李 颯，蔣衍洋，周揚(yáng)銳，蔣寶凡

（1.天津大學(xué) 建工學(xué)院，天津 300072；2.中海油服油田 技術(shù)事業(yè)部勘察服務(wù)中心，天津 300451）

以樁基礎(chǔ)為主體的導(dǎo)管架平臺(tái)是開發(fā)海洋石油資源最主要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。在安裝時(shí)，鋼樁穿過(guò)導(dǎo)管架的導(dǎo)管插入土中，然后用液壓錘進(jìn)行打樁。近年來(lái)，海上工程的規(guī)模越來(lái)越大，樁基設(shè)計(jì)常采用大直徑、大長(zhǎng)度的鋼管樁。以渤海海洋平臺(tái)建造為例，目前的一些樁基設(shè)計(jì)長(zhǎng)度達(dá)到90m以上，樁徑也增大到2m以上。隨著基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物中大直徑超長(zhǎng)樁的頻繁出現(xiàn)，樁的可打入性成為人們普遍關(guān)注的問(wèn)題[1]。

在海上打樁過(guò)程中，由于各種原因可能會(huì)造成停錘。而停錘后經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)無(wú)法將樁體繼續(xù)打入的現(xiàn)象。后續(xù)打樁無(wú)法進(jìn)行的主要原因目前沒(méi)有確切的回答。由于樁體能否打入設(shè)計(jì)深度是打樁成敗的關(guān)鍵，因此對(duì)樁的可打入性的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)就成為打樁施工中的關(guān)鍵問(wèn)題。大量的工程實(shí)踐顯示，打入樁在安裝以及其后承載過(guò)程中周圍土性會(huì)發(fā)生較為明顯的變化。這種變化在打樁過(guò)程中主要表現(xiàn)為，在樁體周圍會(huì)產(chǎn)生很大的超靜孔隙水壓力，從而使有效應(yīng)力降低。有研究顯示，超靜孔隙水壓力在一倍樁徑范圍內(nèi)可以超過(guò)土體的上覆有效壓力[2－3]。打樁停止以后，孔壓會(huì)發(fā)生消散，而孔壓消散所需要的時(shí)間和距樁的水平距離的平方成比例[4]。隨著孔壓的消散，土體強(qiáng)度的恢復(fù)將導(dǎo)致樁體的承載力提高，樁體承載力的提高主要來(lái)自于側(cè)摩阻力的提高[5－8]。但也有研究認(rèn)為承載力的提高是由于土體的硬化而不是側(cè)摩阻力的提高[9]。目前，對(duì)于這一問(wèn)題的研究更多的是集中在打入樁承載力的時(shí)間效應(yīng)問(wèn)題上，很多學(xué)者通過(guò)室內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法力圖建立起承載力與時(shí)間因數(shù)之間的關(guān)系[9－13]。而對(duì)打樁過(guò)程對(duì)土體性質(zhì)的影響的研究則相對(duì)較少。打樁過(guò)程為一振動(dòng)過(guò)程，打樁產(chǎn)生的振動(dòng)不同于地震產(chǎn)生的地面振動(dòng)，也不同于由地面振源產(chǎn)生以面波為主的地面振動(dòng)。打樁產(chǎn)生的振動(dòng)波源，主要集中在樁端處一定范圍。打樁過(guò)程中，隨著樁尖入土深度的不同，振源的深度也同時(shí)發(fā)生變化，同時(shí)引起振源的頻率及振動(dòng)衰減特性也發(fā)生變化[14]。這種振動(dòng)效應(yīng)對(duì)土體性質(zhì)的影響不能簡(jiǎn)單地忽略不計(jì)。

為了對(duì)打樁過(guò)程中粘土的土性變化進(jìn)行研究，本文根據(jù)渤海海域36根樁的打樁記錄，對(duì)其中的粘性土土層的打樁記錄進(jìn)行了反分析，總結(jié)了打樁過(guò)程中粘土層中土阻力的變化特點(diǎn)，分析了這些特點(diǎn)產(chǎn)生的原因。同時(shí)利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)回歸得到粘土層強(qiáng)度衰減的規(guī)律，提出了進(jìn)行打樁分析時(shí)粘土層計(jì)算參數(shù)選取的方法，并通過(guò)一個(gè)實(shí)際工程對(duì)此進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 打樁過(guò)程中粘土層中土阻力的變化特點(diǎn)

根據(jù)36根樁的實(shí)測(cè)打樁記錄，發(fā)現(xiàn)在打樁過(guò)程中土阻力的變化特點(diǎn)在砂土和粘土中存在著較大的差別，反映在打樁記錄上，就是打樁所需能量的變化各具特點(diǎn)。圖1為某實(shí)際打樁記錄。通過(guò)圖1可以看到，在砂土中，特別是密實(shí)的砂土中，隨著深度的增加所需能量是不斷增加的，如圖中的3、11層。而粘土中，隨著深度的增加，打樁能量不但不增加，反而有減小的趨勢(shì)，其中第7層表現(xiàn)得尤為突出。在其他土層，比如砂土與粘土交疊層，情況比較復(fù)雜，如圖中2、5層。還有一些土層打樁記錄有突變存在，如第6和9層，第6層的突變根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記錄是由于停錘接樁造成的，而第9層的原因則不好判斷，有可能是因?yàn)榈刭|(zhì)勘查分層和實(shí)際有一定出入造成的。由此可見，雖然打樁所消耗的能量總的趨勢(shì)是隨著深度的增加而逐漸增大的，但是在不同的土層的當(dāng)中，其能量的變化存在著較大的差別。

圖1 某實(shí)測(cè)打樁記錄

將36根樁的打樁記錄進(jìn)行綜合分析，在進(jìn)行分析時(shí)，剔除情況不明的紀(jì)錄，如砂土與粘土交疊層和存在突變的土層。交疊層由于土性比較復(fù)雜，不具有代表性。還有一些存在突變的記錄由于不能確定其產(chǎn)生原因，也需要剔除，但是可以判斷原因的則予以保留。根據(jù)以上原則，以圖1為例，可用的土層記錄為1、3、4、6、7、8、10、11層。其中粘土層2個(gè)，其余為砂土層，他們分別位于土體的不同深度。在此地點(diǎn)共打入6根樁，而勘察資料唯一，因此所有6根樁在對(duì)應(yīng)土層形成一組數(shù)據(jù)。按照此方法，36根樁共得到35組砂土中的打樁記錄和22組粘土中的打樁記錄。

圖2和圖3為根據(jù)打樁記錄得到的典型的砂土和粘土中打樁能量隨深度的變化情況（圖中顯示的是同一地點(diǎn)6根樁在砂土和粘土中的打樁能量）。

根據(jù)對(duì)所有記錄的分析發(fā)現(xiàn)，上述各種現(xiàn)象在打樁中普遍存在，重點(diǎn)討論粘土層的情況。粘性土土層共計(jì)22組，其中18組打樁能量不但不隨深度的增加而增加，反而出現(xiàn)了減小的趨勢(shì)；3組數(shù)據(jù)不完整，趨勢(shì)不明顯；1組打樁能量隨深度增加而增大。這與在砂土層中，打樁能量隨深度增加而普遍有所增加有明顯的不同。

圖2 粘土中的打樁記錄

圖3 砂土中的打樁記錄

2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的區(qū)別及其原因分析

2.1 土阻力的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值

打樁記錄不能直接提供土阻力，而只是提供打樁時(shí)所用的錘擊數(shù)（能量），一般為每0.3m或0.5m的錘擊數(shù)。據(jù)此可以利用波動(dòng)方程反算土阻力，將此值作為回歸分析當(dāng)中土阻力的實(shí)測(cè)值。在分析中采用了GRLWEAP程序?qū)Υ驑哆^(guò)程中的土阻力進(jìn)行了計(jì)算。

同時(shí)，采用目前常用的預(yù)測(cè)土阻力的方法，根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)土阻力進(jìn)行了預(yù)測(cè)。打樁過(guò)程中的土阻力的計(jì)算方法和計(jì)算樁的豎向靜承載力的方法相似。打樁過(guò)程中土阻力是側(cè)摩阻力和樁端阻力之和，總側(cè)摩阻力為單位側(cè)摩阻力與樁入土側(cè)表面積之積。樁端阻力為單位樁端阻力與樁端承載面積之積。與計(jì)算樁的承載力不同的是，樁端阻力不受樁端阻力不能大于土塞所產(chǎn)生的內(nèi)摩阻力的限制，同時(shí)計(jì)算參數(shù)的選取也有所不同。

對(duì)于砂土，在打樁分析中，單位側(cè)摩阻力和單位樁端阻力的數(shù)值和計(jì)算靜承載力時(shí)的數(shù)值相同。

當(dāng)樁打入到粘土中時(shí)，在連續(xù)打樁過(guò)程中的單位側(cè)摩阻力和單位樁端阻力按下式進(jìn)行計(jì)算。

式中：Fdr為打樁過(guò)程中的單位側(cè)摩阻力或單位樁端阻力；Fp為經(jīng)驗(yàn)折減系數(shù)；p為靜承載力的單位側(cè)摩阻力或單位樁端阻力，其中，

式中OCR為超固結(jié)比。

圖4為一組粘土土阻力的實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值，其中直線為根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合得到的。從圖中可以看到根據(jù)現(xiàn)有方法得到的預(yù)測(cè)值和根據(jù)打樁記錄得到的實(shí)測(cè)值在變化趨勢(shì)上不一致。按照現(xiàn)有的計(jì)算方法，土阻力是隨著深度的增加而逐漸增加的，無(wú)法準(zhǔn)確反應(yīng)打樁過(guò)程中粘土層的土阻力減小的事實(shí)。由于在打樁預(yù)測(cè)中各層的預(yù)測(cè)誤差是逐漸疊加的，因此如果采用現(xiàn)有的計(jì)算方法，在粘土層比較深厚的地點(diǎn)進(jìn)行打樁預(yù)測(cè)就有可能帶來(lái)較大誤差。

圖4 粘土中打樁阻力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

2.2 土阻力的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值差異產(chǎn)生的原因分析

根據(jù)上述采用的打樁過(guò)程中土阻力的計(jì)算方法可以看出，在打樁過(guò)程土體中進(jìn)入某一土層的土阻力（用F表示），應(yīng)有以下幾部分組成，

其中，F(xiàn)up為此土層的上部所有土層的土阻力，F(xiàn)end為此土層的樁端阻力，F(xiàn)c1為此土層的樁側(cè)摩阻力。隨著樁體在這一土層的深入，如果假定在打樁過(guò)程中上部土層的土阻力和樁端阻力保持不變（目前計(jì)算打樁阻力普遍采用的假定條件），則在這一層土體當(dāng)中，

如果按照這一模式考慮土阻力，土阻力必定是沿深度不斷遞增的。

根據(jù)打樁過(guò)程中土阻力的組成（式（3）），如果打樁過(guò)程中土阻力出現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，則存在以下幾種可能，1）上部土層的土阻力或樁端阻力逐漸減小，側(cè)摩阻力不斷增加；對(duì)于上述情況還同時(shí)要求側(cè)摩阻力增加趨勢(shì)要小于上述兩者的減小趨勢(shì)。2）上部土層以及樁端阻力保持不變或減少較小，側(cè)摩阻力沒(méi)有增加或增加很小，甚至降低。此外，還有一種可能，就是出現(xiàn)了較大的負(fù)摩阻力。而打樁過(guò)程中，一般在卸荷和樁身回彈時(shí)才會(huì)在樁身上部引起負(fù)應(yīng)力[15]。因此在此不予考慮。

對(duì)于第1）種可能，隨著打樁地進(jìn)行，在動(dòng)力的持續(xù)作用下，上部土層所提供的土阻力會(huì)發(fā)生一定的減小，但綜合分析各場(chǎng)地的打樁記錄可以發(fā)現(xiàn)，不論位于地層的何種深度，打樁阻力隨深度減小的現(xiàn)象僅普遍出現(xiàn)在粘土層，而其余土層均極少觀察到這種現(xiàn)象。因此認(rèn)為這種現(xiàn)象的產(chǎn)生主要取決于粘土層本身而非外部土層。而對(duì)與開口管樁而言，當(dāng)不形成土塞時(shí)，樁端阻力所提供的土阻力相比于側(cè)摩阻力很小，基本上不存在其降低值大于側(cè)摩阻力的增加值的可能。而對(duì)于大直徑管樁（此次分析管樁直徑均大于1.5m）連續(xù)打樁情況下一般不會(huì)形成土塞。

因此，如果打樁過(guò)程中土阻力隨著深度的增加而減小，說(shuō)明打樁過(guò)程中粘土層中的側(cè)摩阻力增加量很小或基本保持不變，甚至有減小的趨勢(shì)。為了反映實(shí)際打樁的土阻力的特點(diǎn)，粘土中土阻力的計(jì)算模式可表示為下式，

即在粘土中打樁時(shí)，側(cè)摩阻力所提供的土阻力很小，可以忽略不計(jì)。土阻力主要來(lái)自于上部土層和本層的樁端阻力。

根據(jù)API規(guī)范，粘土中的樁端阻力為，

Su為粘土的不排水強(qiáng)度。

根據(jù)此模式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，關(guān)鍵要確定Fup，F(xiàn)end的數(shù)值。對(duì)于Fup仍沿用現(xiàn)在的常規(guī)方法，即上部土層的土阻力在本層打樁過(guò)程中保持不變。對(duì)于Fend，考慮到打樁的動(dòng)力效應(yīng)，此時(shí)，式（6）可以寫作，

（Su）cy為考慮動(dòng)力衰減后的土體的不排水強(qiáng)度值。

3 打樁過(guò)程中的土阻力的計(jì)算參數(shù)

確定計(jì)算模式后，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)打樁中粘土中的土阻力就需要確定相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)。在這里關(guān)鍵是確定不排水強(qiáng)度（Su）cy的數(shù)值。根據(jù)上述計(jì)算模式的分析，不排水強(qiáng)度的數(shù)值不能直接選用室內(nèi)試驗(yàn)的數(shù)值Su。Su會(huì)發(fā)生一定程度的衰減，其衰減程度可以采用式（2）進(jìn)行計(jì)算。

式（2）確定的折減系數(shù)為一常量，無(wú)法很好的描述實(shí)測(cè)結(jié)果。為此對(duì)22組粘土數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析。根據(jù)打樁記錄我們可以得到相應(yīng)土層的土阻力，而在粘土層中，土阻力由Fup、Fend兩部分組成，其中Fup，由于假定該土層的上部土體所產(chǎn)生的土阻力在本層的打樁過(guò)程中保持不變，因此可根據(jù)土阻力隨深度變化在記錄中直接獲得；而同時(shí)粘土層中的土阻力F也是已知的，由此也就得到了Fend的數(shù)值，并進(jìn)一步得到（Su）cy的數(shù)值。

由于這些土層位于地基的不同深度，因此采用實(shí)驗(yàn)室得到的該土層土體的不排水強(qiáng)度值進(jìn)行歸一化處理，即可得到圖5。需要說(shuō)明的是，圖中縱坐標(biāo)為 ΔSu／Su，其中 ΔSu＝ （Su）cy－Su。

圖5 粘土的ΔSu／Su隨土層厚度的變化

根據(jù)回歸結(jié)果可以得到，

通過(guò)上式可以看到，粘土層中不排水強(qiáng)度的衰減程度不大，根據(jù)上式，當(dāng)土層厚度達(dá)到10m時(shí)，（Su）cy＝0.68 Su，其衰減程度小于常用方法衰減程度（對(duì)正常固結(jié)土，常用方法衰減系數(shù)為0.5）。利用上式可以得到打樁過(guò)程中粘土層中 （Su）cy的數(shù)值，并將其帶入式（7），對(duì)打樁時(shí)粘土層中的土阻力進(jìn)行預(yù)測(cè)。

由此可以看到，在打樁過(guò)程中粘土的不排水強(qiáng)度存在著逐漸降低的趨勢(shì)，它是打樁過(guò)程的動(dòng)力效應(yīng)的直接反應(yīng)。為了對(duì)動(dòng)力效應(yīng)對(duì)粘土不排水強(qiáng)度的影響作出評(píng)價(jià)，研究了粘土的不排水強(qiáng)度（Su）cy與捶擊數(shù)之間的關(guān)系。

將打樁過(guò)程看作是土體承受循環(huán)荷載的過(guò)程，錘擊數(shù)相當(dāng)于振動(dòng)次數(shù)，采用土動(dòng)力學(xué)理論來(lái)探討粘性土在打樁過(guò)程中的變化。對(duì)于正常固結(jié)飽和粘土，其在不排水循環(huán)應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生超孔壓，使固結(jié)應(yīng)力減小，其結(jié)果類似土體卸荷回彈產(chǎn)生超固結(jié)。將循環(huán)荷載作用后土樣有效應(yīng)力的減少稱為等效超固結(jié)，應(yīng)力比稱為等效超固結(jié)比OCReq，其定義式為式（9）。所不同的是，孔隙比沒(méi)有發(fā)生變化[16]。

在循環(huán)荷載作用下，粘土的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，循環(huán)荷載作用下的（Su）cy和Su的關(guān)系可以用下式表示[17]，

其中，

式中：OCReq為等效超固結(jié)比。Cs，Cc為土的再壓縮和壓縮指數(shù)，Λ0為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，Ip為土的塑性指數(shù)。根據(jù)等效超固結(jié)比的定義

其中u為孔隙水壓力，σv0′為有效上覆壓力，為孔壓比，而循環(huán)荷載作用下的孔壓比是振次n的函數(shù)，即[18]，

式中：N為振次。因此式（10）可以寫為如下形式，

根據(jù)上述推導(dǎo)可見，（Su）cy和振次N，土的靜抗剪強(qiáng)度Su，土的塑性指數(shù)Ip有關(guān)。其中Su和Ip由粘土自身性質(zhì)決定。因此，（Su）cy和振次N（在這里錘擊數(shù)即為振動(dòng)次數(shù)）存在唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)打樁記錄可以得到ΔSu／Su隨錘擊數(shù)的變化，見圖6。

圖6 粘土的ΔSu／Su隨錘擊數(shù)的變化

根據(jù)數(shù)據(jù)，通過(guò)擬和得到如下公式，

上式為渤海海域打樁記錄的擬和結(jié)果，根據(jù)上述關(guān)系，如果掌握實(shí)測(cè)的打樁記錄，可以預(yù)估打樁完成時(shí)的粘土的土體強(qiáng)度。這一關(guān)系反應(yīng)了打樁的動(dòng)力效應(yīng)對(duì)粘土性質(zhì)的影響。

4 工程驗(yàn)證

通過(guò)上述分析，建立了粘土中土阻力的計(jì)算模式和參數(shù)選取方法，為了評(píng)價(jià)這種方法的可靠性，利用一個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證。

選擇渤海某實(shí)際工程進(jìn)行了計(jì)算。某導(dǎo)管架平臺(tái)位于渤海海域，工作水深14m。平臺(tái)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為6根樁基礎(chǔ)，每根樁由4段樁體組成。第1段樁樁長(zhǎng)50m，壁厚32mm；第2段樁樁長(zhǎng)35m，壁厚32mm；第3段樁樁長(zhǎng)26m，壁厚60mm；第4段樁樁長(zhǎng)14m，壁厚50mm。樁徑均為1.524m。

工程所在地的土體情況見表1。

表1 土層狀況

此工程所在地粘土層較多，粘土的總厚度達(dá)到樁入土深度的40%左右。分別采用現(xiàn)有的常規(guī)方法（見3.1）和本文提出的方法，即忽略粘土的側(cè)摩阻力，不排水強(qiáng)度按式（8）取值，分別計(jì)算打樁的土阻力并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，見圖7。

圖7 打樁實(shí)測(cè)記錄與不同方法的計(jì)算值

從圖中可以看出，在20m以上由于是砂土，方法的修正對(duì)計(jì)算結(jié)果沒(méi)有影響。20m以下粘土層的存在計(jì)算修正的影響開始顯現(xiàn)。采用原有的計(jì)算方法得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差最大的地方出現(xiàn)在40～55m左右。此處為一較厚的粘土層（43～57m），對(duì)于現(xiàn)行方法，自此計(jì)算誤差開始加大。而利用本文提出的修正方法在此粘土層得到的預(yù)測(cè)值和實(shí)際的打樁記錄更加接近，取得了較好的效果。而此后由于粘土層誤差的降低，計(jì)算值和實(shí)測(cè)值吻合較好。由此可見，利用波動(dòng)方程對(duì)打樁過(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)，由于計(jì)算過(guò)程中，各個(gè)土層計(jì)算所造成的誤差將產(chǎn)生累加。如果在土層中粘土層所占的比例較小，這種誤差也會(huì)比較小，但是，如果粘土層較多，所產(chǎn)生的誤差就會(huì)對(duì)最終結(jié)果帶來(lái)比較大的影響。

5 結(jié) 論

通過(guò)上述分析可以得到如下結(jié)論：

1）在打樁過(guò)程，由于振動(dòng)的影響，土阻力隨著土層的不同會(huì)發(fā)生明顯的變化。雖然打樁所消耗的能量總的趨勢(shì)是隨著深度的增加而逐漸增大的，但是在不同的土層的當(dāng)中，其能量的變化存在著很大的差別。

2）在粘土層進(jìn)行打樁時(shí)，打樁阻力不但不隨深度的增加而增加，反而出現(xiàn)了減小的趨勢(shì)；這與在砂土層中，打樁阻力隨深度增加而普遍有所增加有明顯的不同。

3）在連續(xù)打樁過(guò)程中，粘土層中其側(cè)摩阻力可以忽略不計(jì)，同時(shí)，粘土層的強(qiáng)度在打樁過(guò)程中持續(xù)降低，這一特點(diǎn)反映了打樁動(dòng)力效應(yīng)的影響。

4）將打樁過(guò)程看作是循環(huán)荷載作用時(shí)，粘土的不排水強(qiáng)度和捶擊數(shù)存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，它們之間可以用指數(shù)形式進(jìn)行擬合。

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