劉雙雙

(中海油田服務(wù)股份有限公司,天津 塘沽300459)

海洋樁基平臺鋼管樁自由站立深度分析與問題探討

劉雙雙

(中海油田服務(wù)股份有限公司,天津 塘沽300459)

鋼管樁基礎(chǔ)是海洋導(dǎo)管架平臺比較常用的一種基礎(chǔ)形式,對鋼管樁自由站立深度的準(zhǔn)確預(yù)測是導(dǎo)管架平臺安裝項目中的一項重要工作。如果自由入泥深度評估不準(zhǔn)確,現(xiàn)場施工時可能會導(dǎo)致鋼管樁發(fā)生變形損壞,進(jìn)而可能影響到整個油氣田的生產(chǎn)運(yùn)營?；趯?shí)際生產(chǎn)項目,討論了鋼管樁自由站立深度實(shí)際結(jié)果與預(yù)測值之間的關(guān)系,分析了造成實(shí)際結(jié)果的原因,論證了除自身結(jié)構(gòu)性質(zhì)外,鋼管樁自由站立深度的影響因素主要包括海底地層性質(zhì)和沉樁速度。海底淺部地層性質(zhì)直接決定土對樁的承載力;沉樁速度決定土對樁的應(yīng)力類型。實(shí)踐表明,應(yīng)用多種方法對鋼管樁自由站立深度進(jìn)行綜合分析評價,能夠考慮到多種影響因素,從而使評估工作更加全面,大大提高預(yù)測的準(zhǔn)確度。

鋼管樁;自由站立深度;地層性質(zhì);沉樁速度

據(jù)統(tǒng)計,全世界在低于300 m水深條件下超過90%的平臺采用導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)[1-2],導(dǎo)管架平臺一般采用開口式鋼管樁基礎(chǔ),樁的主要功能是承受導(dǎo)管架和上部平臺模塊的全部荷載并固定平臺位置。

海洋平臺樁基礎(chǔ)的安裝大致分為吊樁入水自由站立、打入樁和固樁等主要程序。在海上施工時,按照不同的作業(yè)水深鋼管樁有接樁和不接樁兩種安裝方式。無論采用哪種方式安裝,在施工作業(yè)前都要對樁放置于海底面時自由貫入到泥面以下的深度(簡稱樁的自由站立深度)進(jìn)行準(zhǔn)確地分析計算。對樁自由站立深度的評估,不僅影響到鋼管樁前期的設(shè)計建造,而且影響到樁后續(xù)的現(xiàn)場安裝。如果樁的自由站立深度評估不準(zhǔn)確,會直接影響打樁及導(dǎo)管架平臺安裝作業(yè)進(jìn)度,有時甚至在吊樁入水后會造成樁自身結(jié)構(gòu)的損壞[3-4],進(jìn)而影響到平臺建設(shè)及油田投產(chǎn),造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

在實(shí)際施工作業(yè)過程中,由于受到海底底質(zhì)、海上環(huán)境因素和現(xiàn)場施工操作等多種因素的影響,樁自由站立深度的實(shí)際結(jié)果與預(yù)測值之間會產(chǎn)生一定的偏差。本文結(jié)合南海2個平臺場址的樁基安裝實(shí)例,探討和分析實(shí)際施工作業(yè)過程中影響樁的自由站立深度的主要因素,并為以后相關(guān)的樁基安裝施工作業(yè)提供參考和建議。

1 自由站立深度

1.1 定 義

樁的自由站立深度,是指鋼管樁被放置于海底泥面上時,由于自身重量連同其他附加荷載重量,在不施加其他人為動力干擾的情況下,樁自由貫入到海底泥面以下的深度。在實(shí)際的施工作業(yè)中,按打樁錘放置在樁頂?shù)那昂?分為帶錘和不帶錘2種工況下的自由貫入深度。

(李 燕 編輯)

1.2 分析方法

計算樁的自由站立深度通常有以下2種方法：

一種是根據(jù)鋼管樁的樁身結(jié)構(gòu)確定單樁重量,同時計算出鋼管樁在海底面以下不同深度土層處的承載力,與鋼樁連同其他附加荷載重量相等的承載力所對應(yīng)的土層深度即為樁的自由站立深度。樁承載力的分析計算主要依據(jù)API RP 2A(2000)規(guī)范建議的方法[5]。對于給定的深度,極限壓承載力(Q)等于樁側(cè)壁表面摩擦力(Qf)與樁端承載力(Q p)的總和：

式中,f為單位表面摩擦力,As為埋入泥面以下樁側(cè)總面積;q為單位樁端承載力;Ap為樁端面積?？偟臉抖顺休d力(Q p),不應(yīng)大于樁內(nèi)土塞的承載力。關(guān)于單位表面摩擦力f和單位樁端承載力q在API規(guī)范中也給出了相應(yīng)的計算方法。

1)單位表面摩擦力f

對于黏性土：

式中,α為黏聚力系數(shù),計算方法為

式中,ψ=c/p0,其中c為黏性土不排水抗剪強(qiáng)度,p0為計算點(diǎn)處的上覆有效壓力。

對于粒狀土：

式中,k為土壓力系數(shù),對于開口無土塞打入樁,k均假設(shè)取0.8;δ為土樁間摩擦角,API規(guī)范中給出了不同密實(shí)度土層δ的建議值。

2)單位樁端承載力q

對于黏性土：

對于粒狀土：

式中,Nq為無量綱承載力系數(shù),API規(guī)范中給出了不同粒徑土組合Nq的建議值。

以上方法是基于土的靜承載力工況分析出的結(jié)果。

另一種是利用基于Smith波動方程差分?jǐn)?shù)值解法[6]的GRLWEAP軟件進(jìn)行樁的可打入分析時,在打樁分析結(jié)果中,錘擊數(shù)為零或者出現(xiàn)初始錘擊數(shù)對應(yīng)的深度即為樁的自由站立深度。

Smith波動方程理論把錘-樁-土系統(tǒng)簡化為質(zhì)量塊、彈簧和阻尼器模型。應(yīng)用GRLWEAP軟件進(jìn)行打樁分析時,需要輸入的資料包括錘、樁和土的參數(shù)來建立分析模型,且模型中錘、樁、土系統(tǒng)的參數(shù)須盡可能地代表實(shí)際系統(tǒng)。

錘的參數(shù)主要包括能量、效率、錘芯重量、樁帽重量。其中錘的能量、錘芯重量和樁帽重量由所選用的打樁錘類型和型號決定,根據(jù)實(shí)際施工中的備選錘型確定。效率由錘的狀況、樁的傾斜度及其他操作因素決定,一般參考所選用打樁錘在以往施工過程中的實(shí)際錘效。

樁的參數(shù)主要包括樁材質(zhì)、直徑、壁厚、樁截面積,設(shè)計入泥深度及設(shè)計樁長。海上導(dǎo)管架平臺一般采用鋼樁;樁徑、壁厚、設(shè)計樁長計設(shè)計入泥深度等詳細(xì)參數(shù)由具體的施工項目中決定;樁截面積與壁厚和樁徑相關(guān),在有土塞時為整個樁端面積,在無土塞時為環(huán)狀樁端面積。

土的參數(shù)主要包括：土層分界深度、樁側(cè)面及樁尖的彈性壓縮或震動Qs(Skin Quake)及Qp(ToeQuake)、樁側(cè)面及樁尖處的阻尼常數(shù)Js(Skin Damping)及Jp(Toe Damping)。土層分界深度按照實(shí)際土質(zhì)分層結(jié)果輸入,Qs,Qp,Js及Jp值選用由Roussel[7]推薦的數(shù)值。Qs和Qp均取值2.54 mm,Jp取值0.5 s/m,Js在黏土、砂土、黏質(zhì)粉土和粉土中取值分別為0.65,0.16,0.50和0.33 s/m。

以上方法是樁處于動荷載工況下基于土的動阻力計算出的結(jié)果。

2 實(shí) 例

下面對南海A,B兩個平臺場址鋼管樁的自由站立深度實(shí)際結(jié)果與預(yù)測值進(jìn)行對比,探討分析造成自由站立深度實(shí)際結(jié)果的原因及其與預(yù)測值的關(guān)系。

A,B場址位于中國南海海域,預(yù)定導(dǎo)管架平臺均采用四腿樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式,其中A場址平臺尺寸為60 m×65 m,B平臺尺寸為42.5 m×42.5 m。由于A,B場址所處海域水深較大,采用的均為超長樁(樁長超過100 m),海上不進(jìn)行接樁作業(yè)。

2.1 A場址

A場址海底土層基本參數(shù)見表1,所使用鋼管樁詳細(xì)參數(shù)見表2。實(shí)際施工過程中采用MHU 800S型液壓錘進(jìn)行打樁作業(yè),該型號打樁錘在空氣中重量為139 t,水下重量為112 t,其額定能量800 kJ,打樁速率38～45/min。作業(yè)海域水深為92.6 m。

表1 A場址土層(0～60.2 m)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of soil layers at site A(0～60.2 m)

A場址所使用鋼管樁單樁重532.7 t,但是在吊樁入泥、放置打樁錘之前,作用在海底土層中的實(shí)際荷載是單樁重量、吊鉤及鋼絲繩重量(2 t)與吊裝器重量(25 t)三者之和,約為559.7 t(作用到土層中的力約為5.5 MN)。表1顯示A場址泥面以下60.2 m范圍內(nèi)土層以黏性土為主,且黏性土層強(qiáng)度相對較小,一般小于100 kPa,前人研究結(jié)果表明,在以上較軟弱土層沉樁過程中,形成閉塞土塞的可能性較小[8]。根據(jù)以上數(shù)據(jù)和信息,計算出單樁在靜荷載、無土塞條件下自由站立深度為15.2 m(圖1),在動荷載、無土塞條件下的單樁自由站立深度為42.5 m(圖2)。

圖1 A場址靜極限樁承載力曲線Fig.1 Static ultimate pile capacity curve at site A

圖2 A場址錘擊數(shù)及打樁應(yīng)力曲線Fig.2 Blow count and ultimate capacity curve at site A

表2 A場址樁基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of piles used at site A

在現(xiàn)場安裝施工過程中,共觀察了3根樁(樁編號分別為1#,2#和3#)的沉樁情況,并對最終入泥深度和沉樁速度進(jìn)行了統(tǒng)計分析。其中1#和2#樁的自由站立深度分別為44.0和46.0 m,沉樁速度較快,分別為0.25和0.20 m/s(表3)。而3#樁在吊樁入泥時沉樁速度相對緩慢,沉樁速度僅為0.05 m/s,最終的自由站立深度為19.5 m,此時樁頂仍位于水面之上。之后將打樁錘放置在樁頂,樁入泥深度仍無明顯變化,此時作用在土層中的荷載需扣除吊裝器重量再加上打樁錘在空氣中的重量,經(jīng)計算總共為673.7 t(作用到土層中的力約為6.6 MN),對應(yīng)在靜荷載條件下樁貫入泥面以下深度為16.7 m(圖1)。

表3 沉樁速度統(tǒng)計Table 3 Velocity of pile driving

根據(jù)以上對樁的自由站立深度實(shí)際值與預(yù)測值的對比,可以作出如下判斷：1)在A場址,由于海底土層以黏性土為主,樁的自由站立深度較大,且均與無土塞工況條件下的預(yù)測值較為一致,表明在沉樁過程中未形成土塞,與前人研究成果一致;2)沉樁速度大小對樁的入泥深度會產(chǎn)生影響。

2.2 B場址

B場址海底土層基本參數(shù)見表4,所使用鋼管樁詳細(xì)參數(shù)見表5。實(shí)際施工過程中同樣采用MHU 800S型液壓錘進(jìn)行打樁作業(yè)。B場址位置水深為100.1 m。

表4 B場址土層(0～36.0 m)基本參數(shù)Table 4 Basic parameters of soil layers at site B(0～36.0 m)

表5 B場址樁基本參數(shù)Table 5 Basic parameters of piles used at site B

B場址所使用鋼管樁單樁重483 t,放置打樁錘之前,作用在海底土層中的實(shí)際荷載是單樁重量、吊鉤重量(2 t)與吊裝器重量(25 t)三者之和,約為510 t(作用到土層中的力約為5.0 MN)。根據(jù)以上數(shù)據(jù)和信息計算得到單樁在靜荷載、無土塞條件下自由站立深度為9.9 m,有土塞條件下為3.6 m(圖3),在動荷載、無土塞情況下的單樁自由站立深度為21.9 m,有土塞條件下為10.1 m(圖4)。

在現(xiàn)場安裝施工過程中,共觀察了3根樁的沉樁情況,最終的自由站立深度分別為3.6,3.8和4.5 m,沉樁速度緩慢,最終樁頂均位于水面之上。之后放置打樁錘,3根樁入泥深度均無明顯變化,經(jīng)計算,此時作用在土層中的荷載為624 t(作用到土層中的力約為6.1 MN),對應(yīng)靜荷載、無土塞條件下入泥深度為11.4 m,而在有土塞工況條件下,上述荷載未超過3.6 m處土層的極限荷載,入泥深度仍為3.6 m(圖3)。

圖3 B場址靜極限樁承載力曲線Fig.3 Static ultimate pile capacity curve at site B

圖4 B場址預(yù)測打樁錘擊數(shù)Fig.4 Predicted blow count at site B

綜上,在B場址,樁的實(shí)際自由站立深度均遠(yuǎn)小于在靜荷載、無土塞和動荷載、無土塞兩種工況條件下的預(yù)測深度,據(jù)此判斷,在沉樁過程中可能形成了土塞,且沉樁速度較慢,實(shí)際沉樁過程與靜荷載、有土塞工況條件模式十分吻合。

3 影響因素

通過上述實(shí)例的分析可知,在鋼管樁和打樁錘參數(shù)確定,現(xiàn)場施工環(huán)境相對穩(wěn)定的前提下,影響鋼管樁自由站立深度的因素主要包括海底地層性質(zhì)和現(xiàn)場施工手法(沉樁速率)。

3.1 海底地層性質(zhì)

海底淺部地層的土質(zhì)性質(zhì),如土質(zhì)類型、黏性土的抗剪強(qiáng)度、粒狀土的顆粒分布及密實(shí)程度等,都直接決定鋼管樁的自沉深度。一般來講,由于粒狀土層的土體強(qiáng)度會大于黏性土層,故如果海底淺部土層以粒狀土為主,且層厚較大,則樁的自由站立深度會相對較小,反之,在一般抗剪強(qiáng)度不大的黏性土層中鋼管樁的自沉深度會相對較大。

另外,土塞的形成與否對鋼管樁的承載力有較大影響,從而影響樁的自由站立深度。由于海洋樁基平臺一般采用的是開口樁,在沉樁過程中樁內(nèi)會有土體貫入,雖然土塞一般在打樁過程中,且貫入到泥面以下較深位置時才有可能形成,但也不排除在吊樁沉樁過程中形成土塞的可能性。以往很多專家學(xué)者對在打樁過程中的土塞效應(yīng)的研究和分析方法很多[8-11],一般認(rèn)為對土塞效應(yīng)和完全土塞形成與否的判斷難度較大。而大量實(shí)踐結(jié)果和理論研究表明,在軟弱土層中形成完全閉塞土塞形成的可能性很小[8],與黏性土層相比,在粒狀土層中形成完全閉塞土塞比較容易。

3.2 沉樁速度

沉樁速度決定著鋼管樁在土層中的運(yùn)動形式,從而影響其在土層中的荷載類型,尤其在海底淺部土層為較厚的粘性土層等軟弱土層,樁入泥較深,沉樁速度的影響則可能表現(xiàn)的更為顯著一些。當(dāng)沉樁速度較快時,樁在土層中體現(xiàn)為動荷載,自由站立深度接近于動荷載工況條件下的計算深度;而當(dāng)沉樁速度較慢時,樁與土層近似靜止?fàn)顟B(tài),自由站立深度則接近于靜荷載工況條件下的預(yù)測深度。以上判斷在A場址的沉樁實(shí)例中得到了較好的驗(yàn)證。

在以往對樁自由站立深度的評估工作中,往往忽視現(xiàn)場沉樁速度的影響,而且沉樁速度與現(xiàn)場具體的施工操作以及環(huán)境工況密切相關(guān),一般情況下也很難對其進(jìn)行較準(zhǔn)確的評估和預(yù)測,從而可能造成實(shí)際結(jié)果與預(yù)測值出現(xiàn)偏差。在實(shí)際工作中,可以提供多種荷載工況條件下的預(yù)測結(jié)果,消除現(xiàn)場操作環(huán)節(jié)的影響,提高評估工作的全面程度。

4 結(jié) 論

本文論述了評價海上樁基平臺鋼管樁自由站立深度的主要理論和方法,同時依托生產(chǎn)實(shí)例,通過對預(yù)測值與實(shí)際沉樁結(jié)果進(jìn)行對比,對造成偏差的原因進(jìn)行了詳細(xì)的分析,進(jìn)而總結(jié)出影響鋼管樁自由站立深度的主要因素。

1)實(shí)踐表明,海底地層性質(zhì)和沉樁速度是影響鋼管樁的自由站立深度的2個重要因素,對二者的準(zhǔn)確評估和把握是提高預(yù)測準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。海底地層性質(zhì)可以通過鉆孔取樣或原位測試等方式進(jìn)行準(zhǔn)確評估,而沉樁速度則與導(dǎo)管架現(xiàn)場安裝施工直接相關(guān),建議安裝施工過程中作業(yè)人員嚴(yán)格參考調(diào)查和預(yù)測成果制定施工方案,以免造成沉樁速度不合理導(dǎo)致樁實(shí)際自由入泥深度與預(yù)測值產(chǎn)生偏差,造成樁或?qū)Ч芗艿膿p壞。

2)對于海底淺部土層以較低強(qiáng)度的黏性土層為主的場地,建議采用動荷載、無土塞條件下的預(yù)測值;對于海底淺部土層以較高密實(shí)度的粒狀土為主的場地,建議考慮有土塞條件下的預(yù)測值。

3)在開展海上樁基平臺鋼管樁自由站立深度分析評價工作時,建議考慮多種荷載工況條件,應(yīng)用多種方法進(jìn)行綜合分析計算,盡量消除現(xiàn)場環(huán)節(jié)人為因素的影響,從而使樁的自由入泥深度評估工作更全面,評估結(jié)果更準(zhǔn)確。

[1] LI J F,ZHOU M Y.Pipe pile stick-up and driveability analysis of offshore jachet platform[J].Journal of Shengli College China University of Petroleum,2010,24(2)：11-14.李景福,周美燕.海洋導(dǎo)管架平臺樁基自由站立強(qiáng)度及可打入性分析[J].中國石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報,2010,24(2)：11-14.

[2] HOU T,ZHANG X W,LIU H T,et al.Pile stick up analysis with timosshenko theory of elastic stability[J].China Offshore Plateform,2010,25(2)：34-38.侯濤,張孝衛(wèi),劉洪濤,等.鐵木辛柯彈性穩(wěn)定理論在深水樁自由站立分析中的應(yīng)用[J].中國海洋平臺,2010,25(2)：34-38.

[3] LIU R,YAN S W,MAO Y H,et al.Study on influence factors for pile stick-up stability in ocean engineering[J].The Ocean Engineering,2006,24(3)：6-13.劉潤,閆澍旺,毛永華,等.海洋工程中樁身自由站立穩(wěn)定性影響因素分析[J].海洋工程,2006,24(3)：6-13.

[4] CHEN B,YAN S W,FAN Z X,et al.Driveability and stick-up analysis of steel pile of offshore platform[J].China Offshore Oil and Gas(Engineering),2011,13(6)：1-5.陳波,閆澍旺,樊之夏,等.樁基平臺樁的可打入性和自由站立強(qiáng)度分析[J].中國海上油氣(工程),2011,13(6)：1-5.

[5] American Petroleum Institute.Recommended practice for planning,designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design：API RP 2A-WSD-2000[S].Washington D C：American Petroleum Institute,2000.

[6] SMITH E A L.Pile driving analysis by the wave equation[J].Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division,ASCE,1960,86(1)：35-61.

[7] ROUSSEL H J,Jr.Pile driving analysis of large diameter high capacity offshore pipe piles[D].New Orleans：Tulane University,1979.

[8] LIU R,ZHOU R H,YAN S W.Plug effect on drivability of large-diameter steel piles[J].The Ocean Engineering,2005,23(2)：71-76.劉潤,禚瑞花,閆澍旺.大直徑鋼管樁土塞效應(yīng)的判斷和沉樁過程分析[J].海洋工程,2005,23(2)：71-76.

[9] YAN S W,DONG W,LIU R,et al.Study of influence of soil plug on driving piles of offshore oil drilling platform[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(4)：703-709.閆澍旺,董偉,劉潤,等.海洋采油平臺打樁工程中土塞效應(yīng)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2009,28(4)：703-709.

[10] PAIKOWSKY S G,WHITMAN R V.The effects of plugging on pile performance and design[J].Canadian Geotechnical Journal,1990,27(4)：429-440.

[11] LU Z Q,GAO Y S,SONG M D.Some knowledge about working performance open-end steel pipe pile[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1999,21(1)：111-114.陸昭球,高倚山,宋銘棟.關(guān)于開口鋼管樁工作性狀的幾點(diǎn)認(rèn)識[J].巖土工程學(xué)報,1999,21(1)：111-114.

Abstract：Steel pipe pile foundation is one of the foundation forms more commonly used for the offshore jacket platform.Thus,the accurate prediction of the free penetration depth of the steel pipe piles is an important work in the jacket platform installation project.If the free penetration depth cannot be accurately predicted,the pipe piles might be deformed and damaged during the in-situ operation,and even the production and operation of the whole oil-gas field would be affected.Based on actual production projects,the relationship between the actual results of free penetration depth of steel pipe piles and their predicted values is discussed and the reasons producing the actual results are analyzed.Besides,the factors influencing the free penetration depth of the steel pipe piles are argued,which include chiefly the submarine stratum properties and the pile driving speed in addition to the structural characteristics of the piles.The properties of the shallow strata determine directly the bearing capacity of soil to pile and the pile driving speed determines the stress types of soil to pile.The practice shows that a variety of influencing factors can be considered if comprehensive analysis and evaluation of the free penetration depth of the steel pipe piles are carried out by using multiple methods,and then the evaluation work would be more complete and the prediction accuracy would be improved greatly.

Key words：steel pipe pile;free penetration depth;stratum properties;pile driving speed

Received：March 10,2017

Analysis and Discussion on the Free Penetration Depth of Steel Pipe Piles of the Offshore Pile Foundation Platform

LIU Shuang-shuang
(China Oilfield Services Limited,Tianjin 300459,China)

TE42;P642.11+6;P752

A

1002-3682(2017)03-0037-09

10.3969/j.issn.1002-3682.2017.03.005

2017-03-10

劉雙雙(1984-),男,工程師,主要從事海洋工程勘察方面研究.E-mail：liushsh6@cosl.com.cn