王圣強(qiáng)，馬德強(qiáng)，王彥博，孟凡星

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

海洋平臺樁基承載力檢測與沉降監(jiān)測

王圣強(qiáng)，馬德強(qiáng)，王彥博，孟凡星

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

以渤海某海洋平臺為例，通過對該平臺樁基承載力的檢測，分析得出該平臺承載力未達(dá)到設(shè)計值，故對該平臺樁基進(jìn)行了為期一年的沉降監(jiān)測，在監(jiān)測中，使用了適合海洋平臺長期監(jiān)測的光纖光柵技術(shù)。監(jiān)測結(jié)果表明，平臺的關(guān)鍵部位沒有發(fā)生傾角的變化，因此判斷樁基礎(chǔ)沒有發(fā)生不均勻沉降，此平臺是安全的。建議在今后的使用過程中，平臺使用方應(yīng)繼續(xù)按照樁基監(jiān)測報警戒線的要求執(zhí)行，不能隨意增加上部荷載，同時必須嚴(yán)格控制活荷載，以保證平臺樁基的安全。

海洋平臺；承載力檢測；樁基；監(jiān)測

海洋石油平臺遠(yuǎn)離大陸，要經(jīng)受各種惡劣的環(huán)境條件，因而具有較大的風(fēng)險性。為確保海洋平臺的安全，通常在設(shè)計過程中對各種可能遇到的風(fēng)險進(jìn)行計算分析，以確保平臺在建造與使用過程中的安全性和可靠性。但是，有些情況下平臺在建造或使用過程中不能完全滿足原設(shè)計要求，這時就需要對平臺進(jìn)行承載力檢測與沉降監(jiān)測，以確保海洋平臺的安全。

1 工程概況

某海上油田位于渤海灣東北部海域，建有兩座平臺，即CEP平臺和WHPB平臺，水深約13 m，其中WHPB平臺包括導(dǎo)管架、上部組塊、鉆井模塊和生活樓等設(shè)施，如圖1所示。

圖1 某海上油田的WHPB平臺

WHPB平臺為6腿6樁結(jié)構(gòu)，根據(jù)所處海域的土壤特征和上部荷載情況，設(shè)計各樁的入泥深度為104 m，設(shè)計承載力為56 MN。但是，在打樁施工過程中出現(xiàn)了意外，樁基沒有打到設(shè)計深度，平均每個樁基的入泥深度與原設(shè)計大約相差15 m，使得每個樁基的承載力達(dá)不到設(shè)計要求，平臺有可能發(fā)生沉降。

2 承載力檢測

WHPB平臺有6根鋼管樁，其樁位平面圖如圖2所示。設(shè)計樁型尺寸為D 1.524 m×123.80 m，6根樁的樁頂均向平臺內(nèi)傾斜，樁設(shè)計入土深度為104 m，實際入土深度89.0 m，露出水面約22.0 m，估計單樁軸向抗壓極限承載力為36.5 MN。

圖2 WHPB平臺樁位平面示意

2.1 檢測方法

按照中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JBJ 106-2003《建筑樁基檢測技術(shù)規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，本次檢測的儀器采用美國PDI公司生產(chǎn)的PAL樁基動力檢測儀。

高應(yīng)變檢測法的基本原理是：采用一定落高、一定質(zhì)量的重錘敲擊樁頂，當(dāng)樁頂受到錘擊力時，產(chǎn)生彈性應(yīng)變，此應(yīng)變以縱波形式沿樁軸向下傳遞，應(yīng)力波沿樁身傳遞規(guī)律遵循一維波動方程。通過安裝在距樁頂2倍樁徑以下位置的應(yīng)力傳感器和加速度傳感器測量出其樁體響應(yīng)，再用公式 （1）計算出單樁極限承載力Rc。

式中Jc——樁尖阻尼系數(shù)，其取值與樁端土質(zhì)有關(guān)；

F——錘擊力/kN；

Z——樁基材料波阻抗/（kN·s/m）；

V——質(zhì)點運動速度/（m/s）；

t1——波傳播時間/s；

t1+2L/c——樁底反射的對應(yīng)時間/s；

L——測點下樁長/m；

c——波速/（m/s）。

根據(jù)實測到的樁頂處力與速度的時程曲線，可以得出有關(guān)承載力、樁身完整性、錘擊能量、樁身應(yīng)力等許多分析結(jié)果。其現(xiàn)場工作原理如圖3所示。

圖3 高應(yīng)變檢測法現(xiàn)場工作原理示意

2.2 實測情況

在檢測過程中，使用MHU-1200S型打樁錘，錘擊系統(tǒng)能保證錘擊力作用方向沿樁身軸向方向。為監(jiān)視和減少可能出現(xiàn)的偏心錘擊的影響，檢測時沿樁身兩側(cè)軸向方向安裝應(yīng)變傳感器和加速度傳感器各兩只。鋼樁波速值設(shè)定為5 120 m/s，鋼樁質(zhì)量密度設(shè)定為7.85 t/m3。根據(jù)施工數(shù)據(jù)，選擇錘擊能量為1 000 kJ，每根樁錘擊9錘并采集了信號。實際采集每錘信號時，在傳感器安裝處未發(fā)生塑性變形現(xiàn)象，力和加速度曲線最終均歸零，未出現(xiàn)嚴(yán)重錘擊偏心情況，在多次錘擊下承載力下降不明顯，四通道測試數(shù)據(jù)正常，信號一致性較好，符合規(guī)范要求。

2.3 檢測結(jié)果

結(jié)合本工程地質(zhì)資料和實測情況，并比較每根樁各錘信號質(zhì)量的細(xì)微差異，各樁均選取其中一個錘信號進(jìn)行波形擬合，得出高應(yīng)變動力檢測結(jié)果見表1。

表1 應(yīng)變動力檢測結(jié)果

3 樁基沉降監(jiān)測

通過上述檢測結(jié)果分析，在現(xiàn)有樁基深度下，單樁平均承載力可達(dá)50.08 MN，雖未達(dá)到設(shè)計承載力 （56 MN），但通過控制上部荷載的方法，仍可以保證平臺的安全使用。但是考慮到諸多不確定因素的影響，如土壤特性的不確定、評估樁基極限承載力的不確定以及作業(yè)期間上部荷載的不確定等，為進(jìn)一步確保平臺的安全，該平臺建造方委托大連理工大學(xué)進(jìn)行了樁基沉降監(jiān)測。

樁基沉降分為兩種不同的情況加以考慮。如果樁基礎(chǔ)失效，那么必然引起較大的不均勻沉降，整體結(jié)構(gòu)處于危險狀態(tài)；如果樁基礎(chǔ)沒有失效，但是由于土壤特性發(fā)生變化 （持力層性質(zhì)不穩(wěn)定）以及上部荷載的作用，樁基同樣會產(chǎn)生較小的不均勻沉降，這種變化如果不加以控制，同樣也會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。其中第二種類型的沉降是現(xiàn)階段應(yīng)該重點監(jiān)測的對象。

3.1 沉降監(jiān)測原理

對于陸上結(jié)構(gòu)的沉降監(jiān)測可以采用相鄰建筑物作為參照系對比，直接實測出目標(biāo)建筑物的真實沉降量，海上結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測恰恰缺乏此類固定的參照系，使得現(xiàn)有的陸上沉降監(jiān)測技術(shù)難以直接應(yīng)用于海上項目，因此，對于該項目只能選用不需要相對參照系的間接監(jiān)測方法。對于該平臺沉降的監(jiān)測采用的是力學(xué)反演方法，該方法不需要固定的相對參照系，因此非常適合于海洋工程沉降監(jiān)測項目。

基于優(yōu)化理論的力學(xué)反演方法，將待反演的結(jié)構(gòu)不均勻沉降量作為優(yōu)化變量，將計算結(jié)果和觀測結(jié)果的差值作為目標(biāo)函數(shù)，然后通過各種不同的優(yōu)化方法來求解這個問題，最終可以得到結(jié)構(gòu)的不均勻沉降量。如果平臺樁基發(fā)生了不均勻沉降，必然會引起導(dǎo)管架關(guān)鍵位置傾角的變化，這些微小的傾角變化可以通過相關(guān)儀器監(jiān)測到，再按照上述反演方法就可以計算結(jié)構(gòu)的不均勻沉降。樁基沉降反演流程如圖4所示。

圖4 樁基沉降反演流程示意

3.2 監(jiān)測設(shè)備及測點布置

整個樁基監(jiān)測系統(tǒng)分傳感器、數(shù)據(jù)解調(diào)、數(shù)據(jù)采集三部分，傳感器包括光纖光柵傳感器和大地梁式傾斜儀。

在海洋平臺這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)環(huán)境中，使用傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片無法進(jìn)行長期監(jiān)測，因此采用了光纖光柵傳感器來測量應(yīng)變，光纖光柵傳感器是由高分子材料組成，耐腐蝕，適合于長期健康監(jiān)測。本項目使用的DGK-6750大地梁式傾斜儀屬于液體擺式傾斜儀，具有較好的抗振動性能，可以很容易地安裝到現(xiàn)場且不需要維修。在光纖監(jiān)測中，我們使用的是美國Micron光學(xué)公司生產(chǎn)的Sm125光纖光柵解調(diào)器，該子系統(tǒng)用于傳感器的數(shù)據(jù)采集和初步處理，它是為測量低速變化量，像應(yīng)力、溫度和壓力參數(shù)而設(shè)計的，被廣泛應(yīng)用于橋梁、大壩、建筑物等長期監(jiān)測。

沉降監(jiān)測點傳感器包括傾斜儀和光纖應(yīng)變傳感器，即通過關(guān)鍵位置的傾斜變化和應(yīng)力變化間接計算平臺樁基的沉降。這就需要找到對于樁基沉降比較敏感的結(jié)構(gòu)部件，通過數(shù)值模擬計算可以得到所需的結(jié)構(gòu)位置及其響應(yīng)。考慮了以下的工況：A1、A2、A3、B1、B2、B3各腿分別沉降；A1和B1、A2和B2、A3和B3沉降。以計算為基礎(chǔ)，在距海平面5.2 m （EL 5 200）處挑選出6個測點 （如圖5所示），這些點均能夠充分反映某些沉降工況，而且特點非常明顯，這樣非常有利于反演計算樁基的真實沉降。

3.3 沉降監(jiān)測實施

圖5 EL5200上的6個測點 （Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q8）

沉降監(jiān)測中的數(shù)據(jù)主要來自傾斜儀，針對大地梁式傾斜儀設(shè)計開發(fā)的相應(yīng)數(shù)據(jù)處理軟件，能自動采集數(shù)據(jù)、定時儲存。在實際檢測中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中含有一些由于電壓漂移、溫度變化帶來的噪音，為了使反演數(shù)據(jù)得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確，必須對該噪音進(jìn)行處理，得到更準(zhǔn)確的傾角變化信息。

基于優(yōu)化理論的反演方法計算，其一般形式為：

式中x——待反演量，此處為各樁的沉降量；

A——非線性計算過程，此處為通過結(jié)構(gòu)計算分析在沉降量為x的情況下，各測點在理論上的角度改變量；

b——包含觀測噪聲的觀測量，在此指觀測

各點得到的角度改變量。

3.4 監(jiān)測結(jié)果及分析

基于土壤畸變理論計算得出在現(xiàn)有條件下，單樁的最大沉降約為10 cm，因此，在樁基沉降數(shù)值模擬分析中，選擇10 cm為單樁的最大沉降量，進(jìn)而得到在此沉降下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的響應(yīng)，為最終的平臺傾斜監(jiān)測提供理論數(shù)據(jù)。

當(dāng)監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)平臺樁基的沉降達(dá)到容許值的85%時，系統(tǒng)將進(jìn)行警告，平臺作業(yè)操作人員必須停止作業(yè)，并繼續(xù)觀察沉降情況。如沉降趨于穩(wěn)定，則可恢復(fù)平臺作業(yè)；如沉降繼續(xù)增加，當(dāng)平臺的沉降達(dá)到容許值的95%時，平臺所有人員必須撤離，并對平臺重新評估，以確定平臺能否繼續(xù)使用。

自開展監(jiān)測以來，在歷時一年的時間內(nèi)，該平臺沉降監(jiān)測中并沒有發(fā)生關(guān)鍵位置傾斜角變化。根據(jù)沉降監(jiān)測的反演理論，認(rèn)為平臺沒有發(fā)生不均勻沉降。如果6個樁基同時發(fā)生沉降，且沉降量相同，傾斜儀測點部位的角度變化將非常小，當(dāng)該變量小于傾斜儀的精度時，是測不出來的。為此，我們還同時對平臺荷載進(jìn)行了監(jiān)測，以便能控制平臺上部總的荷載量，在此不再論述。

4 結(jié)論

由平臺樁基承載力檢測結(jié)果可知，該平臺樁基沒有達(dá)到設(shè)計承載力，故需對該平臺進(jìn)行長期監(jiān)測。在此次樁基沉降監(jiān)測中，使用了適合海洋平臺長期監(jiān)測的光纖光柵技術(shù)，該技術(shù)在國內(nèi)外一些大型工程中已得到應(yīng)用，但是在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用尚屬首例，因此，這次檢測為該技術(shù)在海洋工程監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用積累了寶貴的經(jīng)驗。

在監(jiān)測過程中，平臺的關(guān)鍵部位沒有發(fā)生傾角的變化，因此判斷樁基礎(chǔ)沒有發(fā)生不均勻沉降。在今后的使用過程中，平臺使用方應(yīng)繼續(xù)按照以上樁基監(jiān)測報警戒線的要求執(zhí)行，不能隨意增加上部荷載，同時必須嚴(yán)格控制活荷載，只有這樣才能保證平臺樁基的安全。

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Bearing Capacity Inspection and Settlement Monitoring of Offshore Platform Pile Foundation

WANG Sheng-qiang（Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China），MA De-qiang,WANG Yan-bo，et al.

The pile foundation bearing capacity of an offshore platform in Bohai Bay was inspected and it was found that the bearing capacity of this platform was under the design value.Hence,a one-year settlement monitoring for the platform was carried out by using optical fiber gratings suitable for long period monitoring of offshore platform.The result indicated that there was no change in platform obliquity,thus the uneven settlement of the pile foundation did not happen and the platform was safe.It is suggested that the platform applica-tion henceforth should continuously be in accordance with the alarm conditions of the pile foundation monitoring,the upper loads on the platform should not increase at discretion and the active loads must be strictly controlled so as to ensure safety of the pile foundation

offshore platform；bearing capacity inspection；pile foundation；monitoring

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.05.004

王圣強(qiáng) （1981-），男，山東梁山人，工程師，2008年畢業(yè)于天津大學(xué)，獲得巖土工程碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事海洋平臺陸地建造及海上安裝工作。

2011-08-05；

2012-06-14