黃山田 王浩宇 魏佳廣 聶曉明

（海洋石油工程股份有限公司）

鈣質(zhì)土主要分布在南緯30°與北緯30°之間，在中國(guó)南海、阿拉伯灣、墨西哥灣和澳大利亞周邊海域分布廣泛，其主要成分為CaCO3，具有高密度、高孔隙比、易破碎且易膠結(jié)的特性［1～3］。鈣質(zhì)土因其獨(dú)特的成因、 表現(xiàn)出的特殊應(yīng)力、 應(yīng)變、強(qiáng)度、破碎與樁土接觸面摩擦特性，在樁基的貫入作業(yè)中，會(huì)產(chǎn)生較大的樁端和樁側(cè)阻力［4］。鈣質(zhì)土的存在增加了海洋工程項(xiàng)目實(shí)施的難度和風(fēng)險(xiǎn)，在“一帶一路”和“海洋強(qiáng)國(guó)”的指引下，越來(lái)越多的工程項(xiàng)目將會(huì)在鈣質(zhì)土上進(jìn)行。

鋼樁將海上油氣平臺(tái)固定在海床上，承受整座平臺(tái)的環(huán)境載荷，是各種形式海洋油氣平臺(tái)的關(guān)鍵部分，鋼樁的安裝工期通常超過(guò)整座平臺(tái)安裝工期的50%， 鋼樁能否順利完成安裝并達(dá)到設(shè)計(jì)載荷是海上油氣平臺(tái)安裝的關(guān)鍵。 高碳酸鈣含量的地質(zhì)條件使得打樁變得更加復(fù)雜，可能在打樁過(guò)程中發(fā)生拒錘、樁身疲勞損壞及實(shí)際承載力不足等現(xiàn)象。

某項(xiàng)目位于沙特與科威特中立海域， 共有5座平臺(tái)，平臺(tái)位置土壤中鈣含量高，部分土層碳酸鈣含量超過(guò)80%，筆者以此項(xiàng)目為背景，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)打樁記錄和4根樁的打樁全程監(jiān)測(cè)結(jié)果， 對(duì)鈣質(zhì)土上樁基的可打入性分析方法進(jìn)行了研究。

1 打樁分析理論模型

打樁過(guò)程中的錘擊能量轉(zhuǎn)換為樁內(nèi)應(yīng)力，樁內(nèi)應(yīng)力以應(yīng)力波的形式傳播，并可用一維波動(dòng)方程來(lái)描述［5］：

經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐，一維波動(dòng)理論已經(jīng)成功應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域， 形成了GRLWEAP等打樁數(shù)值分析軟件［6］。

打樁過(guò)程中的阻力由樁側(cè)阻力和樁端阻力兩部分組成： 樁側(cè)阻力由靜阻力和動(dòng)阻力組成，分別由非線性彈簧和緩沖壺（圖1）來(lái)模擬［7］；樁端阻力由樁端土體單元壓縮變形的彈性、塑性和動(dòng)阻力組成，分別由彈簧、摩擦鍵和緩沖壺來(lái)模擬。

2 打樁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的分析方法

利用美國(guó)PDI公司生產(chǎn)的PDA打樁分析儀，對(duì)打樁過(guò)程中的錘擊能量、 樁身拉應(yīng)力/壓應(yīng)力、貫入度、 鋼樁承載力及其完整性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，利用CAPWAP法和CASE法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到鋼樁的承載力，評(píng)估打樁結(jié)束后或拒錘后鋼樁的承載力是否滿足樁基設(shè)計(jì)承載力的要求。

圖1 樁側(cè)土體模型

CAPWAP法又稱實(shí)測(cè)波形擬合法， 假定樁土力學(xué)模型及其參數(shù)， 利用在樁頂附近截面檢測(cè)到的質(zhì)點(diǎn)速度（或力、上行波、下行波）曲線作為輸入邊界條件，數(shù)值求解波動(dòng)方程，得到樁頂檢測(cè)截面位置的力（或上行波、下行波）曲線。 如果計(jì)算得到的曲線與實(shí)際測(cè)量的曲線不吻合， 說(shuō)明假設(shè)的樁土模型或其參數(shù)不合理， 需要根據(jù)具體情況反復(fù)調(diào)整模型與參數(shù)重新計(jì)算， 其中對(duì)樁基承載力影響最大的4個(gè)參數(shù)為樁端土阻尼系數(shù)、樁側(cè)土阻尼系數(shù)、樁端土彈性極限和樁側(cè)土彈性極限，直到計(jì)算得到的曲線與實(shí)際測(cè)量的曲線吻合為止。

3 樁基平臺(tái)概況

項(xiàng)目電力分配平臺(tái)的導(dǎo)管架為四腿三水平層結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)水深25.4m，頂部標(biāo)高7.1m。 導(dǎo)管架的4腿均為1∶10雙斜， 每條腿中安裝一根鋼樁，鋼樁壁厚45mm、直徑914mm、樁長(zhǎng)65.5m、入泥深度32m，設(shè)計(jì)抗壓力6 284kN、設(shè)計(jì)抗拔力979kN。 平臺(tái)安裝地基的土層地質(zhì)構(gòu)成見(jiàn)表1。

表1 平臺(tái)安裝地基的土層地質(zhì)構(gòu)成

從表1可以看到， 本海域10m以上的土體碳酸鈣含量較高，10～32m的土體以粉質(zhì)砂為主。根據(jù)地勘資料得到平臺(tái)安裝位置的單位樁側(cè)摩阻力和單位樁端阻力隨入泥深度的變化如圖2所示。

圖2 土層阻力曲線

4 樁基可打入性分析

采用基于波動(dòng)方程的GRLWEAP軟件，對(duì)連續(xù)打樁進(jìn)行可打入性分析，在計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)API《海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法 工作應(yīng)力設(shè)計(jì)法》中的推薦值，選取樁端土彈性變形量和樁側(cè)土彈性變形量均為2.54mm； 樁端土阻尼系數(shù)為砂土0.500s/m、黏土0.033s/m；樁側(cè)土阻尼系數(shù)為砂土0.200s/m、黏土0.656s/m。 利用IHC-280錘90%的能量進(jìn)行打樁， 由項(xiàng)目地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算工程中采用的動(dòng)阻力系數(shù)列于表2。

表2 打樁動(dòng)阻力系數(shù)

基于以上參數(shù)，算出不同工況下的錘擊數(shù)及其錘擊能量（圖3）。 結(jié)果顯示，工況D的錘擊數(shù)最大，最大錘擊數(shù)89錘/0.25m，小于API規(guī)范要求的拒錘標(biāo)準(zhǔn)值（250錘/0.25m）［8］，滿足工程要求。

圖3 打樁可行性分析曲線

5 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)打樁記錄和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的反算結(jié)果

5.1 現(xiàn)場(chǎng)打樁記錄

海上施工過(guò)程中利用IHC-280錘連續(xù)完成4根鋼樁的打樁作業(yè)，打樁的實(shí)際錘擊數(shù)、打樁錘輸出的錘擊能量、打樁過(guò)程中的累積錘擊能量和打不同樁的累積錘擊能量的曲線對(duì)比如圖4所示。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，同一座平臺(tái)的幾根鋼樁在連續(xù)打入時(shí)，錘擊數(shù)波動(dòng)較小。 由圖4d可知，在鋼樁入泥10m以內(nèi)，打A2、B2、B1樁的累積錘擊能量與打A1樁的累積錘擊能量相差較大，當(dāng)鋼樁入泥深度達(dá)到10m以上，累積錘擊能量偏差逐漸減小。本平臺(tái)底部尺寸為19m×19m，在如此小的范圍內(nèi)累積錘擊能量出現(xiàn)這么大的波動(dòng)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料和平臺(tái)附近挖溝施工的經(jīng)驗(yàn)，分析產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因?yàn)椋?入泥深度不超過(guò)10m的土層內(nèi)碳酸鈣含量高，超過(guò)35%，最高達(dá)80%；土層中還存在不連續(xù)的膠結(jié)塊——強(qiáng)膠結(jié)珊瑚礁（圖5）。

圖4 實(shí)際錘擊數(shù)和錘擊能量曲線

圖5 土層中的珊瑚礁

5.2 CAPWAP數(shù)據(jù)

為了便于打樁過(guò)程中發(fā)生拒錘后可以快速判斷鋼樁承載力是否滿足設(shè)計(jì)要求，并防止鋼樁過(guò)打造成樁身?yè)p壞， 現(xiàn)場(chǎng)采用美國(guó)PDI公司的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)檢測(cè)儀對(duì)打樁過(guò)程進(jìn)行了全程監(jiān)測(cè)。 沿樁身軸向安裝應(yīng)變傳感器和加速度傳感器，兩個(gè)傳感器分別對(duì)稱安裝在樁頂以下樁身同一平面兩側(cè)， 傳感器位于IHC-280錘套和鋼樁樁頭切割線之間（樁頂下2.8m），打樁完畢后將傳感器安裝孔與樁頭一起切掉。

以B2樁最后一錘為例，將動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)采集到的數(shù)據(jù)利用CAPWAP軟件擬合，曲線如圖6所示。

利用CAPWAP軟件分析得到的4根樁樁身承載力與設(shè)計(jì)值的對(duì)比見(jiàn)表3。 由表3可見(jiàn)，連續(xù)打樁結(jié)束時(shí)監(jiān)測(cè)到的樁身抗壓力和抗拔力均已遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值， 也驗(yàn)證了實(shí)際打樁比打樁可行性分析困難的情況， 根據(jù)規(guī)范要求無(wú)需進(jìn)行復(fù)打即可判斷鋼樁承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 CAPWAP分析曲線

表3 CAPWAP法分析結(jié)果

打樁過(guò)程中，樁端受力突破樁端總阻力后才能獲得貫入深度。 在地勘報(bào)告中，單位表面摩擦力和單位樁端承載力按照API RP 2A（2000）計(jì)算方法得出，鋼樁在達(dá)到設(shè)計(jì)入泥深度時(shí)樁端單位極限承載為12MPa。 另外，樁土塞的形成，主要是依賴樁內(nèi)土體重新固結(jié)、土體抗剪強(qiáng)度逐漸恢復(fù)和樁土間內(nèi)聚力的提高。 但是，樁土間內(nèi)聚力的提高時(shí)間較長(zhǎng)（主要部分在1h內(nèi)完成恢復(fù)），土體抗剪強(qiáng)度的恢復(fù)和提高也需要時(shí)間的積累［9］。 而在作業(yè)中，樁體為連續(xù)貫入，沒(méi)有足夠的時(shí)間恢復(fù)土體內(nèi)聚力和抗剪強(qiáng)度，因此在此期間很難形成土塞。 此時(shí)的樁端總阻力為樁端單位極限承載與鋼樁圓環(huán)截面積的乘積，計(jì)算結(jié)果為1 473kN。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鋼樁動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)CAPWAP法分析結(jié)果（表3），得到4根鋼樁中最小樁端承載力（樁端總阻力）為2 834kN，最大樁端承載力為4 102kN，平均樁端總承載力為3 583.5kN，是設(shè)計(jì)樁端承載力的2.0～2.8倍。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和地勘報(bào)告中的樁側(cè)摩阻力曲線如圖7所示。

圖7 樁側(cè)摩阻力曲線

5.3 反算結(jié)果

將樁側(cè)摩阻力、樁端阻力、土彈性極限、土阻尼系數(shù)和實(shí)際的打樁能量輸入到GRLWEAP軟件中進(jìn)行打樁可行性分析，在鋼樁最終入泥段的理論錘擊數(shù)和實(shí)際錘擊數(shù)的對(duì)比如圖8所示， 圖中數(shù)組前者為鋼樁樁端阻力系數(shù)、后者為鋼樁側(cè)摩阻力系數(shù)。

由圖8可見(jiàn)， 隨著鋼樁逐漸接近設(shè)計(jì)入泥深度， 實(shí)測(cè)錘擊數(shù)和理論錘擊數(shù)逐漸趨于一致，另由入泥深度32m附近某一錘的最終錘擊情況可知， 此時(shí)的反算錘擊數(shù)與實(shí)際錘擊數(shù)也基本一致，該鋼樁阻力模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)基本吻合。

圖8 反算錘擊數(shù)曲線

6 結(jié)論

6.1 實(shí)際打樁錘擊數(shù)非土塞工況的上限錘擊數(shù)，部分土層超過(guò)土塞工況的下限錘擊數(shù)，部分土層超過(guò)土塞工況的上限錘擊數(shù)，但多數(shù)土層小于土塞工況的上限錘擊數(shù)。 為了確保順利完成鋼樁安裝工作， 在碳酸鈣含量高的鈣質(zhì)土上打樁時(shí)，需按土塞工況的上限阻力選取打樁錘。

6.2 鈣質(zhì)土中含有不均勻分布的強(qiáng)膠結(jié)珊瑚礁，它對(duì)打樁的錘擊數(shù)具有明顯影響。

6.3 利用CAPWAP曲線擬合法得到的參數(shù)進(jìn)行打樁可行性分析，與實(shí)際打樁結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了該分析方法的科學(xué)性和可行性， 對(duì)類(lèi)似地質(zhì)條件下打樁方案的設(shè)計(jì)和施工具有指導(dǎo)意義。