity,and the calculation results are in good agreement with the back analysis results.Key words:piling;wave equation;back analysis;bearing recovery 引引 言言 桩基在海洋工程中的应用越来越广泛，海上桩基多采用液压冲击锤进行安装1-2。在沉桩过程中，桩侧土体受到挤压、重塑，产生不同程度的扰动，同时还会产生较高的超孔隙水压力，导致打桩结束时的承载力低于设计承载力3。在打桩结束后承载力随时间的增加而增加，达到稳定值可能需要几十天甚至数年，此现象称为桩基承载力恢复（setup）。在工程实践中，合理确定不同时间的桩基的承载力，可以优化桩基设计，合理安排打桩，节约工期并进一步节省工程造价。收稿日期：2015-01-04 基金项目：国家自然科学基金（51890911）作者简介：黄怀州（1982-），男，硕士，高级工程师，主要从事海洋工程结构物和桩基的设计计算工作。361Port,Waterway and Offshore Engineering 目前，对于海上桩基承载力的恢复的评估常常采用高应变动测方法4。但受到工期以及条件的限制，高应变评估海上桩基承载力的恢复的数量极为有限。尽管很多学者采用了各种方法对打入桩的承载力恢复进行了研究，但目前计算桩基承载力恢复的方法都属于半理论半经验的方法5-7。现有的研究成果显示，不同土质条件，不同桩型及不同沉桩方式的桩基承载力恢复差异较大。针对黏土场地，Skov 和 Denver 等通过引入了描述桩阻力随时间变化规律的参数 A，根据打桩结束后 t0 天的承载力来确定 t天时的承载力的计算公式8。Svinkin 和 Skov 提出了基于打桩结束时的承载力计算承载力恢复的方法9。对于砂土场地，Svinkin10根据饱和砂土中的桩基荷载试验的测试结果，基于打桩结束时的承载力，得到打桩结束后不同时间的承载力，该公式适用于恢复期为 1 d25 d 的承载力计算。Long 等11基于多种类型土中的实测数据，建立了计算承载力恢复的计算方法。李婷婷等收集了不同土质条件，不同桩型及不同沉桩方式的桩基承载力恢复数据，提出了针对不同土质条件的桩基承载力恢复的计算公式12。由于桩承载力恢复受土质条件、桩型、尺寸等因素影响很大，而现有公式的均为半理论半经验公式，因此有必要结合工程实际情况对各类公式的适用性进行研究，对桩基承载力恢复的计算方法进行完善。本文根据某场地实际打桩记录，利用具有现场停锤情况的实际工程，采用打桩记录进行反分析，并将计算结果与实际工程相比较，提出了基于设计承载力进行承载力恢复的评估方法，这种方法可以在设计阶段利用设计承载力进行承载力恢复的初步评估，并根据计算结果对现场施工进行合理安排。考虑到复杂海洋环境中施工窗口期时间有限，上述方法对保障施工的顺利进行具有重要的意义。1 工程概况工程概况 某 海 上 平 台 共 计 8 根 桩，单 桩 长 度 是 134.25 m，单桩重量约 662 t，最终入泥 110 m。通过现场地质勘查，对土样进行试验，得到现场土质分布以及主要物理力学指标。本场地在桩基贯入范围内，粉质黏土共计约 45 m，占总贯入深度的约 41%，粉土和细砂共计 65 m，占比 59%。现场采用 MHU 1200S 锤进行施工，8 根桩的打桩记录比较接近，为探讨桩基承载力恢复，选择其中一根在 41 m 处停锤 4 天的桩基以及一根连续打桩的桩基进行对比分析，打桩记录见图 1。其中图 1（a）为每贯入 1.0 m的锤击数，从打桩记录可以看到，对于在 41 m 处有 4 天的停锤的桩基，由于停锤导致停锤前后的锤击数有明显的改变。而没有停锤的桩基的锤击数变化则较小；图 1（b）为打桩过程中每锤的单击能量。图 1（c）为打桩过程中每贯入 1.0 m的锤击能量。图中显示，在 41 m 的停锤的桩基和 41 m 没有停锤的桩基的锤击能量也显示出较明显的变化。（a）每贯入 1.0m锤击数随深度的变化 （b）单击能量随深度的变化 37 （c）每贯入 1.0m锤击能量随深度的变化 图图 1 现场打桩记录现场打桩记录 2 打桩过程中土阻力与锤击数之间的关系打桩过程中土阻力与锤击数之间的关系 根据现场的打桩记录，利用波动方程计算打桩过程中的土阻力13-14。假设桩为一维弹性杆，桩的一维波动方程如式（1）:222221uuRxct （1）式中：x 为桩截面的位置；u 为截面 x 处的位移；t 为时间；c 为应力波在桩内的传播速度，c=(E/)1/2，E 为桩的弹性模量，为钢的密度；R为反映土阻力的参数项。Smith 提出采用有限差分法对上式进行求解。在求解过程中，打桩过程中土体阻力沿桩身和桩端分布且为静态阻力 Rs与动态阻力 Rd二者之和，可表示为：R=Rs+Rd （2）对于静态阻力 Rs，无论对桩周土体还是桩端土体的计算均采用理想弹塑性模型。即土体的变形首先发生弹性变形，当变形超过最大弹性位移值（q）时，土体将产生塑性流动，即土体在保持阻力不变的条件下进一步发生位移，此时的土阻力称为极限静态阻力，用 Ru表示。土体静态阻力值可用式计算：Rs=dRu/q dq Rs=Ru dq （3）对于动态阻力 Rd，根据牛顿粘滞定律，动态阻力与质点运动速度成正比，同时假设其与静态阻力也成正比，即：Rd=JvRs （4）式中：J 是土体的阻尼系数，v 代表质点的运动速度。根据上述模型，求解波动方程可以得到土阻力和锤击数之间的关系，并进一步获得打桩能量和土阻力之间的关系15，见图 2。计算结果显示，土阻力和锤击能量之间的关系不受是否停锤的影响。图图 2 打桩能量和锤击数的关系打桩能量和锤击数的关系 3 打桩结束时的承载力及承载力恢复打桩结束时的承载力及承载力恢复 利用图 2 建立的打桩能量和土阻力之间的关系以及打桩记录，见图 1，可以获得 41 m 处停锤前承载力约 7 MN，4天后的承载力达到 24 MN。分别采用 5 种方法计算承载力恢复，其中采用两种针对黏土为主场地的计算公式，即:3.1 Svinkin 和和 Skov 法法9/lg()11tEODQQBt （5）其中，B=1.6-3.5；3.2 李婷婷方法（黏土）李婷婷方法（黏土）12 0.112.05tEODQQt （6）3 种针对砂土为主的场地，即：3.3 Svinkin 方法方法10 对于以砂土为主的地基，Svinkin 等建议了如下的计算公式：0.11.4tEODQQt 上限 （7）0.11.025tEODQQt 下限 （8）3.4 Long 方法方法11 38 对于层状土（砂土为主），Long 建议了如下的计算公式：1.1tEODQQt （9）：平均值 0.13，下限值 0.05，上限值 0.18；3.5 李婷婷方法（砂土）李婷婷方法（砂土）12 对于以砂性土为主的桩基：0.071.45tEODQQt （10）通过上述各个计算公式可见，现有的计算方法都是基于打桩结束时的总土阻力进行承载力的恢复计算。需要说明的是，在本次计算中，均取各类方法的上限值与现场测试结果进行比较。5 种方计算得到的结果与实测结果进行比较，见图 3。图图 3 桩基承载力恢复桩基承载力恢复 从图中可以看到，由于在 41 m 入泥深度范围内，粉质黏土的厚度达到 23.5 m，约占总贯入深度的 57%，利用砂土中桩基承载力恢复公式计算得到的结果远远小于现场的实测值，与现场实测值最为接近的 Svinkin 和 Skov 法，B=1.6 的情况。本场地 2.1-25.5 m范围内均为粉质黏土，此时黏土对承载力恢复产生的影响需要予以充分的考虑。4 基于设计承载力的承载力恢复评估基于设计承载力的承载力恢复评估 由于现有的研究成果都是基于打桩结束时的承载力进行桩基承载力评估的，也就是说现有的方法均需要在打桩结束后，通过各种方法获得打桩结束时的承载力才能进行；且这些方法在评估承载力恢复时并不对土层分布进行评估。由于这些方法均属于半理论半经验方法，由于其应用条件不明确，计算精度无法得到保障。由于桩基承载力恢复主要评估桩基在某一时刻承载力与设计承载力的关系，因此可以将设计承载力作为基准而非打桩结束时的承载力作为基准进行承载力恢复的评估。同时在进行承载力恢复评估时，应区别砂土和黏土层。本文提出了采用设计承载力计算承载力恢复的方法，即：QHHUQHHQcoarseclayt)/()/(11)式中，Hclay是某场地黏土（粉质黏土）的总厚度，H 为贯入的总深度，Q 为桩基的设计承载力，U 为黏土层的恢复系数，Hcoarse是粗粒土（粉土、砂土）的总厚度。以本文的工程为例，为了评估黏土对承载力恢复的影响，取深度 13.4 m 的土体进行压缩试验，将利用其结果评价该土层固结系数。压缩试验得到的固结系数随上覆有效应力的变化见图 4，可见该土层的平均固结系数约 6.510-3 cm2/s。若假定土层的水平向固结系数与竖直向固结系数相等，根据 Andersen 的研究成果，其 4 天的固结度近似为 0.616。图图 4 2.1-25.5m 粉质黏土层固结系数粉质黏土层固结系数 本案例 41 m处的设计承载力为 37 MN，恢复系数 U=0.6，将上述结果代入公式（11）计算得到停锤 4 天后的桩基承载力为 27 MN，与实测值非常接近。5 结结 语语 本文通过对某实际工程的现场实测记录，基于波动方程计算了停锤前后的承载力，并利用现有方法对停锤后的承载力进行了计算，将计算结果与反分析结果进行了对比分析，计算结果显示：1）打桩过程中的停锤会导致后续打桩能量的增加，在打桩过程中应尽量避免停锤，防止由于39 停锤导致的后续打桩困难；2）对于粉质黏土占比较大的场地，粉质黏土的承载力应被充分评估。采用砂土中承载力恢复的计算公式得到的承载力数值偏小；3）提出了采用设计承载力进行承载力恢复评估的方法，该方法对砂土和黏土层进行了划分，相比于利用打桩结束时的承载力评估承载力恢复的方法，利用设计承载力进行评估，方法更为简单。与本文的反分析结果相比，该方法的计算结果具有一定的精度。参考文献参考文献:1 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