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        自升式平臺特殊工況插樁作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)分析

        2018-11-20 03:06:26王明亮
        中國水運(yùn) 2018年11期
        關(guān)鍵詞:插樁巖質(zhì)傾角

        王明亮

        (中交一航局第二工程有限公司,山東 青島 266071)

        自升式海洋平臺是一種廣泛應(yīng)用在海洋石油開發(fā)、風(fēng)電安裝、海洋牧場等領(lǐng)域的一種平臺,平臺在就位時(shí),將樁腿插入地基,通過地基提供平臺作業(yè)支撐力,完成作業(yè)后,將樁腿拔出,平臺移位。在平臺插樁之前,需要進(jìn)行地質(zhì)勘探,根據(jù)平臺自身情況和地勘資料選擇持力層,否則容易形成穿刺,造成平臺失穩(wěn)和傾覆。

        隨著工程用平臺種類增加,插樁地基情況日趨復(fù)雜化,對平臺插樁作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)分析難度加大,本文以某一不帶樁靴的圓筒式樁腿自升式平臺為例,選擇一種特殊巖石基礎(chǔ)插樁工況,對插樁作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析,為工程施工提供理論建議,為類似工況風(fēng)險(xiǎn)分析提供參考。

        1 平臺簡介

        平臺主要參數(shù)見表1,平臺模型圖見圖1。

        表1 平臺主要參數(shù)

        圖1 平臺模型圖

        2 地基情況簡介

        經(jīng)過基礎(chǔ)開挖、插樁位置炸礁后,形成一個(gè)樁腿內(nèi)側(cè)距離1:0.75、坡肩安全距離為4米的平臺,此時(shí)樁腿直接插在巖石表面,插樁位置示意圖見圖2。

        圖2 插樁位置示意圖

        對于這種插樁工況,插樁位置兩側(cè)均為爆破之后的巖石邊坡,巖體邊坡由中風(fēng)化白云巖構(gòu)成,巖體基本性質(zhì)如下:

        灰色,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),中厚層狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體破碎~較完整,巖芯呈短柱狀,塊狀,巖質(zhì)堅(jiān)硬,局部見有溶蝕現(xiàn)象。按巖體完整程度中風(fēng)化白云巖屬較破碎巖體;按巖石堅(jiān)硬程度分類,中風(fēng)化白云巖為較硬巖;巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。分析的重點(diǎn)在于拋石船樁腿插樁深度和巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評估。

        3 樁腿插入深度分析及水平抗力計(jì)算

        3.1 樁腿插入深度分析

        樁腿的插入深度取決于插樁力強(qiáng)度與巖石地基承載力的對比,因此,對于樁腿的插樁力強(qiáng)度和巖石地基承載力分別進(jìn)行分析。

        3.1.1 樁腿插樁力強(qiáng)度

        樁腿為圓柱形,底部無樁靴,內(nèi)部分布有“興”字興剛性分隔板,見圖3。

        圖3 樁腿底部

        經(jīng)過計(jì)算可知:

        樁腿端部凈截面:A=0.812m2,樁腿全截面面積:A= 6.158m2。

        按照樁端凈截面計(jì)算的最大插樁力強(qiáng)度為:

        2200*9.81/0.812=26.58MPa;

        按照全截面計(jì)算的最大插樁力強(qiáng)度為:

        2200*9.81/6.158=3.50MPa;

        在 1200 噸插樁力的作用下:

        按照樁端凈截面計(jì)算的最大插樁力強(qiáng)度為:

        1200*9.81/0.812=14.50MPa;

        按照全截面計(jì)算的最大插樁力強(qiáng)度為:

        1200*9.81/6.158=1.91MPa。

        3.1.2 巖石地基承載力

        巖石地基承載力計(jì)算公式如下:

        fa=ψrfrk

        其中:ψr為巖石地基承載力折減系數(shù),frk為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度,根據(jù)地勘報(bào)告,對于中風(fēng)化白云巖,單軸抗壓強(qiáng)度為frk= 34.21MPa ,巖體完整性等級為較破碎~較完整。

        (1)對于較破碎巖體,ψr取 0.1~0.2,則巖石地基承載力為:3.42~6.84MPa,上述最小值略小于樁腿全截面受力的插樁力強(qiáng)度3.50MPa,但因?yàn)閹r石地基承載力包含3倍的安全系數(shù),所以插樁狀態(tài)下,巖體可以承擔(dān)樁腿全截面插樁力,但不足以承擔(dān)樁腿凈截面插樁力強(qiáng)度。

        (2)對于較完整巖體,ψr取0.2~0.5,則巖石地基承載力為:6.84~17.11Mpa,上述最小值大于樁腿全截面受力的插樁力強(qiáng)度 3.50MPa;但不足以承擔(dān)樁腿凈截面插樁力強(qiáng)度。由此可見,拋石船樁腿最多插入巖體1.5米,達(dá)到樁腿全截面受力狀態(tài);上述巖石地基承載力是基于巖體完整性等級的設(shè)計(jì)值,而拋石船樁腿插樁面積較小,可能存在插樁位置局部巖體完整性較好,使得巖石地基承載力大于樁腿凈截面插樁力強(qiáng)度的情況。

        3.1.3 小結(jié)

        由此可見,在中風(fēng)化白云巖層上,樁腿端部凈截面作用于巖層表面時(shí),樁腿插樁力強(qiáng)度可能大于巖石地基承載力;當(dāng)樁腿全截面受力時(shí),插樁力強(qiáng)度小于巖體承載能力;即在中風(fēng)化白云巖層上,樁腿最多插入1.5米。

        3.2 樁腿水平抗力計(jì)算

        按照最不利情況,樁腿停留在中風(fēng)化白云巖表面;此時(shí)樁腿的水平抗力完全由摩擦力提供。根據(jù)相關(guān)規(guī)范,巖體邊坡內(nèi)摩擦角折減系數(shù) 0.85~0.80,按照不利取0.80,則巖體邊坡內(nèi)摩擦角取32.2°,則樁腿的摩擦系數(shù)為:

        μ=tan(32.2-5)=0.51

        則樁腿水平抗力如下:

        在 2200 噸插樁力作用下,2200*0.51=1122 噸 >150 噸;

        在 1200 噸插樁力作用下,1200*0.51=612 噸 >150 噸;

        由上述分析可見,樁腿水平抗力滿足要求。

        4 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

        拋石船樁腿作用于爆破后的巖質(zhì)邊坡上時(shí),由于豎向插樁力和水平荷載的共同作用,將會對巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性造成影響,需要重點(diǎn)分析豎向插樁力和水平荷載共同作用下,巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。

        巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性主要受節(jié)理面控制,邊坡的破壞主要是由節(jié)理面切割形成的楔形體失穩(wěn)造成的。由于基槽邊坡是人工爆破開挖的,爆破將會對原始巖體造成新的不利影響,如造成巖體邊坡表層松動,產(chǎn)生新的裂隙面等。沒有辦法對各個(gè)具體插樁位置的邊坡穩(wěn)定性作出準(zhǔn)確的判斷,缺乏巖層的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)(走向、傾向、傾角、單層厚度等)和節(jié)理、裂隙的產(chǎn)狀數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù),因此需要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行多種工況的假設(shè),并以此為基礎(chǔ)開展分析評估,插樁作業(yè)前,需結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際工況進(jìn)行比對,如遇到危險(xiǎn)狀態(tài),需要考慮變換插樁位置或進(jìn)行爆破削坡處理。

        4.1 基本假設(shè)

        巖質(zhì)邊坡的破壞模式有受巖體強(qiáng)度控制的破壞和受結(jié)構(gòu)面控制的破壞兩種。相較于受巖體強(qiáng)度控制的破壞,受結(jié)構(gòu)面控制的破壞更復(fù)雜,其邊坡穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度、傾向傾角等密切相關(guān)。根據(jù)地勘報(bào)告,該地區(qū)的構(gòu)造斷裂十分發(fā)育,根據(jù)統(tǒng)計(jì)值,構(gòu)造方向以北東向、北西向兩組共軛方向?yàn)閮?yōu)勢方位,但根據(jù)地勘報(bào)告的節(jié)理構(gòu)造方位統(tǒng)計(jì),各個(gè)方向都有分布,因此無法判定插樁區(qū)域節(jié)理構(gòu)造方位。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),進(jìn)行了一系列的假設(shè):

        4.1.1 破壞模式假設(shè)

        無論是受巖體強(qiáng)度控制的破壞,還是受結(jié)構(gòu)面控制的破壞,邊坡均有可能沿走向與邊坡一致的結(jié)構(gòu)面破壞,也可能產(chǎn)生三維楔體破壞,本文重點(diǎn)對這兩種情況進(jìn)行分析,基本破壞模式假定如下:

        (1)破壞結(jié)構(gòu)面與坡面走向一致,采用平面滑動法評估邊坡穩(wěn)定性;

        (2)巖質(zhì)邊坡呈三維楔體破壞;采用三維楔體法評估邊坡穩(wěn)定性。

        當(dāng)然,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合本項(xiàng)目相關(guān)條件,巖質(zhì)邊坡發(fā)生平面滑動的可能性不大,發(fā)生三維楔體破壞的可能性較高。

        4.1.2 完整巖體抗剪強(qiáng)度

        根據(jù)地勘報(bào)告,對于中風(fēng)化白云巖,抗剪強(qiáng)度參數(shù)為:內(nèi)聚力 C=4.17MPa,內(nèi)摩擦角φ為40.24°;因?yàn)閹r質(zhì)邊坡為較破碎~較完整,按不利考慮,則內(nèi)摩擦角折減系數(shù)取為 0.8,內(nèi)聚力折減系數(shù)取0.2;則巖質(zhì)邊坡巖體的設(shè)計(jì)參數(shù)為內(nèi)聚力C=834kPa,內(nèi)摩擦角φ為 32.19°。

        4.1.3 結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度假設(shè)

        假設(shè)結(jié)構(gòu)面為硬性結(jié)構(gòu)面,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),假設(shè)了5組結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)(加上設(shè)計(jì)參數(shù)內(nèi)摩擦角φ=32.19°共6組抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)),具體數(shù)據(jù)見表2。

        表2 假設(shè)5組結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)

        上述假設(shè)數(shù)據(jù)基于結(jié)構(gòu)面為硬質(zhì)結(jié)構(gòu)面,若結(jié)構(gòu)面結(jié)合很差、含泥化夾層,則抗剪強(qiáng)度將會進(jìn)一步降低,施工過程中需要避開相關(guān)位置進(jìn)行插樁作業(yè),或者開展一定的地基處理,如爆破削坡等方式保證插樁過程中的邊坡穩(wěn)定性。

        4.1.4 破壞面假設(shè)-平面滑動法

        根據(jù)巖質(zhì)邊坡坡面角度,選取了11組典型破壞結(jié)構(gòu)面傾角展開分析,相應(yīng)的結(jié)構(gòu)面傾角和滑移面高度見表3。

        表3 典型結(jié)構(gòu)面傾角和滑移高度

        4.1.5 破壞面假設(shè)-三維楔體法

        巖質(zhì)邊坡的滑動楔體(見圖4),由于結(jié)構(gòu)面的傾向、傾角的不同,理論上有無數(shù)多種組合,本項(xiàng)目假設(shè)了三組典型組合展開分析,以研究各種不同因素對于巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響,尋找影響最大的關(guān)鍵因素,以作為拋石船施工工程中插樁位置選擇的參考。

        圖4 滑動楔體示意圖

        第一組:假定邊坡傾向?yàn)?80度、形成三維楔體的另外兩個(gè)結(jié)構(gòu)面的傾向分別為135和225,楔體高度為12.8米,結(jié)構(gòu)面A和結(jié)構(gòu)面B的傾角為10~60區(qū)間變化;

        第二組:假定邊坡傾向?yàn)?80度、形成三維楔體的另外兩個(gè)結(jié)構(gòu)面的傾向分別為145和215,楔體高度為12.8米,結(jié)構(gòu)面A和結(jié)構(gòu)面B的傾角為 10~60區(qū)間變化;

        第三組:假定邊坡傾向?yàn)?80度、形成三維楔體的另外兩個(gè)結(jié)構(gòu)面的傾向分別為125和235,楔體高度為12.8米,結(jié)構(gòu)面A和結(jié)構(gòu)面B的傾角為 10~60區(qū)間變化;

        第四組:假定邊坡傾向?yàn)?80度、形成三維楔體的另外兩個(gè)結(jié)構(gòu)面的傾向分別為135和225,楔體高度為9米,結(jié)構(gòu)面A和結(jié)構(gòu)面B的傾角為10 ~60區(qū)間變化;

        第五組:假定邊坡傾向?yàn)?80度、形成三維楔體的另外兩個(gè)結(jié)構(gòu)面的傾向分別為135和225,楔體高度為5米,結(jié)構(gòu)面A和結(jié)構(gòu)面B的傾角為10 ~60區(qū)間變化;

        同時(shí),根據(jù)前文敘述,分別選取6組抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)與上述五組工況進(jìn)行三維楔體滑動法組合分析。

        4.2 分析結(jié)果

        4.2.1 平面滑動法

        采用平面滑動法對于上述 66 種工況(6組抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)組合11種典型結(jié)構(gòu)面傾角)展開分析,邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分析曲線見圖5。

        圖5 平面滑動法邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)分析曲線

        由上述計(jì)算結(jié)果表格可以得知,

        (1)在平面滑動破壞的條件下,巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度有很大的關(guān)系,抗剪強(qiáng)度越低,巖質(zhì)邊坡計(jì)算所得穩(wěn)定性系數(shù)越低,即穩(wěn)定性越低;

        (2)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)在一定范圍內(nèi)隨結(jié)構(gòu)面傾角增大先減小后增大,結(jié)構(gòu)面傾角 34 度左右邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到最小值;

        (3)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)取 1.25,可指導(dǎo)結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度大于 24,76.7kPa 時(shí),巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定滿足要求。

        (4)如巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度較低,相應(yīng)邊坡的穩(wěn)定性將不滿足施工安全要求。拋石船插樁作業(yè)之前,需要對插樁位置的結(jié)構(gòu)面進(jìn)行評估,判斷結(jié)構(gòu)面的傾向和抗剪強(qiáng)度的大小,再開展插樁作業(yè)。

        4.2.2 三維楔體滑動法

        選取6組抗剪強(qiáng)度數(shù)據(jù)與五組工況進(jìn)行三維楔體滑動法組合分析,安全系數(shù)分析結(jié)果見表4。

        取結(jié)構(gòu)面傾向 135 度,結(jié)構(gòu)面 B 傾角 225 度,不同楔體高度的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)對比,分析結(jié)果見圖6.

        圖6 不同楔體高度的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)曲線

        由上圖可見,巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性隨楔體高度降低而降低。

        4.3 小結(jié)

        根據(jù)上述分析結(jié)果,可以得出下列結(jié)論:

        (1) 對于平面滑動面,巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度密切相關(guān),當(dāng)結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度較低時(shí),巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性不滿足要求,存在邊坡滑動失穩(wěn)的可能性。

        (2)對于三維楔體滑動面,巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性與形成楔體的結(jié)構(gòu)面傾角關(guān)系密切,當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角不大于 30 度時(shí),且楔體高度不小于 5 米時(shí),三維楔體穩(wěn)定;當(dāng)結(jié)構(gòu)面傾角大于 30 度時(shí),三維楔體的穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度、三維破壞楔體的高度、結(jié)構(gòu)面傾向、傾角等因素相關(guān)。

        表4 三維楔體滑動法安全系數(shù)分析表

        5 風(fēng)險(xiǎn)分析

        5.1 巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)分析

        (1)由于插樁位置結(jié)構(gòu)面走向、傾向、傾角和抗剪強(qiáng)度等相關(guān)數(shù)據(jù)的缺乏,無法對于各個(gè)具體插樁位置的邊坡穩(wěn)定性做出評估;

        (2)由于巖體本身的不均勻性、節(jié)理裂隙的存在,結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度將顯著小于巖體本身抗剪強(qiáng)度;最不利情況組合下,邊坡穩(wěn)定性將不滿足要求;

        (3)沉管隧道的基槽開挖采用爆破方式,爆破有可能會造成新增不可預(yù)計(jì)裂縫,且裂縫結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度也很難預(yù)測。

        6 建議采取的措施

        (1)在基槽爆破完成后,插樁作業(yè)前,對爆破后邊坡巖體結(jié)構(gòu)的松動部分進(jìn)行清除,保證插樁面平整;

        (2)對于插樁位置進(jìn)行詳細(xì)勘察,確定爆破后插樁位置處節(jié)理和裂隙的分布,判斷是否可能形成下滑楔體;

        (3)如果爆破后邊坡巖體結(jié)構(gòu)完好,無潛在下滑楔體;或存在硬性結(jié)構(gòu)面的下滑楔體,但相關(guān)參數(shù)在下列建議范圍之內(nèi),可以進(jìn)行插樁作業(yè):①與邊坡走向一致的平面滑動面,傾角不大于18度;②組成下滑楔體的結(jié)構(gòu)面傾角不大于30度,且楔形體高度不小于5米;③不屬于上述范圍但現(xiàn)場具備條件可以單獨(dú)評估結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度、產(chǎn)狀詳細(xì)參數(shù)的,可詳細(xì)計(jì)算工況進(jìn)行巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性判斷且邊坡穩(wěn)定的;

        對于不屬于上述范圍的情況,或現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面結(jié)合很差或極差(含泥化夾層)的情況,建議更換插樁位置或采用爆破等方法削坡。

        (4)沉管隧道開挖段應(yīng)保證樁腿距邊坡邊緣至少2m凈距;

        (5)插樁作業(yè)必須謹(jǐn)慎操作,嚴(yán)密觀察,一旦出現(xiàn)異常立即停止插樁。

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