于亮 李啟寶 孫文明 秦立成 葉皓軒

海洋石油工程股份有限公司 天津 300461

1 起樁技術(shù)分析

根據(jù)起樁吊點(diǎn)位置的選擇，起樁方式分為兩點(diǎn)自由起吊和一點(diǎn)固定起吊兩種類(lèi)型。①假定鋼管樁為等截面，兩吊點(diǎn)對(duì)稱(chēng)布置，此時(shí)對(duì)受力簡(jiǎn)圖以及彎矩圖分別進(jìn)行分析；②假定鋼管樁為等截面，兩吊點(diǎn)不對(duì)稱(chēng)布置時(shí)，此時(shí)受力簡(jiǎn)圖以及彎矩圖分別進(jìn)行分析；④軟件分析采用ANSYS等進(jìn)行[1]。

2 自由站立分析

一般來(lái)說(shuō)，承受軸向壓縮的細(xì)長(zhǎng)桿的失效是由于屈曲引起的。需指出的是，短壓縮構(gòu)件的失效是由于材料發(fā)生屈服。細(xì)長(zhǎng)桿件的屈曲即失穩(wěn)，桿件往往表現(xiàn)出與強(qiáng)度失效全然不同的性質(zhì)，一般開(kāi)始軸線(xiàn)為直線(xiàn)，接著必然是被壓彎，產(chǎn)生頗大的彎曲變形，發(fā)生屈曲。桿件失穩(wěn)后，壓力的微小增加將引起彎曲變形的顯著增大，桿件已喪失了承載能力，這是由于失穩(wěn)造成的失效，可以導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的破壞。自由站立的分析方法包括API規(guī)范法和Timoshenko法，下面針對(duì)兩種方法分別闡述分析。

2.1 API規(guī)范法

圓柱構(gòu)件在軸向壓縮和彎曲的組合作用下，構(gòu)件各點(diǎn)均應(yīng)該滿(mǎn)足以下條件：

式中，fa為軸向壓應(yīng)力（MPa）；Fa為軸向允許壓應(yīng)力（MPa）；fbx、fby為分別為X、Y向彎曲應(yīng)力（MPa）；Fb為允許彎曲應(yīng)力（MPa）；Fy為屈服強(qiáng)度（MPa）。

工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)：深水平臺(tái)中樁身自由站立長(zhǎng)度較長(zhǎng)，樁身應(yīng)力校核時(shí)常不滿(mǎn)足規(guī)范法穩(wěn)定性要求，給樁基施工帶來(lái)較大不便。

2.2 Timoshenko 法

基于Timoshenko彈性穩(wěn)定理論進(jìn)行樁的自由站立穩(wěn)定性分析。在均布荷載ql及兩端壓力P聯(lián)合作用的情形，臨界屈曲荷載為：

API規(guī)范法進(jìn)行圓柱構(gòu)件在軸向壓縮和彎曲的組合作用下穩(wěn)定性分析時(shí)，所用的強(qiáng)度折減系數(shù)為長(zhǎng)期穩(wěn)定性安全系數(shù)，該方法校核的是圓柱構(gòu)件在彎壓組合下長(zhǎng)期的穩(wěn)定性狀態(tài)，而對(duì)于自由站立分析這一暫時(shí)過(guò)程來(lái)說(shuō)，規(guī)范法是偏于保守的。因此利用Timoshenko法計(jì)算樁的臨界屈曲荷載，考慮錘重以及樁身自重，更適合樁的自由站立穩(wěn)定性分析。

2.3 API規(guī)范法和Timoshenko法應(yīng)用實(shí)例分析

某海洋采油平臺(tái)采用直徑為2.438m的大直徑鋼管樁作為承力結(jié)構(gòu)。樁總長(zhǎng)為140.5m，設(shè)計(jì)入泥深度為120m。根據(jù)土的基本參數(shù)，可估算在MHU1200型錘和樁的自重情況下，樁可瞬時(shí)貫入深度為25m左右，取25m。套筒高出海底泥面為11.97m，因此可計(jì)算得到樁的自由站立長(zhǎng)度為103.53m。通過(guò)計(jì)算分析可以看出：Timoshenko法和API規(guī)范法計(jì)算結(jié)果有所不同，前者認(rèn)為置錘期滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求，而后者認(rèn)為不能滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。綜合考慮Timoshenko法和API規(guī)范法計(jì)算結(jié)果，認(rèn)為API校核的是樁在彎壓組合下長(zhǎng)期穩(wěn)定性狀態(tài)，而對(duì)于自由站立分析是偏于安全的?？梢钥隙?，當(dāng)自由站立長(zhǎng)度為103.53m時(shí)，樁身長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足，但從Timoshenko法計(jì)算結(jié)果來(lái)看，樁身荷載滿(mǎn)足屈曲荷載要求，可以采用液壓錘 MHU1200 進(jìn)行打樁作業(yè)。

3 可打入性分析

（1）可打入性分析根據(jù)不同的現(xiàn)場(chǎng)情況分為無(wú)土塞連續(xù)打樁、無(wú)土塞短期停錘、無(wú)土塞長(zhǎng)期停錘、有土塞連續(xù)打樁、有土塞短期停錘、有土塞長(zhǎng)期停錘六個(gè)工況，根據(jù)不同的工況以及土壤信息，利用GPLWEAP軟件進(jìn)行分析；

（2）根據(jù)分析結(jié)果以及拒錘標(biāo)準(zhǔn)，確定各個(gè)工況下采用打樁錘的可打入性；

（3）根據(jù)可打入性分析可以確定以下信息：①錘型選擇、能量選取；②鋼樁受力；③現(xiàn)場(chǎng)打樁的難易程度；④接樁位置選??；⑤判斷承載力大小。

4 打樁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

（1）根據(jù)樁的可打入性分析判斷出鋼樁達(dá)到拒錘標(biāo)準(zhǔn)，或樁很容易打（溜樁），我們都需要進(jìn)行高應(yīng)變動(dòng)力監(jiān)測(cè),碰到拒錘時(shí)測(cè)出真實(shí)承載力，溜樁時(shí)怕承載力不夠，需要測(cè)出最終承載力是否滿(mǎn)足要求[1-3]。

（2）打樁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：①樁身最大應(yīng)力監(jiān)測(cè)。在對(duì)樁進(jìn)行全程監(jiān)控的過(guò)程中，高應(yīng)變動(dòng)測(cè)儀會(huì)時(shí)時(shí)顯示輸出每一錘擊作用下，傳感器所在截面受到的最大壓應(yīng)力[2]。由于傳感器所安裝的位置靠近樁頭，當(dāng)樁頭所受到的壓應(yīng)力過(guò)大，甚至超過(guò)鋼樁的屈服強(qiáng)度時(shí)，我們就可以很準(zhǔn)確的判斷這種情況，從而能夠有效的避免在打樁過(guò)程中，由于對(duì)錘的錘擊能量的使用不當(dāng)造成樁頭被打壞的事故。②樁身完整性監(jiān)測(cè)。當(dāng)樁在打入過(guò)程中出現(xiàn)缺陷時(shí)，傳感器采集的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化，尤其是上行波曲線(xiàn)。同時(shí)還可以確定缺陷的具體位置，判斷缺陷的相對(duì)大小。③錘的工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)。安裝在樁端的傳感器可以采集到傳遞到樁上的實(shí)際錘擊能量。通過(guò)對(duì)比錘的額定輸出能量就可以判斷錘系統(tǒng)當(dāng)前的工作效率。拒錘是由兩方面原因造成的，一個(gè)是錘擊能量不夠；另一個(gè)是受到的阻力過(guò)大。那么監(jiān)控錘系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)是避免拒錘現(xiàn)象發(fā)生的一種重要手段。④承載力檢測(cè)。估測(cè)樁基的長(zhǎng)期靜承載力是高應(yīng)變動(dòng)測(cè)試驗(yàn)的一個(gè)重要目的。采用高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)的方法對(duì)樁基進(jìn)行長(zhǎng)期靜承載力的評(píng)估，最有效的手段就是進(jìn)行間隔一定時(shí)間的復(fù)打測(cè)試，以復(fù)打的結(jié)果作為評(píng)估樁基長(zhǎng)期靜承載力的分析數(shù)據(jù)。

（3）監(jiān)測(cè)結(jié)果如下：①樁身應(yīng)力的監(jiān)控結(jié)果；②樁端實(shí)測(cè)錘擊能量與錘輸出能量的對(duì)比結(jié)果；③復(fù)打靜承載力估測(cè)結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)海洋平臺(tái)鋼樁安裝的步驟中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，包括起樁分析、自由站立分析、可打入性分析、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等內(nèi)容。全面地講述了應(yīng)用于工程項(xiàng)目中個(gè)步驟的分析方法。為鋼樁施工的設(shè)計(jì)工作提供參考依據(jù)。