砂土中鉆井船插樁對鄰近群樁影響的模型試驗(yàn)

楊喜濤 ，王建華 ，范怡飛

(1. 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2. 天津大學(xué) 巖土工程研究所，天津 300072)

鉆井船是海洋石油開發(fā)工程中常用的海洋工程裝備，當(dāng)鉆井船在固定式導(dǎo)管架平臺附近作業(yè)時，需要將大直徑樁靴貫入土層中。若樁靴貫入位置與鄰近導(dǎo)管架平臺樁基礎(chǔ)之間的凈間距（即鉆井船樁靴邊緣與鄰近平臺樁邊緣之間最小間距）小于1倍樁靴直徑，就需要定量評價鉆井船插樁對鄰近平臺樁基礎(chǔ)的影響[1]。對于樁靴貫入土層時對鄰近平臺樁的影響問題，吳永韌等[2]進(jìn)行了1g條件下的鉆井船插樁對鄰近平臺單樁影響的模型試驗(yàn)，分析了不同參數(shù)對受影響樁響應(yīng)的影響。Xie等[3-4]通過100g條件下的離心模型試驗(yàn)，測量了插樁階段、工作階段和拔樁階段的鄰近單樁樁身彎矩、軸力、樁頭位移、土體位移和插樁阻力等，考慮了樁間距、樁長、樁頭固定條件等的影響，揭示了周圍土體變形的機(jī)理。田兆豐等[5]在黏土中進(jìn)行了1g條件下鉆井船插、拔樁對鄰近單樁影響的模型試驗(yàn)，研究了樁與樁靴凈間距對鄰近樁響應(yīng)的影響。Tho等[6]利用有限元軟件改變土體的橫向邊界尺寸、樁頭固定程度、樁靴與樁之間的距離、土體的剛度指數(shù)、樁的抗彎剛度、樁的直徑等參數(shù)設(shè)置，研究了不同參數(shù)設(shè)置對計算結(jié)果的影響。但現(xiàn)實(shí)中海洋平臺每個樁腿在很多情況下由多個樁支撐，即群樁結(jié)構(gòu)，對群樁結(jié)構(gòu)的研究更為復(fù)雜。在對鄰近單樁研究的基礎(chǔ)上開展對鄰近群樁的研究是一個亟待解決的問題。

針對群樁問題，鄭剛[7]提出利用群樁水平承載力和各單樁水平承載力之和的比值來反映群樁的相互作用，即群樁效率法。Focht等[8]以彈性理論法為基礎(chǔ)，通過引入相對剛度系數(shù)R反映樁土相互作用的非線性對分析結(jié)果的影響，確定出反映群樁相互作用影響的p-y數(shù)據(jù)。Brown等[9-10]提出對單樁p-y曲線中p數(shù)據(jù)乘以一個衰減系數(shù)（p乘子）以反映群樁相互作用。

由于樁靴貫入引起的荷載主要沿樁身分布，難以用以上方法進(jìn)行分析。在已有研究基礎(chǔ)上，本文進(jìn)行了1g條件下鉆井船樁靴貫入砂土層時對鄰近群樁影響的模型試驗(yàn)，模擬鉆井船插樁對鄰近群樁的影響。通過對1×2群樁中靠近樁靴樁和相同凈間距位置處單樁樁身彎矩的測量，定量分析鄰近群樁受樁靴貫入擠土的影響。

圖 1 樁頭條件實(shí)物Fig. 1 Pile head condition

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

模型試驗(yàn)在直徑1.2 m、高1.2 m、壁厚5 mm的圓形鋼質(zhì)模型試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行。徐光明等[11]指出模型箱壁距離模型樁的最小間距在3倍樁徑以上時，邊界效應(yīng)已不明顯?？紤]到實(shí)際海洋平臺樁基礎(chǔ)多為柔性樁[12-14]，鄰近樁模型選擇長L=0.91 m，截面為圓形的鋁合金管，其外徑12 mm，壁厚1 mm。群樁接樁方式采用鋼質(zhì)承臺焊接。試驗(yàn)中，在反力架上對稱于電動缸引出兩個鋼質(zhì)承載板作為軌道支撐，在樁頭承臺上布設(shè)可以上下伸長的鋼質(zhì)套桿，套桿一端固定在模型樁承臺上，另一端通過軸承嵌固在軌道上。通過軌道對軸承的約束限制樁頭的轉(zhuǎn)動，并保證樁頭的平動。具體見圖1。

沿模型樁樁長，分別在模型群樁中靠近樁靴位置樁和模型單樁以樁底為基準(zhǔn)沿樁兩側(cè)中心線布置8對測量樁身彎矩的應(yīng)變片，并用防水膠密封，具體布置見圖2，圖中藍(lán)色部分為防水膠層。測量位置為：泥面以下z=0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7和0.8 m深度（見圖3）。試驗(yàn)選用YE2540A式應(yīng)變儀采集樁身應(yīng)變。參考直徑18 m的實(shí)際樁靴，為減小邊界效應(yīng)的影響，使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，確定模型試驗(yàn)尺寸相似比N=100[15]，即模型樁靴直徑D=0.18 m，其材料也為鋁合金（見圖4）。

圖 2 樁模型示意（單位：mm）Fig. 2 Model test pile (unit: mm)

圖 3 試驗(yàn)剖面（單位：mm）Fig. 3 Profile of model test (unit: mm)

圖 4 樁靴模型尺寸（單位：mm）Fig. 4 Model test spudcan (unit: mm)

試驗(yàn)用土為飽和細(xì)砂，其顆粒級配見圖5。按干重度14.42 kN/m3，采用分層擊實(shí)法制備模型試驗(yàn)土層，共分9層，每層0.1 m，土層總厚度0.9 m。具體步驟如下：（1）在模型試驗(yàn)箱底部鋪設(shè)厚0.07 m的碎石濾水層，其上再鋪設(shè)一層土工布；（2）將風(fēng)干后的細(xì)砂均勻鋪設(shè)于箱內(nèi)，按每層控制厚度擊實(shí)土層；（3）全部土層鋪設(shè)完成后，采用水頭飽和法在土層底部飽和土層，直至水面高出泥面0.01 m。實(shí)踐表明，大約經(jīng)過3 d時間，土層可以完全飽和。

對飽和后的土層進(jìn)行CPT試驗(yàn)，共取4個測點(diǎn)，結(jié)果見圖6。從圖6中可以看出錐尖阻力qc基本穩(wěn)定于180 kPa附近，依據(jù)CPT試驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合三軸固結(jié)排水試驗(yàn)確定飽和后土層的強(qiáng)度參數(shù)，得出其內(nèi)摩擦角是31°。

圖 5 顆粒級配曲線Fig. 5 Particle grading curve

圖 6 CPT試驗(yàn)結(jié)果Fig. 6 CPT test results

圖7給出了3組試驗(yàn)中插樁阻力隨樁靴貫入深度（dp）的變化，圖中的標(biāo)記是試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)線是按照SNAME規(guī)范[1]建議的插樁阻力計算關(guān)系確定的插樁阻力隨樁靴貫入深度的變化。最大樁靴貫入阻力計算式為：

圖 7 插樁阻力隨樁靴貫入深度的變化Fig. 7 Penetration resistance with depth

圖7表明，3組試驗(yàn)插樁阻力隨樁靴貫入深度的變化規(guī)律基本一致，且與理論計算結(jié)果基本吻合，這說明3組試驗(yàn)土層力學(xué)性質(zhì)基本一致，3組試驗(yàn)結(jié)果具有可比性。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

共進(jìn)行單樁和1×2群樁在凈間距d為0.25D（D為樁靴最大直徑），0.50D，1.00D的3種工況的模型試驗(yàn)，樁頭條件都為固定，單樁的水平荷載為100 N，群樁的水平荷載為200 N。

圖 8 試驗(yàn)平面布置及荷載方向（單位：mm）Fig. 8 Model test layout and load direction (unit: mm)

3組試驗(yàn)水平荷載均施加于泥面以上0.01 m處承臺上，方向?yàn)檫h(yuǎn)離樁靴的方向，具體見圖8。根據(jù)API規(guī)范[16]，水平荷載的確定取安全系數(shù)F=2。水平荷載大小根據(jù)樁身材料屈服強(qiáng)度，首先確定單樁樁身達(dá)到屈服強(qiáng)度時樁身所能承受的最大彎矩，根據(jù)式（ 其中：為極限彎矩，為屈服強(qiáng)度，鋁合金材料取170 MPa，為截面慣性矩，為樁身邊緣到中性軸的最大距離）計算得樁身最大彎矩為14.93 N·m，然后用非線性地基梁模型得到與二分之一該彎矩對應(yīng)的自由樁頭樁所受的水平荷載為100 N，群樁樁頭水平荷載取單樁的2倍為200 N。

按以下步驟進(jìn)行模型試驗(yàn)：（1）按照預(yù)定的模型樁與樁靴相對位置，把模型樁安置在模型試驗(yàn)箱內(nèi)；（2）制備模型試驗(yàn)土層；（3）將加載系統(tǒng)安裝到模型試驗(yàn)箱上，并確認(rèn)測量設(shè)備連線；（4）在樁頭施加預(yù)定大小的水平荷載，同時監(jiān)測樁身彎矩，直至樁身彎矩趨于穩(wěn)定；（5）通過伺服控制系統(tǒng)使樁靴在位移控制模式下，從底面最大直徑面與泥面齊平的位置開始，以0.36 m/h的速度貫入土體，同時監(jiān)測樁靴貫入過程中樁靴貫入阻力、樁靴位置及樁身彎矩的變化，樁靴最大貫入深度為0.4 m（即2.22D）。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

在以下的分析中，正彎矩為鄰近樁靠近樁靴一側(cè)受壓、遠(yuǎn)離樁靴一側(cè)受拉對應(yīng)的樁身彎矩，反之為負(fù)彎矩。由于樁身截面均勻，故沿樁身每個位置處樁身極限彎矩相同，因此，最大彎矩取為沿樁身的最大彎矩，不考慮最大樁身彎矩出現(xiàn)位置的不同。利用群樁樁身最大彎矩Mq相對于單樁樁身最大彎矩Md的增長率表示群樁效應(yīng)的強(qiáng)弱，即

圖9為3組模型試驗(yàn)插樁前的樁身彎矩?？梢?，3組試驗(yàn)插樁前單樁和群樁沿樁身均為負(fù)彎矩，表示近樁靴一側(cè)受拉，遠(yuǎn)樁靴一側(cè)受壓。此時，試驗(yàn)T1群樁最大彎矩相對于單樁最大彎矩增大15.7%，試驗(yàn)T2群樁最大彎矩相對于單樁最大彎矩增大16.0%，試驗(yàn)T3群樁最大彎矩相對于單樁最大彎矩增大15.8%。

圖 9 插樁前鄰近樁樁身彎矩Fig. 9 Bending moments of piles before penetrating

對于插樁過程，分別按樁靴貫入0.5D，1.0D，1.5D和2.0D深度確定樁身彎矩，結(jié)果見圖10。可以看出，3組試驗(yàn)隨著樁靴逐漸貫入排土，受壓土體擠向鄰近樁，插樁初期，群樁和單樁樁身彎矩均為負(fù)值，表示鄰近樁靠近樁靴一側(cè)受拉，隨著插樁深度的逐漸增加，逐漸出現(xiàn)正彎矩。試驗(yàn)T1隨著插樁深度的增加，群樁最大負(fù)彎矩發(fā)生位置逐漸下移，彎矩值逐漸增大，最大正彎矩發(fā)生位置逐漸下移，數(shù)值逐漸增大；單樁最大負(fù)彎矩位置同樣下移，彎矩值先逐漸增大，插樁后期減小，最大正彎矩發(fā)生位置同樣下移，數(shù)值逐漸增大。試驗(yàn)T2隨著插樁深度的增加，插樁前期群樁最大負(fù)彎矩發(fā)生位置逐漸下移，數(shù)值逐漸減小，插樁后期群樁最大負(fù)彎矩發(fā)生位置出現(xiàn)上升，彎矩值增大，最大正彎矩位置一直下移，彎矩值一直增大；同樣插樁前期單樁最大負(fù)彎矩發(fā)生位置逐漸下移，數(shù)值逐漸減小，插樁后期單樁最大負(fù)彎矩發(fā)生位置出現(xiàn)上升，彎矩值增大，最大正彎矩位置一直下移，彎矩值一直增大。試驗(yàn)T3隨著插樁深度的增加，群樁最大負(fù)彎矩發(fā)生位置不變，與插樁前相同，彎矩值逐漸增大，最大正彎矩位置一直下移，彎矩值一直增大；同樣單樁最大負(fù)彎矩發(fā)生位置不變，與插樁前相同，彎矩值增大，最大正彎矩位置一直下移，彎矩值一直增大。這是由于隨著插樁深度增加受影響土體深度逐漸增加[3,5]，但隨著凈間距的增加，插樁引起鄰近樁樁身彎矩的變化發(fā)生延遲。

圖 10 樁靴貫入土層時的樁身彎矩Fig. 10 Pile bending moments when spudcan penetrates into soil layer

3組試驗(yàn)中，隨插樁深度的增加，單樁最大負(fù)彎矩和最大正彎矩增值均大于群樁，這是由于樁靴貫入排土過程中，樁靴邊緣相同距離范圍內(nèi)產(chǎn)生的擠土力相同，作用于群樁樁身的擠土力由2根樁承擔(dān)，而作用于單樁樁身的擠土力僅由1根樁承擔(dān)。

對比3組試驗(yàn)，隨著凈間距的增加，插樁至相同深度處群樁和單樁樁身最大負(fù)彎矩值均減小，出現(xiàn)位置逐漸上移，且相對于插樁前最大樁身負(fù)彎矩的增值減?。浑S著凈間距的增加，樁身最大正彎矩出現(xiàn)時間延遲，且數(shù)值減小。這說明隨著凈間距的增加，插樁對鄰近樁的影響減弱。這是由于樁靴貫入造成樁靴周圍土體向遠(yuǎn)離樁靴的方向運(yùn)動[17]，凈間距越大，擠土力作用到樁身的時間越長。

表1給出了3組試驗(yàn)樁靴貫入0.5D，1.0D，1.5D和2.0D深度時群樁和單樁樁身最大彎矩。由表1可知，與插樁前相比，插樁過程中，3組試驗(yàn)群樁最大樁身彎矩相對于單樁最大樁身彎矩的增值均減小，插樁過程中均小于插樁前，這說明插樁使鄰近群樁效應(yīng)減弱；隨著凈間距的增加，群樁最大樁身彎矩越來越接近于單樁最大樁身彎矩，插樁對鄰近群樁效應(yīng)的影響越來越小；凈間距為1.0D時，插樁過程中的樁身最大彎矩相對于插樁前樁身最大彎矩變化很小，在10%以內(nèi)，群樁最大樁身彎矩相對于單樁最大樁身彎矩的增大率在7%以內(nèi)，此時可以不用考慮插樁對鄰近群樁的影響。

表 1 樁身最大彎矩Tab. 1 Maximum bending moment of the pile

3 結(jié) 語

砂土中鉆井船插樁對鄰近群樁影響的模型試驗(yàn)結(jié)果表明：隨插樁深度的增加，群樁最大樁身負(fù)彎矩和最大樁身正彎矩增值均小于單樁。隨著樁靴邊緣與鄰近平臺樁邊緣之間凈間距的增加，插樁至相同深度處群樁和單樁最大樁身負(fù)彎矩均減小，最大樁身正彎矩出現(xiàn)時間延遲，且數(shù)值減小。與插樁前樁頭荷載作用下鄰近群樁響應(yīng)情況相比，插樁使鄰近群樁效應(yīng)減弱；且隨著凈間距的增加，插樁對鄰近群樁效應(yīng)的減弱作用越來越小，凈間距為1倍樁靴最大直徑時，可不考慮插樁對鄰近群樁的影響。

1g條件下的模型試驗(yàn)可以為后續(xù)離心試驗(yàn)的開展提供一些可行的方法及初步的數(shù)據(jù)，以求在離心試驗(yàn)中獲得更多有價值的試驗(yàn)結(jié)果，為相關(guān)的數(shù)值計算提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。