中海石油上海分公司

黏土中打樁動(dòng)力過(guò)程對(duì)樁基的影響

張樹(shù)德中海石油上海分公司

大直徑超長(zhǎng)鋼管樁被越來(lái)越多地應(yīng)用于海洋工程中，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)樁的可打入性是保證海上安全施工的重要條件。根據(jù)我國(guó)某平臺(tái)打樁的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)黏土中打樁過(guò)程土阻力的衰減和承載力的恢復(fù)進(jìn)行了研究。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)打樁記錄，采用波動(dòng)方程計(jì)算打樁過(guò)程中的土阻力。在打樁過(guò)程中，黏土的土阻力可衰減至其承載力的10%左右，雖然黏土強(qiáng)度在打樁過(guò)程中產(chǎn)生了明顯的衰減，但其同時(shí)又具有較高的恢復(fù)能力?，F(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式無(wú)法真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在進(jìn)行樁的可打入性分析以及樁基承載力評(píng)估時(shí)，要充分考慮黏土的特點(diǎn)，慎重使用經(jīng)驗(yàn)公式，按照當(dāng)?shù)氐膶?shí)際工程經(jīng)驗(yàn)選取合理的計(jì)算參數(shù)。在條件允許的情況下，應(yīng)該采用復(fù)打的方法對(duì)樁基承載力進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估。

黏土；打樁；土阻力；柱基承載力；評(píng)估

海洋工程大直徑、超長(zhǎng)鋼管樁的可打入性以及打樁后樁基承載力的評(píng)估，是影響工程建設(shè)的重要因素[1]。

工程實(shí)踐表明，打樁過(guò)程中周?chē)馏w會(huì)發(fā)生較為明顯的變化[2-3]。在黏土層中進(jìn)行打樁時(shí)，樁周原狀土體結(jié)構(gòu)受到一定程度的破壞。打樁結(jié)束后，土體強(qiáng)度漸漸恢復(fù)，恢復(fù)的過(guò)程具有時(shí)效性。為此，根據(jù)我國(guó)某平臺(tái)打樁的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)黏土中打樁過(guò)程土阻力的衰減和承載力的恢復(fù)進(jìn)行了研究。

1　打樁過(guò)程中土阻力的計(jì)算

在對(duì)樁的可打入性進(jìn)行分析時(shí)，需要計(jì)算打樁過(guò)程中的土阻力。大直徑管樁在打樁過(guò)程中，往往認(rèn)為不發(fā)生閉塞，在黏土層中連續(xù)打樁時(shí)采用Semple和Gemeinhardt等人提出的方法[4]確定單位側(cè)阻力

式中 fdr為打樁時(shí)單位側(cè)阻力（kN）； f為樁基承載力中的單位側(cè)阻力（kN）；Fp為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，F(xiàn)p由式（2）確定

式中OCR為土體的超固結(jié)比。

對(duì)于正常固結(jié)黏土，即OCR=1.0時(shí)，打樁過(guò)程中的土阻力可表示為

式中Sunc為黏性土正常固結(jié)條件下的不排水抗剪強(qiáng)度（kPa）；Su為黏性土實(shí)際不排水抗剪強(qiáng)度（kPa）；As為樁體側(cè)表面積（m2）； AP為樁端面積（m2）。

在打樁過(guò)程中考慮黏土強(qiáng)度的弱化，其折減系數(shù)一般取為0.5。

2　工程背景

某工程平臺(tái)區(qū)水深約63m；樁基采用開(kāi)口鋼管樁，直徑2.134m，共8根，分布在四個(gè)角；樁長(zhǎng)115.5m；最終入泥93m；樁最大壁厚65mm，最小壁厚45mm；在入泥深度范圍內(nèi)黏土厚度達(dá)到85m。

從現(xiàn)場(chǎng)打樁記錄及打樁所用總能量可以看出，現(xiàn)場(chǎng)打樁最后1m的錘擊數(shù)在20擊左右，打樁所用的總能量不超過(guò)500MJ。打樁總能量見(jiàn)圖1。

圖1　打樁總能量

3　利用波動(dòng)方程計(jì)算打樁阻力

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)打樁記錄，采用波動(dòng)方程計(jì)算打樁過(guò)程中的土阻力。圖2為計(jì)算得到的本工程錘擊數(shù)與土阻力的關(guān)系曲線，根據(jù)圖2曲線以及現(xiàn)場(chǎng)打樁記錄可以得到打樁土阻力沿深度的分布。

圖2　捶擊數(shù)與土阻力關(guān)系曲線

由土阻力與深度關(guān)系曲線可以看出，打樁過(guò)程中的土阻力要遠(yuǎn)小于樁基的承載力。當(dāng)黏土的折減系數(shù)選擇為0.5時(shí)，其預(yù)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果有較大的差異；當(dāng)選擇0.1的折減系數(shù)時(shí)則與實(shí)際情況相符合。

4　樁基承載力的恢復(fù)

目前對(duì)于樁基承載力的恢復(fù)有很多經(jīng)驗(yàn)公式，其中最為常用的為Skov和Denver等人提出的以下經(jīng)驗(yàn)公式[5]

式中 A和 t0為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，在黏土中t0一般取1.0， A取0.6（Skov和Denver等人在黏土中的推薦值）；Q0為打樁結(jié)束時(shí)的承載力；Qt為打樁結(jié)束后時(shí)間為t時(shí)的承載力。

按照上述公式以及參數(shù)推薦值計(jì)算得到的打樁結(jié)束后90天的承載力僅能達(dá)到17.4MN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)要求。

為了進(jìn)一步評(píng)估樁基承載力，對(duì)其中兩根樁在打樁結(jié)束后9.5、48、86h以及打樁結(jié)束后90天，分別進(jìn)行了復(fù)打。同樣采用波動(dòng)方程對(duì)復(fù)打記錄進(jìn)行分析，得到了復(fù)打時(shí)間點(diǎn)的土阻力的均值，分別為16、33、32、42MN。從以上數(shù)值可以看出，在打樁結(jié)束后不到10個(gè)小時(shí)，樁基承載力的恢復(fù)已接近公式預(yù)測(cè)打樁結(jié)束后90天的承載力預(yù)測(cè)值。

根據(jù)打樁結(jié)束時(shí)各個(gè)樁的土阻力以及復(fù)打得到的土阻力，可以得到樁基承載力隨時(shí)間的變化關(guān)系，見(jiàn)圖3。如果按照Skov和Denver等人提出的公式進(jìn)行擬合，在t0=1.0的條件下， A取值為1.2，是Skov和Denver推薦值的2倍，且其變化趨勢(shì)與經(jīng)驗(yàn)公式也有明顯的差異。

圖3　承載力隨時(shí)間的變化關(guān)系

5　結(jié)論

打樁過(guò)程中的土阻力以及樁基承載力的評(píng)估是海上安全施工以及保證平臺(tái)安全運(yùn)行的關(guān)鍵。在以黏土為主的土層當(dāng)中進(jìn)行打樁，土體強(qiáng)度會(huì)發(fā)生明顯的弱化，在打樁結(jié)束后的一段時(shí)間其強(qiáng)度又會(huì)明顯恢復(fù)。

目前常用的有關(guān)考慮黏土強(qiáng)度折減的土阻力預(yù)測(cè)公式以及考慮樁基時(shí)間效應(yīng)的承載力恢復(fù)公式，在本項(xiàng)目中均與實(shí)際結(jié)果存在較大的差異，無(wú)法真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。

實(shí)際工程表明，在打樁過(guò)程中，土阻力中黏土強(qiáng)度的發(fā)揮僅為設(shè)計(jì)值的10%；在打樁結(jié)束后10個(gè)小時(shí)內(nèi)，樁基承載力即有明顯的恢復(fù)；在打樁結(jié)束后90天，樁基承載力接近其設(shè)計(jì)值。因此在實(shí)際工程中應(yīng)該考慮黏土特點(diǎn)，慎重使用經(jīng)驗(yàn)公式，按照當(dāng)?shù)氐膶?shí)際工程經(jīng)驗(yàn)選取合理的計(jì)算參數(shù)。在條件允許的情況下，應(yīng)該采用復(fù)打的方法對(duì)樁基承載力進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估。

[1]陳寶潔，海洋平臺(tái)安全建造管理[J]．油氣田地面工程，2013，32（9）：13-14.

[2]姜龍，預(yù)制樁的沉樁阻力分析[J]．油氣田地面工程，2007，26 （8）：48-50.

[3]李颯，韓志強(qiáng)，楊清俠，等．海洋平臺(tái)大直徑超長(zhǎng)樁成樁機(jī)理研究[J]．工程力學(xué)，2010，27（8）：241-245.

[4]SempleRM，GemeinhardtJP．Stresshistoryapproachtoanalysis ofsoilresistancetopiledriving[C]//OffshoreTechnologyConference．Houston：OTC，1981：11-21.

[5]SkovR，DenverH．Time-dependenceofbearingcapacityofpiles [C]//Proc3rdIntConfAppStress-waveTheorytoPiles．Ottawa：BiTechPublishers，1988：879-888.

13920746863、lisa@tju.edu.cn

（欄目主持樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.036

張樹(shù)德：高級(jí)工程師，主要從事海洋建筑物的設(shè)計(jì)及建造等方面的工作。

2015-04-21