王朋飛，楊 昆，謝锏輝，邱華斌，吳業(yè)旺

深圳海油工程水下技術(shù)有限公司，廣東深圳 518067

水下鋼樁已廣泛應(yīng)用于各類海洋工程，包括導(dǎo)管架及各類水下結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)、半潛式平臺及FPSO的系泊錨腿、海上風電基礎(chǔ)等。用作系泊錨腿的錨樁通常采用打樁錘打入海床的方式進行安裝施工，因此，錨樁的詳細設(shè)計必須包含可打性分析，根據(jù)場址的土質(zhì)條件，評估錨樁打入目標深度所需的錘擊能量，選取樁錘型式，并對打樁過程中的拒錘與溜樁風險進行分析，確保錨樁安裝順利實施。

錨樁可打性分析采用數(shù)值方法對打樁過程進行模擬。首先需對目標貫入深度范圍內(nèi)土的貫入阻力進行評估分析，隨后利用分析得出的土層貫入阻力剖面對打樁過程中錘擊數(shù)及樁身應(yīng)力進行分析計算；數(shù)值計算過程中，錨樁由一系列彈簧單元進行模擬，土的阻力則通過簡化的彈簧-質(zhì)量塊-阻尼器系統(tǒng)作用于樁身。土層貫入阻力剖面的準確評估是錨樁可打性分析的關(guān)鍵。樁的貫入阻力計算通常采用與豎向承載力計算相同的方法，有的計算方法會考慮打樁過程與靜力加載時的不同作用條件，如打樁過程中由加載速率引起的貫入阻力的增大以及土體擾動且缺乏強度恢復(fù)時間帶來的貫入阻力的減小。

本文對錨樁可打性分析方法進行了介紹，重點闡述打樁過程中土層貫入阻力剖面的計算原理與方法，并以南海某氣田平臺錨樁為例，研究比較可打性分析計算的結(jié)果，評估拒錘與溜樁的風險。

1 波動方程分析

樁在打入過程中的運動和受力利用波動方程進行模擬計算。目前工程界廣泛采用GRLWEAP（PDI 2010）進行打樁分析計算，該程序中土體模型基于Smith法建立，樁-土-錘系統(tǒng)由質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)簡化模擬，采用黏彈塑性本構(gòu)關(guān)系進行描述。土的彈性變形極限由土的最大彈性變形來定義，當變形超過最大彈性變形值時，土體產(chǎn)生塑性流動，應(yīng)力不再增加，達到極限應(yīng)力或阻力。Roussel[1]對墨西哥灣眾多油田場址大直徑樁基礎(chǔ)的打樁監(jiān)測結(jié)果進行相關(guān)性分析研究，給出了土的阻尼系數(shù)和最大彈性變形的建議取值（見表1）。

表1 土的最大彈性變形和阻尼系數(shù)[1-2]

2 土層貫入阻力剖面計算

對于樁的可打性分析在利用數(shù)值模擬之前，首先需根據(jù)場址的土質(zhì)特性對每一貫入深度的阻力進行評估計算，形成目標貫入深度內(nèi)的土層貫入阻力剖面。打樁過程中土層貫入阻力SRD（Soil Resistance to Driving）的計算方法與樁的豎向極限承載力的計算方法類似，為樁側(cè)摩阻力與樁端阻力之和：

式中：Qs為樁側(cè)摩阻力，kN，Qs=τf·As；τf為單位摩阻力，kN/m2；As為樁身作用面積，m2；Qb為樁端阻力，kN，Qb=qb·Ab；qb為單位端阻力，kN/m2；Ab為樁端面積，m2。

2.1 土塞的影響

海洋樁基礎(chǔ)多采用空心鋼管樁，打樁過程中需考慮土塞形成的可能性。在形成土塞的情況下，樁內(nèi)土塞隨著樁打入的同時向下運動，樁側(cè)摩阻力只作用于樁身外壁，樁內(nèi)壁摩阻力可忽略不計，端阻力受力面積需考慮樁端實心橫斷面積；不形成土塞的情況下，樁內(nèi)土體在打樁過程中保持靜止，樁身內(nèi)壁和外壁均受到土體摩阻力作用，端阻力受力面積只考慮樁端實際環(huán)形橫截面積。實際打樁過程中，特別是當樁徑大于1 m時，由于慣性作用，樁內(nèi)土體形成土塞的趨勢很小[3-4]。若地基由多層土組成，當樁端由較硬土層貫入較軟土層時，樁身位于較硬土層，內(nèi)壁側(cè)摩阻力較大，而樁端位于較軟土層，樁端阻力較小，在這種情況下最有可能形成土塞。實際工程中進行錨樁可打性分析時，為保守起見，建議同時考慮有土塞和沒有土塞兩種情況。

根據(jù)Stevens等[2]的研究成果，無土塞情況下，貫入阻力的下限值假設(shè)樁身內(nèi)壁摩阻力為外壁摩阻力的50%，而上限值假設(shè)樁身內(nèi)外壁摩阻力相等；有土塞情況下，貫入阻力下限值和上限值假設(shè)樁外壁摩阻力一致，樁端阻力計算考慮承載系數(shù)上限值（Nc，UB=15） 比下限值 （Nc，LB=9） 增加 67%。

2.2 黏性土中的貫入阻力

打樁作業(yè)時土層貫入阻力的計算可參考樁基豎向承載力的計算方法。學(xué)術(shù)界對豎向作用下樁的破壞機理及承載力計算方法已進行了大量的理論及實驗研究，黏性土中樁側(cè)單位摩阻力和單位端阻力的計算方法介紹如下。

2.2.1 樁側(cè)單位摩阻力

海洋樁基礎(chǔ)的設(shè)計中廣泛采用API方法。由于打樁過程中土體應(yīng)力變化過程過于復(fù)雜，常規(guī)設(shè)計方法難以對此準確描述，而應(yīng)力的變化受有效自重應(yīng)力σ′v0和土的不排水抗剪強度su的直接影響，因此將樁側(cè)極限摩阻力τsf與su和σ′v0直接關(guān)聯(lián)則更為簡單明了。Randolph and Murphy[5]通過對一系列樁的實驗結(jié)果進行分析對比擬合，總結(jié)得出計算樁側(cè)極限摩阻力τsf的α法（總應(yīng)力法）：

上述方法計算的是樁在使用過程中受靜力荷載作用下的樁側(cè)極限摩阻力，考慮了樁在安裝過后，土體得到充分時間的固結(jié)及土體結(jié)構(gòu)得到恢復(fù)后的強度。樁在打入過程中產(chǎn)生擠土效應(yīng)，樁周土體結(jié)構(gòu)受到擾動，土中應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，強度減小。因此，打樁分析中樁側(cè)摩阻力的計算需考慮因土體擾動引起的強度折減。Stevens等[2]根據(jù)打樁的波動方程分析和現(xiàn)場打樁實測結(jié)果的擬合比較，提出了用經(jīng)驗修正系數(shù)Fp對上述樁側(cè)極限摩阻力進行修正，從而得到打樁作業(yè)時樁側(cè)單位摩阻力τf：

式中：OCR為黏性土的超固結(jié)比。

打樁過程中，樁在動力作用下隨著貫入深度不斷增大，樁周土體受到循環(huán)剪切作用，樁側(cè)摩阻力不斷折減，這種現(xiàn)象被稱為樁的側(cè)阻疲勞（friction fatigue）。在樁的可打性分析中，為更準確地模擬樁周土體的受力條件，樁側(cè)摩阻力的計算需考慮樁的側(cè)阻疲勞，GRLWEAP中可按指數(shù)衰減法考慮側(cè)阻疲勞對土層貫入阻力的影響[6-7]。

考慮采用側(cè)阻疲勞方法計算土層貫入阻力的主要缺點是需要通過反復(fù)迭代計算來模擬打樁過程中每一貫入深度處樁側(cè)摩阻力的變化，因此模擬計算過程耗時較長。實際工程應(yīng)用中為節(jié)省計算成本，通常不考慮側(cè)阻疲勞現(xiàn)象，但需確保打樁分析結(jié)果偏于保守。

2.2.2 單位端阻力

黏性土中樁的單位端阻力與樁側(cè)單位摩阻力相比，在樁的豎向承載力中占比較小，采用極限承載力計算方法進行計算（參考API RP2A-WSD[8]）：

式中：Nc為Skempton深基礎(chǔ)承載經(jīng)驗系數(shù)，取9。

3 某平臺系泊系統(tǒng)錨樁安裝可打性分析

以南海某氣田平臺深水系泊系統(tǒng)安裝工程為例，整個系泊系統(tǒng)位于以平臺為中心約2 000 m半徑范圍內(nèi)，水深約1 500 m，由4組系泊錨腿組成，每組包含4條連接于4根錨樁系泊腿的系泊纜，每組內(nèi)相鄰系泊纜之間的夾角為4°。樁型分為兩類：長樁68.5 m，目標貫入深度64 m，短樁65.5 m，目標貫入深度61 m，外徑均為2.134 m，采用深水打樁錘打入海床的安裝方法。本文分別取一組長樁（A、B、C、D）和一組短樁（E、F、G、H）進行可打性分析。

3.1 土性參數(shù)

系泊系統(tǒng)安裝區(qū)域錨樁貫入深度范圍內(nèi)的土層主要為黏土和粉質(zhì)黏土，局部土層描述為含鈣質(zhì)黏土。土的強度隨土層深度的增加而增大，海床表面為非常軟到軟的黏土，隨深度增加逐漸增強為硬到非常硬的黏土層。錨樁安裝貫入可打性分析采用最不利位置土的強度上限值及有效重度和超固結(jié)比剖面最佳估計值作為土層貫入阻力計算的輸入?yún)?shù)，如表2所示。

表2 土的設(shè)計參數(shù)

3.2 土層貫入阻力剖面

不同工況下土層貫入阻力剖面計算結(jié)果如圖1所示（LB為下限，UB為上限）。從圖1中可以看出，貫入阻力隨深度增加而增大。當貫入深度小于35 m時，在有土塞工況下，端阻力作用于錨樁實心圓形橫截面，相比無土塞工況下樁內(nèi)壁摩阻力和樁壁環(huán)形橫截面積端阻力之和較大，因此有土塞工況土層貫入阻力更大；當貫入深度大于35 m時，樁內(nèi)壁摩阻力逐漸增大，因此無土塞工況土層貫入阻力更大。

圖1 貫入阻力計算結(jié)果

錨樁安裝過程中可能出現(xiàn)打樁作業(yè)中斷，經(jīng)過一段時間后復(fù)打的情況，此時樁壁土體強度將隨著時間的推移而逐漸恢復(fù)，為考慮該工況，土層貫入阻力按土體強度完全恢復(fù)后的單樁極限承載力來考慮。復(fù)打工況中，在貫入深度較淺時，土層貫入阻力考慮樁內(nèi)壁摩阻力和外壁摩阻力相等，樁端阻力作用于錨樁空心環(huán)形橫截面。隨著錨樁貫入深度的增加，當樁內(nèi)壁摩阻力與樁內(nèi)土體斷面所產(chǎn)生的端阻力相等時，土塞形成，從此深度往下，土層貫入阻力考慮樁外壁阻力，而樁端阻力作用于錨樁實心圓形橫截面，即樁端阻力為土塞產(chǎn)生的端阻力和樁壁環(huán)形面積產(chǎn)生的端阻力之和。

復(fù)打工況下，貫入深度大于45m時，土層貫入阻力將超過其他工況，因此當錨樁貫入至45m以下時，需盡量避免打樁作業(yè)中斷，以降低拒錘的風險。

3.3 自入泥貫入

水下安裝時，錨樁在著泥以后會在自重作用下貫入海床一定深度，隨后將打樁錘置于樁頂，此時錨樁將繼續(xù)貫入海床，直至完成自入泥。錨樁自入泥深度通過錨樁（水中重量1 620 kN）或錨樁+打樁錘（MHU DWS 500 T深水打樁錘水中重量770 kN）自重與土層貫入阻力的平衡計算得出，針對上述不同工況下的土層貫入阻力剖面，錨樁自入泥貫入深度計算結(jié)果如表3所示。

表3 錨樁自入泥貫入深度

3.4 可打性分析結(jié)果

錨樁可打性分析計算結(jié)果匯總于表4中，貫入錘擊數(shù)隨深度變化的曲線見圖2，其中打樁總持時按打樁速率30錘/min計算得出。

圖2 貫入錘擊數(shù)計算結(jié)果

表4 達到最終貫入深度時的錘擊數(shù)和打樁所需總體時間

從計算結(jié)果可以看出，無土塞-UB工況最不利，共需5.6 h完成一根錨樁的打樁作業(yè)，其最終達到每貫入0.25 m錘擊數(shù)為113，小于連續(xù)打樁作業(yè)時250錘/0.25 m的拒錘標準，因此打樁作業(yè)可以順利完成。如果出現(xiàn)打樁作業(yè)中斷后再復(fù)打的情形，則最終每貫入0.25 m錘擊數(shù)為230，小于接近目標貫入深度或打樁作業(yè)中斷時650錘/0.25 m的拒錘標準，也能順利完成打樁作業(yè)。打樁過程中產(chǎn)生的樁身最大應(yīng)力約220 MPa，根據(jù)API RP 2A-WSD建議[8]，使用波動方程計算得出的樁身應(yīng)力應(yīng)不超過其最小屈服強度的80%～90%，而該項目錨樁鋼材的最小屈服強度為325 MPa，因此可判定打樁作業(yè)時不會發(fā)生樁身破壞現(xiàn)象。

3.5 溜樁風險分析

溜樁現(xiàn)象是指打樁作業(yè)過程中，在很少的錘擊數(shù)或者僅在錨樁和打樁錘自重作用下，錨樁在一段較長的深度范圍內(nèi)發(fā)生不可控制的貫入。溜樁現(xiàn)象通常發(fā)生在樁由較硬土層貫入至軟弱下臥土層時，此時土層貫入阻力突然產(chǎn)生較大幅度的下降，直至小于樁和打樁錘的自重之和，于是樁開始加速下沉，隨后土層貫入阻力逐漸增大，直至溜樁現(xiàn)象停止。溜樁現(xiàn)象是打樁作業(yè)過程中的重大隱患，可能對人員和設(shè)備造成傷害，因此需通過可打性分析評估溜樁的風險性。

本項目錨樁安裝位置貫入深度范圍內(nèi)的土層分布為不同強度的黏土層，強度總體隨深度的增大而增加，局部也會出現(xiàn)較深土層強度比較淺土層強度低的情況。由于海床表面土體強度普遍較小，在完成自入泥貫入以后，打樁作業(yè)起始階段每一次錘擊的貫入深度較大，因此需采用較小的能量設(shè)置開始打樁，然后隨著貫入深度的增加逐漸提升錘擊能量。

實際工程經(jīng)驗及研究表明，在連續(xù)打樁作業(yè)情況下，樁在貫入過程中最有可能發(fā)生的工況為無土塞工況。圖1顯示無土塞工況下土層貫入阻力隨深度逐漸增大，且貫入錘擊數(shù)也隨深度而增加，因此不會出現(xiàn)溜樁現(xiàn)象。有土塞及復(fù)打工況條件下，土層貫入阻力及貫入錘擊數(shù)在某些深度處突然減小，但由于貫入深度已達到錘擊數(shù)為30錘/0.25 m左右，若錘擊數(shù)突然減小至25錘/0.25 m左右，最多只能讓每次錘擊的貫入深度增加幾厘米，且此時的土層貫入阻力遠遠高于錨樁和打樁錘自重之和，因此可以判斷出現(xiàn)溜樁現(xiàn)象的可能性較小。

4 安裝記錄

錨樁可打性分析計算結(jié)果見表5，從表5可知，實際自沉值接近計算值（無土塞-LB工況），計算值更為保守；最終貫入錘擊數(shù)分布于無土塞-LB工況和無土塞-UB工況之間，只有G號樁在最終貫入深度內(nèi)出現(xiàn)了拒錘；B號樁中斷38 h的復(fù)打數(shù)據(jù)顯示，在該時間內(nèi)土壤強度并未得到有效恢復(fù)，對整體打樁影響不大，在后續(xù)打樁分析中宜增加中斷時間邊界評估；最后，計算安裝用時較實際值過于理想，實際安裝時間約為計算用時的3倍。

表5 深水錨樁安裝記錄

5 結(jié)論

（1）錨樁打入黏性土時，樁側(cè)摩阻力采用API推薦的α法（總應(yīng)力法）進行計算，并根據(jù)Stevens等提出的經(jīng)驗系數(shù)Fp進行修正，以考慮土體擾動所受的影響。

（2）在條件允許的情況下，為了更真實準確地模擬錨樁打入過程中樁周土體的受力條件，樁側(cè)摩阻力的計算應(yīng)盡量考慮樁的側(cè)阻疲勞。

（3）錨樁可打性分析需考慮有土塞、無土塞及復(fù)打等不同工況，應(yīng)評估樁身應(yīng)力及拒錘風險。南海某氣田平臺錨樁可打性分析結(jié)果表明，錨樁貫入深度較淺時，有土塞工況土層貫入阻力較大；達到一定深度后，隨著樁內(nèi)壁摩阻力的增大，無土塞工況土層貫入阻力則超過有土塞工況；最后，錨樁進一步貫入至接近目標貫入深度，復(fù)打工況土層貫入阻力將超過其他工況，拒錘風險增大，因此，錨樁貫入至較大深度時，需盡量避免中斷打樁作業(yè)。

（4）錨樁打樁作業(yè)時溜樁的風險需通過可打性分析結(jié)果進行評估，當土層貫入阻力不出現(xiàn)較大幅度的突變且每錘擊數(shù)產(chǎn)生的貫入深度變化不大時，出現(xiàn)溜樁現(xiàn)象的可能性較小。