黃懷州，張孝衛(wèi)，劉玉璽，賈沼霖，閆澍旺

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

2.天津大學(xué)建工學(xué)院，天津 300072

海洋工程大直徑長(zhǎng)樁自由入泥深度計(jì)算研究

黃懷州1，張孝衛(wèi)1，劉玉璽1，賈沼霖2，閆澍旺2

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

2.天津大學(xué)建工學(xué)院，天津 300072

海洋工程大直徑長(zhǎng)樁在就位后置錘的瞬間會(huì)發(fā)生自沉，校核土面以上部分的樁段在錘和樁的自重作用下發(fā)生屈曲失穩(wěn)的可能性是樁可打入性分析的一個(gè)重要步驟。文章根據(jù)土力學(xué)的極限承載力理論，在分別介紹了樁自由入泥深度計(jì)算方法、樁端阻力計(jì)算方法、樁自由入泥深度判斷方法的基礎(chǔ)上，提出了計(jì)算樁自由下沉深度的評(píng)估方法。工程實(shí)例計(jì)算表明，該評(píng)估方法與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，可用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

海洋工程；大直徑長(zhǎng)樁；自由下沉深度；極限承載力；屈曲失穩(wěn)

Keywords：

offshore engineering;free penetration depth;bearing capacity;buckling

0 引言

隨著海洋石油天然氣開(kāi)采逐漸向深海發(fā)展，深海基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)物中出現(xiàn)了大直徑、超長(zhǎng)的打入樁，所用樁錘的重量和能量也越來(lái)越大（如 I HC S-1200 型液壓錘的錘重力達(dá) 1 600 kN 以上），所面臨的施工環(huán)境條件（如海流、波浪、大風(fēng)）也更加嚴(yán)酷。這給工程設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求，即必須確保所設(shè)計(jì)的施工設(shè)備組合（樁錘）在嚴(yán)酷的環(huán)境中能順利地把樁打入到設(shè)計(jì)的貫入深度。要做到這一點(diǎn)，首先必須保證打樁系統(tǒng)自身滿足穩(wěn)定性要求，即需保證錘置于樁頂?shù)乃查g，樁在系統(tǒng)自重及環(huán)境荷載作用下應(yīng)能滿足穩(wěn)定性要求，一般稱之為樁的自由站立穩(wěn)定性分析。分析方法類似于壓桿穩(wěn)定分析，即將泥面視為固端，分析泥面以上的樁體在樁自重和錘重作用下的穩(wěn)定性：其一，沉入土中的樁段能否對(duì)泥面以上的樁段起到固端的作用；其二，泥面以上的樁段是否滿足自身穩(wěn)定的長(zhǎng)細(xì)比要求。這兩個(gè)問(wèn)題都與樁在自重和錘重作用下的自由入泥深度有關(guān)，而自由入泥深度主要由地基土對(duì)樁的下沉阻力決定。

海洋工程大直徑樁在置錘的瞬間，在錘和樁的自重作用下，樁會(huì)下沉到泥面以下幾米甚至幾十米深的土層內(nèi)，直到樁周土阻力與上述自重達(dá)到平衡，此時(shí)樁的入泥深度稱為樁的自由入泥深度。在計(jì)算中，過(guò)高地估計(jì)樁的自由入泥深度會(huì)使樁的自由站立穩(wěn)定分析結(jié)果偏于危險(xiǎn)。自由站立穩(wěn)定分析主要是計(jì)算土面以上的樁體在樁自重和錘重的作用下發(fā)生屈曲的可能性，是校核樁可打入性的一個(gè)重要指標(biāo)。因此，比較準(zhǔn)確地估算樁的自由入泥深度非常重要[1]。

目前還沒(méi)有較成熟的方法用于計(jì)算樁的自由入泥深度和溜樁，大多是套用API規(guī)范[2]的樁基承載力計(jì)算方法，還有的是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，因此得到的結(jié)果往往與實(shí)際工程情況有較大的偏差。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，主要問(wèn)題是對(duì)樁端阻力的估算不準(zhǔn)確。

目前對(duì)于樁承載力的設(shè)計(jì)計(jì)算方法都是基于保守的考慮，海洋工程常用的 API 規(guī)范[2]也如此。這對(duì)于結(jié)構(gòu)物在使用期間的安全性無(wú)疑是有利的，但如果用這些方法來(lái)考慮樁的自由入泥深度和溜樁，則會(huì)產(chǎn)生不利的結(jié)果。例如，如果用 API 規(guī)范計(jì)算承載力的公式來(lái)估算初始階段樁重與錘重共同作用下的樁自由入泥深度，就會(huì)得出入泥過(guò)深的結(jié)果，而實(shí)際的樁自由站立長(zhǎng)度就會(huì)大于設(shè)計(jì)值，從而增加了樁產(chǎn)生屈曲的可能性。

對(duì)于表層為較深厚的軟黏土情況，樁的自由入泥深度較深，因此泥面以上的懸空段相對(duì)較短，一般不存在自由站立的穩(wěn)定性問(wèn)題。對(duì)于表層土比較堅(jiān)硬的砂土情況，就容易出現(xiàn)問(wèn)題。本文采用土力學(xué)中計(jì)算樁基極限承載力的方法來(lái)估算樁的入泥深度，計(jì)算結(jié)果比較合理。計(jì)算實(shí)例表明，估算結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較接近。

1 樁自由入泥深度的計(jì)算方法

1.1 樁側(cè)摩阻力的計(jì)算方法

API 規(guī)范推薦的樁側(cè)摩阻力的計(jì)算方法考慮了在樁下沉或打入過(guò)程中，樁側(cè)摩阻力會(huì)有所折減。折減程度取決于土本身的抗擾動(dòng)特性及擾動(dòng)因素的強(qiáng)弱。對(duì)于地基表層有較深厚軟土層的情況，樁側(cè)摩阻力在樁下沉運(yùn)動(dòng)（自沉或打入）時(shí)會(huì)有較大的折減[3]。在很多海域，地表是由粉質(zhì)黏土和粗粒土（粉土和砂）組成的硬殼層，樁在自由下沉過(guò)程中，樁側(cè)摩阻力可直接按 API 規(guī)范推薦的方法計(jì)算：

（1）進(jìn)入黏土中樁單位面積側(cè)摩阻力f：

式中α——量綱為 1 的系數(shù)；

c——相應(yīng)點(diǎn)土的不排水抗剪強(qiáng)度。

系數(shù)α可用式（2）計(jì)算：

式中φ——c／p′o的相應(yīng)點(diǎn)；

p′o——相應(yīng)點(diǎn)的有效覆蓋土壓力／kPa。

（2）進(jìn)入砂土中樁單位面積側(cè)摩阻力對(duì)于非黏性土中的鋼管樁，其樁側(cè)摩阻力可用式（3）計(jì)算：

式中k—— 橫向地基壓力系數(shù)；

δ—— 土與樁壁之間的外摩擦角。

1.2 樁端阻力的計(jì)算方法

對(duì)于大直徑的長(zhǎng)樁，由于重量很大，因此無(wú)論自由下沉還是溜樁，它最后都會(huì)停止在樁端部承載力較高的砂土層中。對(duì)于在砂土中的樁端承載力，一般都是用樁端管壁橫截面的面積乘以單位面積樁端承載力來(lái)計(jì)算。對(duì)于單位面積的樁端承載力q，API 標(biāo)準(zhǔn)給出的計(jì)算公式為：

式中p0——樁端處的有效上覆壓力／kPa；

Nq——無(wú)量綱承載力系數(shù)，可從 API 規(guī)范中查得。

需要注意的是，為了保證設(shè)計(jì)安全，API 規(guī)范中推薦的Nq值是保守值，由此算得的結(jié)果用于樁的下沉分析偏于危險(xiǎn)。因此對(duì)于下沉問(wèn)題的分析，應(yīng)采用比較符合下沉真實(shí)受力狀態(tài)的極限承載力來(lái)分析。

在土力學(xué)中，計(jì)算樁端單位面積極限承載力的公式有太沙基公式（1943年）、邁耶霍夫公式（1951年）、別列柴策夫公式（1961年）等。其中別列柴策夫公式適用于板樁的極限承載力計(jì)算，因此也比較適用于計(jì)算樁壁形成的環(huán)狀基礎(chǔ)承載力。

別列柴策夫公式假定的破壞模式如圖1所示[4]，別列柴策夫提出的基底極限承載力計(jì)算公式由下列兩個(gè)式子組成：

式中qu——基底極限承載力／kPa；

qD——基底平面處土的超載／kPa；

Nq,Nγ——承載力系數(shù)，可根據(jù)基底下土的內(nèi)摩擦

角 從圖2查得；

γ′——土體浮容重／（kN/m3）；

B——基礎(chǔ)寬度／m；

αγ——衰減系數(shù)，可從表1查得；

γ0——基底平面以上土體天然容重／（kN/m3）；

D——基礎(chǔ)埋深／m。

圖1 別列柴策夫方法的破壞模式

圖2 別列柴策夫方法的承載力系數(shù)

表1 衰減系數(shù)γ

表1 衰減系數(shù)γ

基礎(chǔ)深度罐壁厚度t/mm H/m 5 10 20 30 50 70 25 0.73 0.61 0.47 0.37 0.27 0.22 30 0.77 0.67 0.57 0.50 0.41 0.39 35 0.81 0.74 0.67 0.63 0.59 0.57 40 0.85 0.79 0.75 0.73 0.7 0.69

計(jì)算中需要用到土的內(nèi)摩擦角，可由勘察單位提供。在缺少資料的情況下可依據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》[5]中提供的土的平均物理、力學(xué)指標(biāo)來(lái)選用內(nèi)摩擦角。總結(jié)得到的砂性土內(nèi)摩擦角見(jiàn)表2。

當(dāng)樁的下沉力大于樁端土極限承載力時(shí)樁才會(huì)下沉，而地勘報(bào)告中給出的計(jì)算樁基承載力的單位樁端阻力一般用于設(shè)計(jì)阻力計(jì)算，因而偏于保守，如果選用這樣的計(jì)算參數(shù)分析自由貫入和溜樁，都是偏于危險(xiǎn)的。

表2 砂土的平均內(nèi)摩擦角指標(biāo)

1.3 樁自由入泥深度的判斷

土對(duì)樁自由下沉的總阻力為樁側(cè)阻力（包括樁內(nèi)側(cè)阻力和樁外側(cè)阻力）與樁端阻力之和：

式中Qd——土對(duì)樁的總的阻力/kN；

Qf——樁側(cè)摩阻力/kN；

Qp——樁端環(huán)狀基礎(chǔ)的承載力/kN；

f——單位面積樁側(cè)摩阻力/kPa；

As——樁內(nèi)、外側(cè)總表面積/m2；

q——單位面積樁端承載力/kPa；

Ap——樁段環(huán)狀基礎(chǔ)面積/m2。

樁的自由入泥深度可通過(guò)比較樁總重（樁重＋錘重）與土對(duì)樁下沉的阻力大小來(lái)判斷?？偟南鲁亮闃蹲灾嘏c錘重之和：

式中Wp——樁自重/kN；

Wh——錘重/kN；

F——樁的下沉力/kN。

在樁的自由下沉停止處，應(yīng)滿足平衡條件:

2 工程算例

南海某油田土層的物理力學(xué)參數(shù)如表3所示，樁的設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。錘型為 MHU 1200，錘重與樁重之和為 8 075 kN。計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表3 各土層的物理力學(xué)參數(shù)

表4 樁的設(shè)計(jì)參數(shù)

由表5可以看到，在深度為 11.1 ～ 14.0 m 的粉砂層中，土對(duì)樁的總阻力由層頂?shù)?4 339.7 kN 增加到層底的9 214.9 kN，與下沉力F= 8 075 kN 相比，可推知樁的最大自由下沉深度即在此土層中。插值計(jì)算結(jié)果表明，樁的自由下沉深度為 12.2 m，這與實(shí)測(cè)的 12 m 非常接近。如果按API 規(guī)范取值計(jì)算，則計(jì)算的自由入泥深度在 18 m 以上。

表5 樁自由下沉深度的計(jì)算結(jié)果

3 工程應(yīng)用

基于上述算法與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合度較高，故采用該算法對(duì)麗水工程鋼樁的自由入泥深度、溜樁區(qū)間進(jìn)行了預(yù)測(cè)。錘型為 1200型，樁重力為 4 349.2 kN，樁與錘的重力之和為 5 987.2 kN。麗水工程的土層勘察數(shù)據(jù)見(jiàn)表6，樁的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表7，樁身自由入泥深度的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

表6 麗水工程各土層物理力學(xué)參數(shù)

表7 麗水工程樁的設(shè)計(jì)參數(shù)

表8 麗水工程樁身自由入泥深度的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)樁側(cè)摩阻力和樁端阻力的計(jì)算結(jié)果，可算得樁的自由入泥深度為 13 m，與實(shí)測(cè)結(jié)果 14.1 m 較為吻合，再次印證了該方法的實(shí)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

海洋工程大直徑長(zhǎng)樁在就位后置錘的自由下沉深度，對(duì)于校核在土面以上部分的樁段在錘和樁的自重作用下的穩(wěn)定性是非常重要的，此時(shí)樁的穩(wěn)定性主要受樁在土面以上長(zhǎng)度的制約。本文根據(jù)土力學(xué)的極限承載力理論提出了計(jì)算樁的自由下沉深度的評(píng)估方法，工程應(yīng)用實(shí)例表明，該方法與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，可以用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

[1]Stevens R F,Wiltsie E A,Turton T H.Evaluating Pile Drivability for Hard Clay,Very Dense Sand and Rock[A].Proceedings of 14th Annual Offshore Technology Conference [C].Houston,Texas:OTC,1982.Vol.1,65-481.

[2]API RP 2A,Recommended Practice for Planning,Designing,and Constructing Fixed Offshore Platforms — Working Stress Design 21st Edition（2007）[S].

[3]Dover A R,Davidson J.Large Diameter Steel Pipe PilesRunning Under Self Weight In Soft Clay Predicted vs.Observed Behavior Richmond-San Rafael Bridge Seismic Retrofit.ASCE Ports 2007:30 Years of Sharing Ideas:1977-2007 [A].11th Triennial International Conference on Ports [C].San Diego,CA.American Society of Civil Engineers,2007.1-10.

[4]錢家歡，殷宗澤.土工原理與計(jì)算（第二版）[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1996.338-339.

[5]《工程地質(zhì)手冊(cè)》編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)（第三版） [M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1992.

Research on Free Penetration Depth of Large Diameter and Long Pile in Offshore Engineering

Huang Huaizhou1,Zhang Xiaowei1,Liu Yuxi1,Jia Zhaolin2,Yan Shuwang2
1.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.，Tianjin 300451,China
2.School of Civil engineering ,Tianjin University,Tianjin 300072,China

The large diameter and long pile used in offshore engineering will penetrate into the soil to a certain depth after it is located with the hammer on the top.The stability of the pile section remaining in the air has to be checked in the design stage,which is subject to the weight of the hammer and the self-weight of the pile and has buckling possibility.Therefore,it is important to estimate the pile penetration depth accurately.In this paper,a calculation method is put forward for estimating the free penetration depth of pile based on the bearing capacity theory in soil mechanics.This method has been used in a practical project and the results agree well with the observed data.

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.005

黃懷州（1977-），男，河北邯鄲人，工程師，2004年畢業(yè)于大連理工大學(xué)船舶與海油工程系，碩士，現(xiàn)從事海洋工程平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和管理工作。

2013-08-12