蒲玉成，李颯，張培獻

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.天津大學(xué)建工學(xué)院巖土所，天津 300072；3.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222）

0 引言

早在20世紀70年代，樁基高應(yīng)變測試方法就開始應(yīng)用于我國海洋工程。唐念慈1978年對渤海12號工程的樁基進行了動測試驗，評價了樁基的承載力[1]。2005年在渤海某場地海洋平臺的建設(shè)中樁基拒錘后，動測法被用來進行了樁基承載力的評價[2]。由于其優(yōu)越性，被廣泛應(yīng)用于跨海大橋、海上風(fēng)電、港口工程等海洋建筑物的樁基檢測。

現(xiàn)有的研究顯示，絕大多數(shù)海洋工程進行的高應(yīng)變動測試驗為水面以上，水下的動測試驗數(shù)量很少。截止目前為止，公開發(fā)表的水下動測試驗為1996年Neil的相關(guān)描述[3]。

為盡快了解東海土質(zhì)條件及其對打樁過程的影響，在東海某導(dǎo)管架平臺樁基施工中采用了高應(yīng)變動測方法對打樁過程進行了實時監(jiān)測，這是我國首次采用高應(yīng)變動測方法對水下打樁過程進行監(jiān)測。

1 工程背景

導(dǎo)管架平臺位于東海某地區(qū)，平均水深84.1 m，樁基采用大直徑鋼管樁。根據(jù)樁形分布、位置和受力作用，分為主樁和副樁，主樁位于4個角部的中心位置，共4根，主樁兩側(cè)為副樁。樁徑φ2 438 mm，主樁樁長118.5 m，副樁117.6 m，設(shè)計入泥樁長96.0 m。每根樁重達434.9 t，樁基布置形式見圖1。

圖1 樁基布置形式Fig.1 Layout form of Pile foundation

用于安裝導(dǎo)管架和打樁作業(yè)的作業(yè)船上配有MENCK MHU800S和1200S液壓錘，液壓錘是雙動力，錘重分別為45.4 t和66.2 t，沖程分別為1.84 m和1.85 m，最大額定能量為800 kJ和1 200 kJ。MENCK打樁系統(tǒng)不用配備錘墊。由于打樁過程為水下作業(yè)，打樁船配備2個水下機器人（ROV），其中一個用來觀察海底附近樁的貫入度，另一個用來觀察打樁錘和樁頂情況。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，作業(yè)場地地層主要以中密至密實粉細砂、粉土、硬至堅硬粉質(zhì)黏土為主。勘察揭露深度為140.9 m，層序共分為17層，各土層沿深度分布見表1。

表1 土層分布情況Table 1 Soil layer distribution

2 高應(yīng)變動測試驗的實施

2.1 試驗儀器

現(xiàn)場高應(yīng)變動測試驗使用的設(shè)備主要包括主機（PDA打樁分析儀）、傳感器、主電纜。主機用來采集、存儲和基本的實時分析，如CAPWAP和iCAP可以快速給出SRD、樁身應(yīng)力、錘擊效率等結(jié)果，本項目使用美國PDA公司的PAK主機。

2.2 試驗步驟

2.2.1 傳感器的安裝

傳感器安裝位置距樁頂2倍樁徑左右。由于樁基通過套筒導(dǎo)入泥中，為了避免傳感器過早進入套筒而被損壞，傳感器的安裝位置應(yīng)盡量靠近樁頂。

在樁體插樁就位之前將傳感器安裝于樁體，但此時傳感器并不與主電纜連接，待插樁就位后，打樁開始前再進行電纜連接。由于本次試驗為水下打樁監(jiān)測，需要在傳感器安裝位置的側(cè)面90°處焊接1個厚40 mm、長寬均為250 mm的耳板，用于固定主電纜和調(diào)節(jié)其長度。

為使ROV在水下清晰監(jiān)視傳感器，需要在傳感器位置涂上1圈色澤鮮艷的油漆。

2.2.2 電纜的連接和處理

插樁就位后，打樁之前，使用工作籃接近樁身并進行主電纜與傳感器的連接（圖2），主電纜的另一端連接到PDA打樁分析儀上。

圖2 主電纜與傳感器的連接Fig.2 The main cable connected to the transducers

進行水下測試需要注意保持合適的電纜長度，電纜應(yīng)盡量放松。由于電纜的水下部分不可見，所以電纜長度應(yīng)預(yù)先進行標記，并根據(jù)樁體入泥情況，通過標記隨時釋放電纜長度。此外還需要注意，防水電纜為了抵抗拉力，內(nèi)部嵌有鋼絲，自身重量很大，150 m長的電纜，帶卷軸重量達到100 kg，需要專人負責(zé)。檢測之前，電纜應(yīng)完全鋪開，最好采用絞盤進行電纜釋放和回滾。

2.2.3 打樁過程監(jiān)測

PDA打樁分析儀放置在打樁錘控制室，這里配備有ROV顯示屏，能夠清楚地觀察記錄樁的貫入度情況。

打樁開始前ROV下水觀察確保電纜和錘的管線與導(dǎo)管架沒有纏繞，測試工程師檢查PDA上的信號，確保傳感器正常工作。監(jiān)測現(xiàn)場至少需要2位檢測工程師，一位監(jiān)測PDA打樁分析儀和樁的貫入度，另一位專門控制電纜長度。

樁的貫入信息應(yīng)及時傳遞給控制電纜的工程師，以確保打樁過程中釋放足夠長的電纜，尤其在打樁開始階段，需要在水中釋放額外長度的電纜。

在試驗過程中注意數(shù)據(jù)的保存。打樁完成起吊樁錘時，確保樁錘控制管線與主電纜保持分離。如需要復(fù)打，復(fù)打之前需將主電纜安全固定在導(dǎo)管架平臺上。

打樁結(jié)束時傳感器位于水底，一般難以回收，僅回收主電纜。

3 高應(yīng)變動測結(jié)果與分析

2根試驗樁為A1-3和B1-3（見圖1）。2根樁初始入泥21 m左右，采用MHU1200S錘進行打樁作業(yè)，打樁的錘擊能量介于300~500 kJ。在打樁開始后不久，2根樁均出現(xiàn)不同程度的溜樁，總體打樁情況見表2。

PDA打樁分析儀測量的動態(tài)數(shù)據(jù)用來評估打樁錘和打樁系統(tǒng)的性能、樁頭壓縮應(yīng)力和樁身結(jié)構(gòu)的完整性，采用CAPWAP得到相應(yīng)的結(jié)果見表3、表 4。

表2 打樁過程Table 2 Piling Procedure

表3 A1-3錘效、樁身應(yīng)力以及完整性Table 3 Energy transfer efficacy,pile stress and integrity of A1-3

表4 B1-3錘效、樁身應(yīng)力以及完整性Table4 Energy transfer efficacy,pilestressand integrity of B1-3

從表中可以看到，打樁過程中，錘輸出能量可以有效作用在樁體上，樁身最大拉、壓應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，樁身結(jié)構(gòu)完整。

4 打樁結(jié)束時的樁基承載力

根據(jù)PDA的動態(tài)數(shù)據(jù)，計算了樁體在不同深度處的承載力，結(jié)果見表5、表6。

表5 A1-3樁不同深度處樁的承載力Table5 Pilecapacity along thedifferent depth of A1-3

表6 B1-3樁不同深度處樁的承載力Table 6 Pile capacity along the different depth of B1-3

從表中可以看到，由于溜樁的產(chǎn)生，溜樁后樁的承載力受到明顯影響，溜樁段（A1-3樁38 m，B1-3樁20 m）地基土提供的承載力很小。

5 水下動測試驗的特點

高應(yīng)變動測法成功應(yīng)用于海洋工程水下打樁，這在國內(nèi)尚屬首次。與水上試驗相比，水下動測試驗的主要特點有：

1）傳感器所在位置不同，水下動測試驗傳感器需要入水，而水上動測試驗傳感器始終位于水面以上。

2）由于傳感器入水，對相應(yīng)設(shè)備的要求也就不同。水下測試使用的傳感器和電纜必須全部為防水型，并需要在試驗前增加保護措施。

3）測試成本有很大差別，水上試驗傳感器和電纜都可以回收重復(fù)使用，而水下試驗傳感器為一次性使用，電纜雖可以回收，但由于回收方法還存在缺陷，造成其回收后能否再次使用需要進行測試評估，從而造成試驗成本大幅度提高。

4） 由于測試全部在水下，試驗過程中需要ROV協(xié)助進行，而水上測試則不存在這一問題。

5） 由于海洋環(huán)境惡劣和地質(zhì)條件復(fù)雜，使水下動測試驗的風(fēng)險加大，對傳感器安裝、傳感器與電纜連接和測試過程中電纜的處理提出了更高的要求。

鑒于水下動測試驗的特殊性，試驗過程中應(yīng)充分注意：

1） 良好的溝通非常重要，測試中所有人員的積極配合是保證試驗順利進行的基礎(chǔ)。

2） 傳感器、樁和主電纜之間的連接應(yīng)精心設(shè)計，以減少連接時間，并且有助于電纜回收，節(jié)約成本。

3）應(yīng)指派專人照看電纜，避免發(fā)生纏繞。

6 結(jié)語

水下樁基動測試驗過程復(fù)雜，成本較高，掌握水下樁基動測技術(shù)有助于提高我國海洋工程現(xiàn)場測試水平。

試驗過程中在傳感器安裝、電纜連接以及數(shù)據(jù)采集等環(huán)節(jié)都具有自身特點，每一個環(huán)節(jié)都不能有失誤，否則將造成整個試驗的失敗。試驗過程中各方面需要及時溝通和協(xié)調(diào)，這是保證試驗成功的重要前提。

現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)顯示，本次打樁過程中樁身最大拉、壓應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，樁身完整性較好。

[1] 唐念慈.渤海近海平臺的打樁分析[J].南京工學(xué)院學(xué)報，1980（1）：48-55.TANG Nian-ci.Pile driving analysis of Bohai offshore platform[J].Journal of Nanjing Instituteof Technology，1980（1）：48-55.

[2] 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(xué)，2010，27（8）：241-245.LISa，HANZhi-qiang，YANGQing-xia，et al.Theformation mechanism of super large diameter and deep penetration pile in offshore platform[J].Engineering Mechanics，2010，27（8）：241-245.

[3]HARNAR Neil，LIKINSGarland.Underwater dynamic testing experience[C]//Proceedings of the fifth international conference on the application of stress-wavetheorytopiles.Orlando，1996：12-17.