黏性土中錨樁安裝貫入可打性分析

王朋飛，楊 昆，謝锏輝，邱華斌，吳業(yè)旺

深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳 518067

水下鋼樁已廣泛應(yīng)用于各類海洋工程，包括導(dǎo)管架及各類水下結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)、半潛式平臺(tái)及FPSO的系泊錨腿、海上風(fēng)電基礎(chǔ)等。用作系泊錨腿的錨樁通常采用打樁錘打入海床的方式進(jìn)行安裝施工，因此，錨樁的詳細(xì)設(shè)計(jì)必須包含可打性分析，根據(jù)場(chǎng)址的土質(zhì)條件，評(píng)估錨樁打入目標(biāo)深度所需的錘擊能量，選取樁錘型式，并對(duì)打樁過程中的拒錘與溜樁風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，確保錨樁安裝順利實(shí)施。

錨樁可打性分析采用數(shù)值方法對(duì)打樁過程進(jìn)行模擬。首先需對(duì)目標(biāo)貫入深度范圍內(nèi)土的貫入阻力進(jìn)行評(píng)估分析，隨后利用分析得出的土層貫入阻力剖面對(duì)打樁過程中錘擊數(shù)及樁身應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算；數(shù)值計(jì)算過程中，錨樁由一系列彈簧單元進(jìn)行模擬，土的阻力則通過簡(jiǎn)化的彈簧-質(zhì)量塊-阻尼器系統(tǒng)作用于樁身。土層貫入阻力剖面的準(zhǔn)確評(píng)估是錨樁可打性分析的關(guān)鍵。樁的貫入阻力計(jì)算通常采用與豎向承載力計(jì)算相同的方法，有的計(jì)算方法會(huì)考慮打樁過程與靜力加載時(shí)的不同作用條件，如打樁過程中由加載速率引起的貫入阻力的增大以及土體擾動(dòng)且缺乏強(qiáng)度恢復(fù)時(shí)間帶來的貫入阻力的減小。

本文對(duì)錨樁可打性分析方法進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)闡述打樁過程中土層貫入阻力剖面的計(jì)算原理與方法，并以南海某氣田平臺(tái)錨樁為例，研究比較可打性分析計(jì)算的結(jié)果，評(píng)估拒錘與溜樁的風(fēng)險(xiǎn)。

1 波動(dòng)方程分析

樁在打入過程中的運(yùn)動(dòng)和受力利用波動(dòng)方程進(jìn)行模擬計(jì)算。目前工程界廣泛采用GRLWEAP（PDI 2010）進(jìn)行打樁分析計(jì)算，該程序中土體模型基于Smith法建立，樁-土-錘系統(tǒng)由質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)簡(jiǎn)化模擬，采用黏彈塑性本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行描述。土的彈性變形極限由土的最大彈性變形來定義，當(dāng)變形超過最大彈性變形值時(shí)，土體產(chǎn)生塑性流動(dòng)，應(yīng)力不再增加，達(dá)到極限應(yīng)力或阻力。Roussel[1]對(duì)墨西哥灣眾多油田場(chǎng)址大直徑樁基礎(chǔ)的打樁監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析研究，給出了土的阻尼系數(shù)和最大彈性變形的建議取值（見表1）。

表1 土的最大彈性變形和阻尼系數(shù)[1-2]

2 土層貫入阻力剖面計(jì)算

對(duì)于樁的可打性分析在利用數(shù)值模擬之前，首先需根據(jù)場(chǎng)址的土質(zhì)特性對(duì)每一貫入深度的阻力進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，形成目標(biāo)貫入深度內(nèi)的土層貫入阻力剖面。打樁過程中土層貫入阻力SRD（Soil Resistance to Driving）的計(jì)算方法與樁的豎向極限承載力的計(jì)算方法類似，為樁側(cè)摩阻力與樁端阻力之和：

式中：Qs為樁側(cè)摩阻力，kN，Qs=τf·As；τf為單位摩阻力，kN/m2；As為樁身作用面積，m2；Qb為樁端阻力，kN，Qb=qb·Ab；qb為單位端阻力，kN/m2；Ab為樁端面積，m2。

2.1 土塞的影響

海洋樁基礎(chǔ)多采用空心鋼管樁，打樁過程中需考慮土塞形成的可能性。在形成土塞的情況下，樁內(nèi)土塞隨著樁打入的同時(shí)向下運(yùn)動(dòng)，樁側(cè)摩阻力只作用于樁身外壁，樁內(nèi)壁摩阻力可忽略不計(jì)，端阻力受力面積需考慮樁端實(shí)心橫斷面積；不形成土塞的情況下，樁內(nèi)土體在打樁過程中保持靜止，樁身內(nèi)壁和外壁均受到土體摩阻力作用，端阻力受力面積只考慮樁端實(shí)際環(huán)形橫截面積。實(shí)際打樁過程中，特別是當(dāng)樁徑大于1 m時(shí)，由于慣性作用，樁內(nèi)土體形成土塞的趨勢(shì)很小[3-4]。若地基由多層土組成，當(dāng)樁端由較硬土層貫入較軟土層時(shí)，樁身位于較硬土層，內(nèi)壁側(cè)摩阻力較大，而樁端位于較軟土層，樁端阻力較小，在這種情況下最有可能形成土塞。實(shí)際工程中進(jìn)行錨樁可打性分析時(shí)，為保守起見，建議同時(shí)考慮有土塞和沒有土塞兩種情況。

根據(jù)Stevens等[2]的研究成果，無土塞情況下，貫入阻力的下限值假設(shè)樁身內(nèi)壁摩阻力為外壁摩阻力的50%，而上限值假設(shè)樁身內(nèi)外壁摩阻力相等；有土塞情況下，貫入阻力下限值和上限值假設(shè)樁外壁摩阻力一致，樁端阻力計(jì)算考慮承載系數(shù)上限值（Nc，UB=15） 比下限值 （Nc，LB=9） 增加 67%。

2.2 黏性土中的貫入阻力

打樁作業(yè)時(shí)土層貫入阻力的計(jì)算可參考樁基豎向承載力的計(jì)算方法。學(xué)術(shù)界對(duì)豎向作用下樁的破壞機(jī)理及承載力計(jì)算方法已進(jìn)行了大量的理論及實(shí)驗(yàn)研究，黏性土中樁側(cè)單位摩阻力和單位端阻力的計(jì)算方法介紹如下。

2.2.1 樁側(cè)單位摩阻力

海洋樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)中廣泛采用API方法。由于打樁過程中土體應(yīng)力變化過程過于復(fù)雜，常規(guī)設(shè)計(jì)方法難以對(duì)此準(zhǔn)確描述，而應(yīng)力的變化受有效自重應(yīng)力σ′v0和土的不排水抗剪強(qiáng)度su的直接影響，因此將樁側(cè)極限摩阻力τsf與su和σ′v0直接關(guān)聯(lián)則更為簡(jiǎn)單明了。Randolph and Murphy[5]通過對(duì)一系列樁的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比擬合，總結(jié)得出計(jì)算樁側(cè)極限摩阻力τsf的α法（總應(yīng)力法）：

上述方法計(jì)算的是樁在使用過程中受靜力荷載作用下的樁側(cè)極限摩阻力，考慮了樁在安裝過后，土體得到充分時(shí)間的固結(jié)及土體結(jié)構(gòu)得到恢復(fù)后的強(qiáng)度。樁在打入過程中產(chǎn)生擠土效應(yīng)，樁周土體結(jié)構(gòu)受到擾動(dòng)，土中應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，強(qiáng)度減小。因此，打樁分析中樁側(cè)摩阻力的計(jì)算需考慮因土體擾動(dòng)引起的強(qiáng)度折減。Stevens等[2]根據(jù)打樁的波動(dòng)方程分析和現(xiàn)場(chǎng)打樁實(shí)測(cè)結(jié)果的擬合比較，提出了用經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)Fp對(duì)上述樁側(cè)極限摩阻力進(jìn)行修正，從而得到打樁作業(yè)時(shí)樁側(cè)單位摩阻力τf：

式中：OCR為黏性土的超固結(jié)比。

打樁過程中，樁在動(dòng)力作用下隨著貫入深度不斷增大，樁周土體受到循環(huán)剪切作用，樁側(cè)摩阻力不斷折減，這種現(xiàn)象被稱為樁的側(cè)阻疲勞（friction fatigue）。在樁的可打性分析中，為更準(zhǔn)確地模擬樁周土體的受力條件，樁側(cè)摩阻力的計(jì)算需考慮樁的側(cè)阻疲勞，GRLWEAP中可按指數(shù)衰減法考慮側(cè)阻疲勞對(duì)土層貫入阻力的影響[6-7]。

考慮采用側(cè)阻疲勞方法計(jì)算土層貫入阻力的主要缺點(diǎn)是需要通過反復(fù)迭代計(jì)算來模擬打樁過程中每一貫入深度處樁側(cè)摩阻力的變化，因此模擬計(jì)算過程耗時(shí)較長(zhǎng)。實(shí)際工程應(yīng)用中為節(jié)省計(jì)算成本，通常不考慮側(cè)阻疲勞現(xiàn)象，但需確保打樁分析結(jié)果偏于保守。

2.2.2 單位端阻力

黏性土中樁的單位端阻力與樁側(cè)單位摩阻力相比，在樁的豎向承載力中占比較小，采用極限承載力計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算（參考API RP2A-WSD[8]）：

式中：Nc為Skempton深基礎(chǔ)承載經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取9。

3 某平臺(tái)系泊系統(tǒng)錨樁安裝可打性分析

以南海某氣田平臺(tái)深水系泊系統(tǒng)安裝工程為例，整個(gè)系泊系統(tǒng)位于以平臺(tái)為中心約2 000 m半徑范圍內(nèi)，水深約1 500 m，由4組系泊錨腿組成，每組包含4條連接于4根錨樁系泊腿的系泊纜，每組內(nèi)相鄰系泊纜之間的夾角為4°。樁型分為兩類：長(zhǎng)樁68.5 m，目標(biāo)貫入深度64 m，短樁65.5 m，目標(biāo)貫入深度61 m，外徑均為2.134 m，采用深水打樁錘打入海床的安裝方法。本文分別取一組長(zhǎng)樁（A、B、C、D）和一組短樁（E、F、G、H）進(jìn)行可打性分析。

3.1 土性參數(shù)

系泊系統(tǒng)安裝區(qū)域錨樁貫入深度范圍內(nèi)的土層主要為黏土和粉質(zhì)黏土，局部土層描述為含鈣質(zhì)黏土。土的強(qiáng)度隨土層深度的增加而增大，海床表面為非常軟到軟的黏土，隨深度增加逐漸增強(qiáng)為硬到非常硬的黏土層。錨樁安裝貫入可打性分析采用最不利位置土的強(qiáng)度上限值及有效重度和超固結(jié)比剖面最佳估計(jì)值作為土層貫入阻力計(jì)算的輸入?yún)?shù)，如表2所示。

表2 土的設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 土層貫入阻力剖面

不同工況下土層貫入阻力剖面計(jì)算結(jié)果如圖1所示（LB為下限，UB為上限）。從圖1中可以看出，貫入阻力隨深度增加而增大。當(dāng)貫入深度小于35 m時(shí)，在有土塞工況下，端阻力作用于錨樁實(shí)心圓形橫截面，相比無土塞工況下樁內(nèi)壁摩阻力和樁壁環(huán)形橫截面積端阻力之和較大，因此有土塞工況土層貫入阻力更大；當(dāng)貫入深度大于35 m時(shí)，樁內(nèi)壁摩阻力逐漸增大，因此無土塞工況土層貫入阻力更大。

圖1 貫入阻力計(jì)算結(jié)果

錨樁安裝過程中可能出現(xiàn)打樁作業(yè)中斷，經(jīng)過一段時(shí)間后復(fù)打的情況，此時(shí)樁壁土體強(qiáng)度將隨著時(shí)間的推移而逐漸恢復(fù)，為考慮該工況，土層貫入阻力按土體強(qiáng)度完全恢復(fù)后的單樁極限承載力來考慮。復(fù)打工況中，在貫入深度較淺時(shí)，土層貫入阻力考慮樁內(nèi)壁摩阻力和外壁摩阻力相等，樁端阻力作用于錨樁空心環(huán)形橫截面。隨著錨樁貫入深度的增加，當(dāng)樁內(nèi)壁摩阻力與樁內(nèi)土體斷面所產(chǎn)生的端阻力相等時(shí)，土塞形成，從此深度往下，土層貫入阻力考慮樁外壁阻力，而樁端阻力作用于錨樁實(shí)心圓形橫截面，即樁端阻力為土塞產(chǎn)生的端阻力和樁壁環(huán)形面積產(chǎn)生的端阻力之和。

復(fù)打工況下，貫入深度大于45m時(shí)，土層貫入阻力將超過其他工況，因此當(dāng)錨樁貫入至45m以下時(shí)，需盡量避免打樁作業(yè)中斷，以降低拒錘的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 自入泥貫入

水下安裝時(shí)，錨樁在著泥以后會(huì)在自重作用下貫入海床一定深度，隨后將打樁錘置于樁頂，此時(shí)錨樁將繼續(xù)貫入海床，直至完成自入泥。錨樁自入泥深度通過錨樁（水中重量1 620 kN）或錨樁+打樁錘（MHU DWS 500 T深水打樁錘水中重量770 kN）自重與土層貫入阻力的平衡計(jì)算得出，針對(duì)上述不同工況下的土層貫入阻力剖面，錨樁自入泥貫入深度計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 錨樁自入泥貫入深度

3.4 可打性分析結(jié)果

錨樁可打性分析計(jì)算結(jié)果匯總于表4中，貫入錘擊數(shù)隨深度變化的曲線見圖2，其中打樁總持時(shí)按打樁速率30錘/min計(jì)算得出。

圖2 貫入錘擊數(shù)計(jì)算結(jié)果

表4 達(dá)到最終貫入深度時(shí)的錘擊數(shù)和打樁所需總體時(shí)間

從計(jì)算結(jié)果可以看出，無土塞-UB工況最不利，共需5.6 h完成一根錨樁的打樁作業(yè)，其最終達(dá)到每貫入0.25 m錘擊數(shù)為113，小于連續(xù)打樁作業(yè)時(shí)250錘/0.25 m的拒錘標(biāo)準(zhǔn)，因此打樁作業(yè)可以順利完成。如果出現(xiàn)打樁作業(yè)中斷后再復(fù)打的情形，則最終每貫入0.25 m錘擊數(shù)為230，小于接近目標(biāo)貫入深度或打樁作業(yè)中斷時(shí)650錘/0.25 m的拒錘標(biāo)準(zhǔn)，也能順利完成打樁作業(yè)。打樁過程中產(chǎn)生的樁身最大應(yīng)力約220 MPa，根據(jù)API RP 2A-WSD建議[8]，使用波動(dòng)方程計(jì)算得出的樁身應(yīng)力應(yīng)不超過其最小屈服強(qiáng)度的80%～90%，而該項(xiàng)目錨樁鋼材的最小屈服強(qiáng)度為325 MPa，因此可判定打樁作業(yè)時(shí)不會(huì)發(fā)生樁身破壞現(xiàn)象。

3.5 溜樁風(fēng)險(xiǎn)分析

溜樁現(xiàn)象是指打樁作業(yè)過程中，在很少的錘擊數(shù)或者僅在錨樁和打樁錘自重作用下，錨樁在一段較長(zhǎng)的深度范圍內(nèi)發(fā)生不可控制的貫入。溜樁現(xiàn)象通常發(fā)生在樁由較硬土層貫入至軟弱下臥土層時(shí)，此時(shí)土層貫入阻力突然產(chǎn)生較大幅度的下降，直至小于樁和打樁錘的自重之和，于是樁開始加速下沉，隨后土層貫入阻力逐漸增大，直至溜樁現(xiàn)象停止。溜樁現(xiàn)象是打樁作業(yè)過程中的重大隱患，可能對(duì)人員和設(shè)備造成傷害，因此需通過可打性分析評(píng)估溜樁的風(fēng)險(xiǎn)性。

本項(xiàng)目錨樁安裝位置貫入深度范圍內(nèi)的土層分布為不同強(qiáng)度的黏土層，強(qiáng)度總體隨深度的增大而增加，局部也會(huì)出現(xiàn)較深土層強(qiáng)度比較淺土層強(qiáng)度低的情況。由于海床表面土體強(qiáng)度普遍較小，在完成自入泥貫入以后，打樁作業(yè)起始階段每一次錘擊的貫入深度較大，因此需采用較小的能量設(shè)置開始打樁，然后隨著貫入深度的增加逐漸提升錘擊能量。

實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)及研究表明，在連續(xù)打樁作業(yè)情況下，樁在貫入過程中最有可能發(fā)生的工況為無土塞工況。圖1顯示無土塞工況下土層貫入阻力隨深度逐漸增大，且貫入錘擊數(shù)也隨深度而增加，因此不會(huì)出現(xiàn)溜樁現(xiàn)象。有土塞及復(fù)打工況條件下，土層貫入阻力及貫入錘擊數(shù)在某些深度處突然減小，但由于貫入深度已達(dá)到錘擊數(shù)為30錘/0.25 m左右，若錘擊數(shù)突然減小至25錘/0.25 m左右，最多只能讓每次錘擊的貫入深度增加幾厘米，且此時(shí)的土層貫入阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于錨樁和打樁錘自重之和，因此可以判斷出現(xiàn)溜樁現(xiàn)象的可能性較小。

4 安裝記錄

錨樁可打性分析計(jì)算結(jié)果見表5，從表5可知，實(shí)際自沉值接近計(jì)算值（無土塞-LB工況），計(jì)算值更為保守；最終貫入錘擊數(shù)分布于無土塞-LB工況和無土塞-UB工況之間，只有G號(hào)樁在最終貫入深度內(nèi)出現(xiàn)了拒錘；B號(hào)樁中斷38 h的復(fù)打數(shù)據(jù)顯示，在該時(shí)間內(nèi)土壤強(qiáng)度并未得到有效恢復(fù)，對(duì)整體打樁影響不大，在后續(xù)打樁分析中宜增加中斷時(shí)間邊界評(píng)估；最后，計(jì)算安裝用時(shí)較實(shí)際值過于理想，實(shí)際安裝時(shí)間約為計(jì)算用時(shí)的3倍。

表5 深水錨樁安裝記錄

5 結(jié)論

（1）錨樁打入黏性土?xí)r，樁側(cè)摩阻力采用API推薦的α法（總應(yīng)力法）進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)Stevens等提出的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)Fp進(jìn)行修正，以考慮土體擾動(dòng)所受的影響。

（2）在條件允許的情況下，為了更真實(shí)準(zhǔn)確地模擬錨樁打入過程中樁周土體的受力條件，樁側(cè)摩阻力的計(jì)算應(yīng)盡量考慮樁的側(cè)阻疲勞。

（3）錨樁可打性分析需考慮有土塞、無土塞及復(fù)打等不同工況，應(yīng)評(píng)估樁身應(yīng)力及拒錘風(fēng)險(xiǎn)。南海某氣田平臺(tái)錨樁可打性分析結(jié)果表明，錨樁貫入深度較淺時(shí)，有土塞工況土層貫入阻力較大；達(dá)到一定深度后，隨著樁內(nèi)壁摩阻力的增大，無土塞工況土層貫入阻力則超過有土塞工況；最后，錨樁進(jìn)一步貫入至接近目標(biāo)貫入深度，復(fù)打工況土層貫入阻力將超過其他工況，拒錘風(fēng)險(xiǎn)增大，因此，錨樁貫入至較大深度時(shí)，需盡量避免中斷打樁作業(yè)。

（4）錨樁打樁作業(yè)時(shí)溜樁的風(fēng)險(xiǎn)需通過可打性分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，當(dāng)土層貫入阻力不出現(xiàn)較大幅度的突變且每錘擊數(shù)產(chǎn)生的貫入深度變化不大時(shí)，出現(xiàn)溜樁現(xiàn)象的可能性較小。