海洋平台桩基承载力检测与沉降监测

王圣强，马德强，王彦博，孟凡星

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

海洋平台桩基承载力检测与沉降监测

王圣强，马德强，王彦博，孟凡星

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300452）

以渤海某海洋平台为例，通过对该平台桩基承载力的检测，分析得出该平台承载力未达到设计值，故对该平台桩基进行了为期一年的沉降监测，在监测中，使用了适合海洋平台长期监测的光纤光栅技术。监测结果表明，平台的关键部位没有发生倾角的变化，因此判断桩基础没有发生不均匀沉降，此平台是安全的。建议在今后的使用过程中，平台使用方应继续按照桩基监测报警戒线的要求执行，不能随意增加上部荷载，同时必须严格控制活荷载，以保证平台桩基的安全。

海洋平台；承载力检测；桩基；监测

海洋石油平台远离大陆，要经受各种恶劣的环境条件，因而具有较大的风险性。为确保海洋平台的安全，通常在设计过程中对各种可能遇到的风险进行计算分析，以确保平台在建造与使用过程中的安全性和可靠性。但是，有些情况下平台在建造或使用过程中不能完全满足原设计要求，这时就需要对平台进行承载力检测与沉降监测，以确保海洋平台的安全。

1 工程概况

某海上油田位于渤海湾东北部海域，建有两座平台，即CEP平台和WHPB平台，水深约13 m，其中WHPB平台包括导管架、上部组块、钻井模块和生活楼等设施，如图1所示。

图1 某海上油田的WHPB平台

WHPB平台为6腿6桩结构，根据所处海域的土壤特征和上部荷载情况，设计各桩的入泥深度为104 m，设计承载力为56 MN。但是，在打桩施工过程中出现了意外，桩基没有打到设计深度，平均每个桩基的入泥深度与原设计大约相差15 m，使得每个桩基的承载力达不到设计要求，平台有可能发生沉降。

2 承载力检测

WHPB平台有6根钢管桩，其桩位平面图如图2所示。设计桩型尺寸为D 1.524 m×123.80 m，6根桩的桩顶均向平台内倾斜，桩设计入土深度为104 m，实际入土深度89.0 m，露出水面约22.0 m，估计单桩轴向抗压极限承载力为36.5 MN。

图2 WHPB平台桩位平面示意

2.1 检测方法

按照中华人民共和国行业标准JBJ 106-2003《建筑桩基检测技术规范》中的有关规定进行，本次检测的仪器采用美国PDI公司生产的PAL桩基动力检测仪。

高应变检测法的基本原理是：采用一定落高、一定质量的重锤敲击桩顶，当桩顶受到锤击力时，产生弹性应变，此应变以纵波形式沿桩轴向下传递，应力波沿桩身传递规律遵循一维波动方程。通过安装在距桩顶2倍桩径以下位置的应力传感器和加速度传感器测量出其桩体响应，再用公式 （1）计算出单桩极限承载力Rc。

式中Jc——桩尖阻尼系数，其取值与桩端土质有关；

F——锤击力/kN；

Z——桩基材料波阻抗/（kN·s/m）；

V——质点运动速度/（m/s）；

t1——波传播时间/s；

t1+2L/c——桩底反射的对应时间/s；

L——测点下桩长/m；

c——波速/（m/s）。

根据实测到的桩顶处力与速度的时程曲线，可以得出有关承载力、桩身完整性、锤击能量、桩身应力等许多分析结果。其现场工作原理如图3所示。

图3 高应变检测法现场工作原理示意

2.2 实测情况

在检测过程中，使用MHU-1200S型打桩锤，锤击系统能保证锤击力作用方向沿桩身轴向方向。为监视和减少可能出现的偏心锤击的影响，检测时沿桩身两侧轴向方向安装应变传感器和加速度传感器各两只。钢桩波速值设定为5 120 m/s，钢桩质量密度设定为7.85 t/m3。根据施工数据，选择锤击能量为1 000 kJ，每根桩锤击9锤并采集了信号。实际采集每锤信号时，在传感器安装处未发生塑性变形现象，力和加速度曲线最终均归零，未出现严重锤击偏心情况，在多次锤击下承载力下降不明显，四通道测试数据正常，信号一致性较好，符合规范要求。

2.3 检测结果

结合本工程地质资料和实测情况，并比较每根桩各锤信号质量的细微差异，各桩均选取其中一个锤信号进行波形拟合，得出高应变动力检测结果见表1。

表1 应变动力检测结果

3 桩基沉降监测

通过上述检测结果分析，在现有桩基深度下，单桩平均承载力可达50.08 MN，虽未达到设计承载力 （56 MN），但通过控制上部荷载的方法，仍可以保证平台的安全使用。但是考虑到诸多不确定因素的影响，如土壤特性的不确定、评估桩基极限承载力的不确定以及作业期间上部荷载的不确定等，为进一步确保平台的安全，该平台建造方委托大连理工大学进行了桩基沉降监测。

桩基沉降分为两种不同的情况加以考虑。如果桩基础失效，那么必然引起较大的不均匀沉降，整体结构处于危险状态；如果桩基础没有失效，但是由于土壤特性发生变化 （持力层性质不稳定）以及上部荷载的作用，桩基同样会产生较小的不均匀沉降，这种变化如果不加以控制，同样也会对结构产生较大的影响。其中第二种类型的沉降是现阶段应该重点监测的对象。

3.1 沉降监测原理

对于陆上结构的沉降监测可以采用相邻建筑物作为参照系对比，直接实测出目标建筑物的真实沉降量，海上结构沉降监测恰恰缺乏此类固定的参照系，使得现有的陆上沉降监测技术难以直接应用于海上项目，因此，对于该项目只能选用不需要相对参照系的间接监测方法。对于该平台沉降的监测采用的是力学反演方法，该方法不需要固定的相对参照系，因此非常适合于海洋工程沉降监测项目。

基于优化理论的力学反演方法，将待反演的结构不均匀沉降量作为优化变量，将计算结果和观测结果的差值作为目标函数，然后通过各种不同的优化方法来求解这个问题，最终可以得到结构的不均匀沉降量。如果平台桩基发生了不均匀沉降，必然会引起导管架关键位置倾角的变化，这些微小的倾角变化可以通过相关仪器监测到，再按照上述反演方法就可以计算结构的不均匀沉降。桩基沉降反演流程如图4所示。

图4 桩基沉降反演流程示意

3.2 监测设备及测点布置

整个桩基监测系统分传感器、数据解调、数据采集三部分，传感器包括光纤光栅传感器和大地梁式倾斜仪。

在海洋平台这样复杂的结构环境中，使用传统的电阻应变片无法进行长期监测，因此采用了光纤光栅传感器来测量应变，光纤光栅传感器是由高分子材料组成，耐腐蚀，适合于长期健康监测。本项目使用的DGK-6750大地梁式倾斜仪属于液体摆式倾斜仪，具有较好的抗振动性能，可以很容易地安装到现场且不需要维修。在光纤监测中，我们使用的是美国Micron光学公司生产的Sm125光纤光栅解调器，该子系统用于传感器的数据采集和初步处理，它是为测量低速变化量，像应力、温度和压力参数而设计的，被广泛应用于桥梁、大坝、建筑物等长期监测。

沉降监测点传感器包括倾斜仪和光纤应变传感器，即通过关键位置的倾斜变化和应力变化间接计算平台桩基的沉降。这就需要找到对于桩基沉降比较敏感的结构部件，通过数值模拟计算可以得到所需的结构位置及其响应。考虑了以下的工况：A1、A2、A3、B1、B2、B3各腿分别沉降；A1和B1、A2和B2、A3和B3沉降。以计算为基础，在距海平面5.2 m （EL 5 200）处挑选出6个测点 （如图5所示），这些点均能够充分反映某些沉降工况，而且特点非常明显，这样非常有利于反演计算桩基的真实沉降。

3.3 沉降监测实施

图5 EL5200上的6个测点 （Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q8）

沉降监测中的数据主要来自倾斜仪，针对大地梁式倾斜仪设计开发的相应数据处理软件，能自动采集数据、定时储存。在实际检测中发现数据中含有一些由于电压漂移、温度变化带来的噪音，为了使反演数据得到的结果更加准确，必须对该噪音进行处理，得到更准确的倾角变化信息。

基于优化理论的反演方法计算，其一般形式为：

式中x——待反演量，此处为各桩的沉降量；

A——非线性计算过程，此处为通过结构计算分析在沉降量为x的情况下，各测点在理论上的角度改变量；

b——包含观测噪声的观测量，在此指观测

各点得到的角度改变量。

3.4 监测结果及分析

基于土壤畸变理论计算得出在现有条件下，单桩的最大沉降约为10 cm，因此，在桩基沉降数值模拟分析中，选择10 cm为单桩的最大沉降量，进而得到在此沉降下结构关键部位的响应，为最终的平台倾斜监测提供理论数据。

当监测结果发现平台桩基的沉降达到容许值的85%时，系统将进行警告，平台作业操作人员必须停止作业，并继续观察沉降情况。如沉降趋于稳定，则可恢复平台作业；如沉降继续增加，当平台的沉降达到容许值的95%时，平台所有人员必须撤离，并对平台重新评估，以确定平台能否继续使用。

自开展监测以来，在历时一年的时间内，该平台沉降监测中并没有发生关键位置倾斜角变化。根据沉降监测的反演理论，认为平台没有发生不均匀沉降。如果6个桩基同时发生沉降，且沉降量相同，倾斜仪测点部位的角度变化将非常小，当该变量小于倾斜仪的精度时，是测不出来的。为此，我们还同时对平台荷载进行了监测，以便能控制平台上部总的荷载量，在此不再论述。

4 结论

由平台桩基承载力检测结果可知，该平台桩基没有达到设计承载力，故需对该平台进行长期监测。在此次桩基沉降监测中，使用了适合海洋平台长期监测的光纤光栅技术，该技术在国内外一些大型工程中已得到应用，但是在海洋工程领域的应用尚属首例，因此，这次检测为该技术在海洋工程监测领域的应用积累了宝贵的经验。

在监测过程中，平台的关键部位没有发生倾角的变化，因此判断桩基础没有发生不均匀沉降。在今后的使用过程中，平台使用方应继续按照以上桩基监测报警戒线的要求执行，不能随意增加上部荷载，同时必须严格控制活荷载，只有这样才能保证平台桩基的安全。

[1]胡帅.桩基施工与常用的检测手段[J]．西部探矿工程，2004，（11）：28-31.

[2]孙圣和，王廷云，徐影.光纤测量与传感技术[M].哈尔滨∶哈尔滨工业大学出版社，2002.

[3]陈亮.失效分析在海洋平台工程中的应用[D].大连：大连理工大学，2006.

[4]JBJ106-2003，建筑桩基检测技术规范[S].

[5]徐丹.光纤传感器应变监测的应用研究[D].大连：大连理工大学，2008.

[6]陈波，闫澍旺，陈文金.海洋平台单列群桩效应的研究[J].石油工程建设，2002，（2）：12-16.

Bearing Capacity Inspection and Settlement Monitoring of Offshore Platform Pile Foundation

WANG Sheng-qiang（Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300452,China），MA De-qiang,WANG Yan-bo，et al.

The pile foundation bearing capacity of an offshore platform in Bohai Bay was inspected and it was found that the bearing capacity of this platform was under the design value.Hence,a one-year settlement monitoring for the platform was carried out by using optical fiber gratings suitable for long period monitoring of offshore platform.The result indicated that there was no change in platform obliquity,thus the uneven settlement of the pile foundation did not happen and the platform was safe.It is suggested that the platform applica-tion henceforth should continuously be in accordance with the alarm conditions of the pile foundation monitoring,the upper loads on the platform should not increase at discretion and the active loads must be strictly controlled so as to ensure safety of the pile foundation

offshore platform；bearing capacity inspection；pile foundation；monitoring

10.3969/j.issn.1001-2206.2012.05.004

王圣强 （1981-），男，山东梁山人，工程师，2008年毕业于天津大学，获得岩土工程硕士学位，现主要从事海洋平台陆地建造及海上安装工作。

2011-08-05；

2012-06-14