秦立成，李宏，于文太，何敏，冷志

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452

2.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京100034

荔灣3-1平臺(tái)水下樁基動(dòng)力檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

秦立成1，李宏2，于文太1，何敏1，冷志1

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452

2.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京100034

荔灣3-1中心處理平臺(tái)位于水深189.5 m處，平臺(tái)基礎(chǔ)為帶16根樁的群樁結(jié)構(gòu)，每根鋼樁質(zhì)量754 t、直徑2 743 mm、長(zhǎng)度158 m、入泥深度135 m、設(shè)計(jì)承載力130 MN。該樁基工程具有土層地質(zhì)條件復(fù)雜、施工難度大、工程造價(jià)高等特點(diǎn)，在鋼樁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、樁可打入性分析及具體打樁施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)方面面臨很多問(wèn)題。為保證荔灣3-1中心處理平臺(tái)鋼樁的順利打入，需要進(jìn)行水下樁施工檢測(cè)，檢測(cè)施工過(guò)程中鋼樁的受力狀態(tài)、打樁錘的效率傳遞等，以期獲得真實(shí)可靠的樁基承載力數(shù)據(jù)。采用的樁基高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)技術(shù)和檢測(cè)結(jié)果有效地指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)施工，并為類似水下鋼樁動(dòng)力檢測(cè)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

荔灣3-1平臺(tái)；高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)；樁基工程；承載力

0 引言

荔灣3-1中心處理平臺(tái)位于我國(guó)南海水深189.5m處，其導(dǎo)管架為8腿導(dǎo)管架，質(zhì)量約32 000 t，外4腿的群樁套筒各帶4根鋼樁，其中每根鋼樁質(zhì)量為754 t、直徑為2 743 mm、長(zhǎng)度為158 m、入泥深度為135 m，最終的設(shè)計(jì)承載力為130 MN。該平臺(tái)工程樁的樁身長(zhǎng)、直徑超大、施工難度也大，并且樁基所處地層地質(zhì)條件復(fù)雜，因而在沉樁過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生拒錘、樁身?yè)p壞等現(xiàn)象。因此，必須尋求一種合理、可行、可靠的方法檢測(cè)出在沉樁過(guò)程中樁身是否損壞；檢驗(yàn)因拒錘鋼樁入泥深度未能達(dá)到設(shè)計(jì)入泥深度時(shí)，或者鋼樁入泥深度達(dá)到設(shè)計(jì)入泥深度時(shí)，樁的承載力是否滿足工程要求。因此本文嘗試采用高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)技術(shù)對(duì)海洋平臺(tái)水下樁基沉樁過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)。高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)是用重錘沖擊樁頂，使樁周土產(chǎn)生塑性變形，實(shí)測(cè)的力和速度時(shí)程曲線將全面反映地基土對(duì)樁的阻力作用和樁身力學(xué)阻抗的變化，通過(guò)波動(dòng)理論分析得到樁土體系有關(guān)性狀[1]。高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)技術(shù)具有方便快捷、受測(cè)試條件約束少、試驗(yàn)數(shù)據(jù)豐富、檢測(cè)費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)[2]。

國(guó)內(nèi)已開(kāi)展的高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究基本上都是針對(duì)陸地樁基進(jìn)行的，而對(duì)海洋平臺(tái)水下樁基的動(dòng)測(cè)研究尚屬首次，本文針對(duì)海洋平臺(tái)樁基施工的特殊情況，對(duì)荔灣3-1平臺(tái)的打樁進(jìn)行了高應(yīng)變動(dòng)力檢測(cè)，驗(yàn)證了此平臺(tái)樁基的初打承載力并推算最終承載力，監(jiān)測(cè)了鋼樁本身的完整性，檢驗(yàn)了錘擊能量的傳遞效率等。檢測(cè)和分析結(jié)果為水下樁基設(shè)計(jì)和施工提供了參考依據(jù)。

1 高應(yīng)變動(dòng)力測(cè)樁法的分析理論

本文采用CASE法和CAPWAP法作為高應(yīng)變動(dòng)力測(cè)樁法的分析理論，CASE法可現(xiàn)場(chǎng)估算單樁承載力，CAPWAP法通過(guò)建立相對(duì)完善的樁-土力學(xué)模型，可進(jìn)行曲線擬合。

1.1 CASE法

CASE法計(jì)算簡(jiǎn)單，在現(xiàn)場(chǎng)就可以根據(jù)下式計(jì)算出單樁承載力：

式中Rs——CASE法計(jì)算的單樁承載力；

Jc——CASE法阻尼系數(shù)；

t1、t2——分別為速度第一峰值、第二峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻；

F（t1）、F（t2）——分別為t1、t2時(shí)刻對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)處實(shí)測(cè)的捶擊力；

V（t1）、V（t2）——分別為t1、t2時(shí)刻對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)處實(shí)測(cè)的速度；

Z——樁身阻抗；

L——測(cè)點(diǎn)以下樁長(zhǎng)；

C——樁身應(yīng)力波波速；

A——樁身截面積；

E——樁的彈性模量。

1.2 CAPWAP法

CAPWAP法是實(shí)測(cè)波形擬合法，假定樁-土力學(xué)模型及其參數(shù)，用實(shí)測(cè)樁頂（應(yīng)變片處的樁截面位置）的運(yùn)動(dòng)速度（或力、上行波、下行波）曲線作為輸入邊界條件，數(shù)值求解波動(dòng)方程，計(jì)算樁頂（應(yīng)變片處的樁截面位置）的力（或速度、下行波、上行波）曲線[3]。如果計(jì)算的曲線與實(shí)測(cè)的曲線不吻合，即假設(shè)的樁-土模型或其參數(shù)不合理，則可根據(jù)具體情況調(diào)整模型及參數(shù)重新計(jì)算，直到計(jì)算曲線與實(shí)測(cè)曲線吻合。

2 荔灣3-1平臺(tái)水下樁基動(dòng)測(cè)的具體實(shí)施

2.1 鋼樁可打入性分析

荔灣3-1平臺(tái)鋼樁的幾何和物理參數(shù)見(jiàn)表1，平臺(tái)所在位置的地基土質(zhì)性狀見(jiàn)表2。

表1 鋼樁的幾何和物理參數(shù)

首先利用GRLWEAP軟件進(jìn)行該平臺(tái)鋼樁可打入性分析，計(jì)算結(jié)果表明用MHU-1200S液壓錘在85%的能量下停錘時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)可能會(huì)在第15層砂土層中發(fā)生拒錘現(xiàn)象，因此在施工過(guò)程中若在最末砂層停錘將存在較大的拒錘風(fēng)險(xiǎn)。為了有效地降低拒錘風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)打樁過(guò)程進(jìn)行了全程監(jiān)測(cè)。

表2 荔灣3-1平臺(tái)地基土質(zhì)性狀

2.2 動(dòng)測(cè)設(shè)備及操作程序

2.2.1 動(dòng)測(cè)設(shè)備

荔灣3-1平臺(tái)樁基動(dòng)測(cè)所用的主要設(shè)備見(jiàn)圖1。

圖1 動(dòng)測(cè)設(shè)備

（1）PDA（Pile Dynamic Analyzer）動(dòng)測(cè)分析儀。這是動(dòng)測(cè)的主要儀器，能夠?qū)崟r(shí)采集、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并現(xiàn)場(chǎng)展示CASE法的結(jié)果。

（2）數(shù)據(jù)線。主要是用來(lái)把加速度傳感器和應(yīng)變傳感器收集的信號(hào)傳遞到PDA分析儀，本項(xiàng)目需要應(yīng)用防水?dāng)?shù)據(jù)線。

（3）加速度傳感器和應(yīng)變傳感器。本項(xiàng)目中應(yīng)用的全部為防水型，安裝時(shí)需避開(kāi)焊縫和應(yīng)力集中位置。

2.2.2 動(dòng)測(cè)操作程序

在荔灣3-1平臺(tái)樁基工程中由于各根樁的規(guī)格一致，考慮到實(shí)際情況只選擇了B1-2樁和B1-3樁進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試總平面分布見(jiàn)圖2，樁基施工示意見(jiàn)圖3。

圖2 測(cè)試總平面分布

圖3 樁基施工示意

（1）在起樁前完成傳感器的安裝。

a.在運(yùn)輸駁船上對(duì)樁進(jìn)行打孔以便固定傳感器，打孔位置距離樁頂5.5～6.0 m。

b.焊接一個(gè)掛線吊耳，此吊耳與兩側(cè)的傳感器各成90°，并且在樁上將吊耳和傳感器位置上用白色標(biāo)注，以便操作ROV時(shí)易于發(fā)現(xiàn)。

c.進(jìn)行傳感器及數(shù)據(jù)線的連接固定，如圖4所示。

d.將數(shù)據(jù)線和PDA主機(jī)連接好，再根據(jù)樁的屬性把相關(guān)參數(shù)輸入主機(jī)。

圖4 水下傳感器等部件連接示意

e.對(duì)鋼樁需要進(jìn)行水下切割分離的部位用顏色進(jìn)行標(biāo)注，以便于ROV操作。

（2）在插樁前完成防水?dāng)?shù)據(jù)線連接。

a.在運(yùn)輸駁船上翻樁、吊起并在樁入水前完成數(shù)據(jù)線接頭的連接。

b.完成鋼絲繩等與吊耳的連接。

（3）防水?dāng)?shù)據(jù)線釋放。

a.在鋼樁的下放過(guò)程中保護(hù)好傳感器和數(shù)據(jù)線，避免其受到損傷。

b.鋼樁下放時(shí)要及時(shí)釋放數(shù)據(jù)線，并要預(yù)留足夠的長(zhǎng)度在水中，防止拉斷。

c.ROV要實(shí)時(shí)檢查鋼樁的入水情況及監(jiān)測(cè)設(shè)備情況，確保數(shù)據(jù)線沒(méi)有纏繞、預(yù)留長(zhǎng)度適當(dāng)。

d.ROV檢查鋼樁的自由入泥情況。

（4）把MHU1200S型打樁錘套到鋼樁頂部。

a.在錘的下放過(guò)程中要實(shí)時(shí)檢查動(dòng)測(cè)數(shù)據(jù)線與錘等設(shè)備有無(wú)相互干擾。

b.動(dòng)測(cè)工程師測(cè)試PDA的信號(hào)傳輸情況，確保能夠及時(shí)投入使用。

（5）實(shí)施動(dòng)測(cè)。

a.在全程監(jiān)測(cè)中，現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)釋放數(shù)據(jù)線的工程師要與監(jiān)測(cè)工程師溝通配合好。

b.鋼樁的入泥深度數(shù)據(jù)要及時(shí)反饋給釋放數(shù)據(jù)線的工程師，據(jù)此數(shù)據(jù)判斷釋放的數(shù)據(jù)線長(zhǎng)度是否合適，特別是在沉樁剛開(kāi)始時(shí)，容易溜樁，因此一定要留出足夠富裕量，以防止鋼樁溜樁時(shí)拉斷數(shù)據(jù)線。

c.監(jiān)測(cè)時(shí)需確保鋼樁的應(yīng)力值在許用范圍內(nèi)，檢測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋給打樁作業(yè)人員用來(lái)指導(dǎo)打樁作業(yè)，以控制好錘的最佳輸出能量。

（6）動(dòng)測(cè)完成。

a.保存PDA檢測(cè)數(shù)據(jù)。

b.樁打到設(shè)計(jì)深度后起錘，并利用ROV來(lái)觀察打樁錘系統(tǒng)與檢測(cè)數(shù)據(jù)線的位置，防止相互纏繞。

c.將數(shù)據(jù)線在傳感器接頭處分離，并且進(jìn)行回收以備下次使用。

3 荔灣3-1平臺(tái)樁基高應(yīng)變動(dòng)測(cè)結(jié)果分析

對(duì)荔灣3-1平臺(tái)的基礎(chǔ)樁B1-2和B1-3進(jìn)行動(dòng)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了打樁過(guò)程中對(duì)樁身最大應(yīng)力的監(jiān)控、實(shí)際錘擊能量的監(jiān)控以及樁最終承載力的估算。

B1-3插樁后初始自由入泥深度為12.0 m，套錘后在打樁到深度13.5 m時(shí)發(fā)生了溜樁，一直溜到入泥深度72.0 m；之后又重新套錘，一直打入到入泥深度135.0 m，根據(jù)打樁記錄，末階段的錘擊數(shù)是143錘每0.5 m。B1-2插樁后初始自由入泥深度為11.5 m，套錘后在打樁到深度13.0 m時(shí)發(fā)生了溜樁，一直溜到入泥深度71.5 m；之后又重新套錘，一直打入到入泥深度135.0 m，根據(jù)打樁記錄，在末階段的錘擊數(shù)是125錘每0.5 m。

3.1 CASE法分析結(jié)果

在打樁監(jiān)測(cè)過(guò)程中，PDA顯示屏實(shí)時(shí)輸出了打樁錘及驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的部分參數(shù)，包括樁頂部的擠壓應(yīng)力、錘擊能量傳遞效率等?，F(xiàn)場(chǎng)用CASE法得出B1-2和B1-3樁的承載力分別為46 MN和48 MN，樁頭所受的壓應(yīng)力為別為162 MPa和172 MPa。

3.2 CAPWAP法分析結(jié)果[4-6]

CASE法的評(píng)估結(jié)果是在土壤阻尼假定已知及鋼樁壁厚相同情況下得出的，若土壤阻尼參數(shù)未知或鋼樁壁厚不相同，或需要考慮更多的土壤參數(shù)時(shí)，就需要用CAPWAP法來(lái)進(jìn)行分析了。CAPWAP法廣泛應(yīng)用于根據(jù)力和加速度的記錄數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算土壤阻力及其分布等。CAPWAP法的分析結(jié)果包含了對(duì)土壤阻力的分布評(píng)估、樁端承載力、樁側(cè)承載力、阻尼特性等。圖5是CAPWAP法的分析曲線，表3是CAPWAP法計(jì)算的部分結(jié)果，瞬時(shí)最大的承載力為49 MN。結(jié)果顯示這兩根樁在打樁過(guò)程中樁端承載力較大，而樁側(cè)的摩阻力相對(duì)較小，說(shuō)明空隙水壓力在受捶擊擾動(dòng)后并沒(méi)有恢復(fù)，使得檢測(cè)的總承載力小于設(shè)計(jì)值（130 MN）。

圖5 B1-3鋼樁CAPWAP分析曲線

表3 CAPWAP法分析結(jié)果（摘錄）

3.3 MHU1200S錘能量傳遞效率

高應(yīng)變動(dòng)測(cè)儀的傳感器能夠獲得傳遞到樁上的實(shí)際錘擊能量的相關(guān)信息，通過(guò)對(duì)比錘的額定輸出能量可以判斷錘系統(tǒng)當(dāng)前的工作效率。如果在打樁過(guò)程中錘的輸出能量與樁上實(shí)際接收的能量相差過(guò)大，就可以判斷打樁錘系統(tǒng)可能出現(xiàn)了問(wèn)題或者存在能量耗散的部位。據(jù)此采取對(duì)策，不僅可避免盲目打樁造成液壓錘損壞，而且可有效地減少拒錘的風(fēng)險(xiǎn)。本文中B1-2和B1-3樁的錘能量傳遞效率分別為64%和63%，都超過(guò)了50%的低限值，滿足施工要求。

3.4 樁身完整性監(jiān)測(cè)及最終承載力評(píng)估

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，每一次錘擊鋼樁所受的最大擠壓應(yīng)力都是按照PDA所采集到的平均應(yīng)變數(shù)值來(lái)進(jìn)行計(jì)算的，在此次監(jiān)測(cè)過(guò)程中鋼樁所受的最大平均應(yīng)力分別為162 MPa和175 MPa，它們都滿足API規(guī)范的要求，在打樁過(guò)程中樁身沒(méi)有發(fā)生屈服損壞。

4 結(jié)束語(yǔ)

此次荔灣3-1海上平臺(tái)鋼樁全程動(dòng)力監(jiān)測(cè)是國(guó)內(nèi)多年來(lái)首次開(kāi)展的海洋平臺(tái)水下樁測(cè)試項(xiàng)目，引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的動(dòng)測(cè)儀器和動(dòng)測(cè)技術(shù)，克服水深等施工難題，成功實(shí)施了此次水下檢測(cè)。此次監(jiān)測(cè)有效指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)施工，改變了國(guó)內(nèi)過(guò)去缺乏有效的水下樁施工過(guò)程監(jiān)測(cè)的狀態(tài)，同時(shí)也保證了荔灣3-1平臺(tái)打樁施工過(guò)程中樁身的安全性，本文所述動(dòng)測(cè)的施工方法可為國(guó)內(nèi)將來(lái)的水下樁基工程提供參考。

[1]侯延祥，付海峰，關(guān)磊.PDA動(dòng)測(cè)樁儀在天津港某工程中的應(yīng)用[J].港工技術(shù)，2002（9）：44-45.

[2]劉永鋒.利用高應(yīng)變法確定了大直徑混凝土管樁的承載力[J].水運(yùn)工程，2005（9）：24-25.

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Application of High Strain Dynamic Testing Technique to Underwater Pile Foundation ofL W3-1Platform

Qin Licheng1，LiHong2，Yu Wentai1，He Min1，Leng Zhi1
1.Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China
2.EnvironmentalProtection Department of Nuclear and Radiation Safety Center，Beijing 100034，China

LW 3-1 offshore centralplatform is located in the area with water depth of 189.5 m，which is the structure of four legs with group piles.The single pile possesses the weight of 754 t，diameter of 2 743 mm，length of 158 m，total penetration depth of 135 m and the design bearing capacity of 130 MN.The pile foundation engineering has the features of complicated geologic condition，difficult construction，high engineering cost. There are many problems in steel pile design，piling drivability analysis and piling monitoring.In order to guarantee the successful pile penetration of LW 3-1 offshore central platform，the testing during piling of underwater pile is necessary to obtain the force state in the pile and efficiency transfer of pilling hammer. Based these testing data，the actual and reliable data of pile foundation bearing capacity can be gained.The adopted high-strain dynamic testing technique and testing results offer effective guidance to the site construction and also provide valuable experience to similar dynamic testing of underwater steelpiles.

LW 3-1 platform；high-strain dynamic testing；pile foundation engineering；pile bearing capacity

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.06

秦立成（1980-），男，山東蒙陰人，工程師，2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，現(xiàn)主要從事海洋平臺(tái)安裝設(shè)計(jì)研究工作。

2014-10-31；

2015-02-26