海洋工程大直径长桩自由入泥深度计算研究

2014-03-15黄怀州张孝卫刘玉玺贾沼霖闫澍旺

石油工程建设 2014年1期

关键词：泥面海洋工程计算方法

黄怀州，张孝卫，刘玉玺，贾沼霖，闫澍旺

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

2.天津大学建工学院，天津 300072

海洋工程大直径长桩自由入泥深度计算研究

黄怀州1，张孝卫1，刘玉玺1，贾沼霖2，闫澍旺2

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

2.天津大学建工学院，天津 300072

海洋工程大直径长桩在就位后置锤的瞬间会发生自沉，校核土面以上部分的桩段在锤和桩的自重作用下发生屈曲失稳的可能性是桩可打入性分析的一个重要步骤。文章根据土力学的极限承载力理论，在分别介绍了桩自由入泥深度计算方法、桩端阻力计算方法、桩自由入泥深度判断方法的基础上，提出了计算桩自由下沉深度的评估方法。工程实例计算表明，该评估方法与实测数据吻合较好，可用于指导工程设计。

海洋工程；大直径长桩；自由下沉深度；极限承载力；屈曲失稳

Keywords：

offshore engineering;free penetration depth;bearing capacity;buckling

0 引言

随着海洋石油天然气开采逐渐向深海发展，深海基础结构物中出现了大直径、超长的打入桩，所用桩锤的重量和能量也越来越大（如 I HC S-1200 型液压锤的锤重力达 1 600 kN 以上），所面临的施工环境条件（如海流、波浪、大风）也更加严酷。这给工程设计人员提出了更高的要求，即必须确保所设计的施工设备组合（桩锤）在严酷的环境中能顺利地把桩打入到设计的贯入深度。要做到这一点，首先必须保证打桩系统自身满足稳定性要求，即需保证锤置于桩顶的瞬间，桩在系统自重及环境荷载作用下应能满足稳定性要求，一般称之为桩的自由站立稳定性分析。分析方法类似于压杆稳定分析，即将泥面视为固端，分析泥面以上的桩体在桩自重和锤重作用下的稳定性：其一，沉入土中的桩段能否对泥面以上的桩段起到固端的作用；其二，泥面以上的桩段是否满足自身稳定的长细比要求。这两个问题都与桩在自重和锤重作用下的自由入泥深度有关，而自由入泥深度主要由地基土对桩的下沉阻力决定。

海洋工程大直径桩在置锤的瞬间，在锤和桩的自重作用下，桩会下沉到泥面以下几米甚至几十米深的土层内，直到桩周土阻力与上述自重达到平衡，此时桩的入泥深度称为桩的自由入泥深度。在计算中，过高地估计桩的自由入泥深度会使桩的自由站立稳定分析结果偏于危险。自由站立稳定分析主要是计算土面以上的桩体在桩自重和锤重的作用下发生屈曲的可能性，是校核桩可打入性的一个重要指标。因此，比较准确地估算桩的自由入泥深度非常重要[1]。

目前还没有较成熟的方法用于计算桩的自由入泥深度和溜桩，大多是套用API规范[2]的桩基承载力计算方法，还有的是根据经验来确定，因此得到的结果往往与实际工程情况有较大的偏差。通过研究发现，主要问题是对桩端阻力的估算不准确。

目前对于桩承载力的设计计算方法都是基于保守的考虑，海洋工程常用的 API 规范[2]也如此。这对于结构物在使用期间的安全性无疑是有利的，但如果用这些方法来考虑桩的自由入泥深度和溜桩，则会产生不利的结果。例如，如果用 API 规范计算承载力的公式来估算初始阶段桩重与锤重共同作用下的桩自由入泥深度，就会得出入泥过深的结果，而实际的桩自由站立长度就会大于设计值，从而增加了桩产生屈曲的可能性。

对于表层为较深厚的软黏土情况，桩的自由入泥深度较深，因此泥面以上的悬空段相对较短，一般不存在自由站立的稳定性问题。对于表层土比较坚硬的砂土情况，就容易出现问题。本文采用土力学中计算桩基极限承载力的方法来估算桩的入泥深度，计算结果比较合理。计算实例表明，估算结果与实测值比较接近。

1 桩自由入泥深度的计算方法

1.1 桩侧摩阻力的计算方法

API 规范推荐的桩侧摩阻力的计算方法考虑了在桩下沉或打入过程中，桩侧摩阻力会有所折减。折减程度取决于土本身的抗扰动特性及扰动因素的强弱。对于地基表层有较深厚软土层的情况，桩侧摩阻力在桩下沉运动（自沉或打入）时会有较大的折减[3]。在很多海域，地表是由粉质黏土和粗粒土（粉土和砂）组成的硬壳层，桩在自由下沉过程中，桩侧摩阻力可直接按 API 规范推荐的方法计算：

（1）进入黏土中桩单位面积侧摩阻力f：

式中α——量纲为 1 的系数；

c——相应点土的不排水抗剪强度。

系数α可用式（2）计算：

式中φ——c／p′o的相应点；

p′o——相应点的有效覆盖土压力／kPa。

（2）进入砂土中桩单位面积侧摩阻力对于非黏性土中的钢管桩，其桩侧摩阻力可用式（3）计算：

式中k—— 横向地基压力系数；

δ—— 土与桩壁之间的外摩擦角。

1.2 桩端阻力的计算方法

对于大直径的长桩，由于重量很大，因此无论自由下沉还是溜桩，它最后都会停止在桩端部承载力较高的砂土层中。对于在砂土中的桩端承载力，一般都是用桩端管壁横截面的面积乘以单位面积桩端承载力来计算。对于单位面积的桩端承载力q，API 标准给出的计算公式为：

式中p0——桩端处的有效上覆压力／kPa；

Nq——无量纲承载力系数，可从 API 规范中查得。

需要注意的是，为了保证设计安全，API 规范中推荐的Nq值是保守值，由此算得的结果用于桩的下沉分析偏于危险。因此对于下沉问题的分析，应采用比较符合下沉真实受力状态的极限承载力来分析。

在土力学中，计算桩端单位面积极限承载力的公式有太沙基公式（1943年）、迈耶霍夫公式（1951年）、别列柴策夫公式（1961年）等。其中别列柴策夫公式适用于板桩的极限承载力计算，因此也比较适用于计算桩壁形成的环状基础承载力。

别列柴策夫公式假定的破坏模式如图1所示[4]，别列柴策夫提出的基底极限承载力计算公式由下列两个式子组成：

式中qu——基底极限承载力／kPa；

qD——基底平面处土的超载／kPa；

Nq,Nγ——承载力系数，可根据基底下土的内摩擦

角从图2查得；

γ′——土体浮容重／（kN/m3）；

B——基础宽度／m；

αγ——衰减系数，可从表1查得；

γ0——基底平面以上土体天然容重／（kN/m3）；

D——基础埋深／m。

图1 别列柴策夫方法的破坏模式

图2 别列柴策夫方法的承载力系数

表1 衰减系数γ

基础深度罐壁厚度t/mm H/m 5 10 20 30 50 70 25 0.73 0.61 0.47 0.37 0.27 0.22 30 0.77 0.67 0.57 0.50 0.41 0.39 35 0.81 0.74 0.67 0.63 0.59 0.57 40 0.85 0.79 0.75 0.73 0.7 0.69

计算中需要用到土的内摩擦角，可由勘察单位提供。在缺少资料的情况下可依据《工程地质手册》[5]中提供的土的平均物理、力学指标来选用内摩擦角。总结得到的砂性土内摩擦角见表2。

当桩的下沉力大于桩端土极限承载力时桩才会下沉，而地勘报告中给出的计算桩基承载力的单位桩端阻力一般用于设计阻力计算，因而偏于保守，如果选用这样的计算参数分析自由贯入和溜桩，都是偏于危险的。

表2 砂土的平均内摩擦角指标

1.3 桩自由入泥深度的判断

土对桩自由下沉的总阻力为桩侧阻力（包括桩内侧阻力和桩外侧阻力）与桩端阻力之和：

式中Qd——土对桩的总的阻力/kN；

Qf——桩侧摩阻力/kN；

Qp——桩端环状基础的承载力/kN；

f——单位面积桩侧摩阻力/kPa；

As——桩内、外侧总表面积/m2；

q——单位面积桩端承载力/kPa；

Ap——桩段环状基础面积/m2。

桩的自由入泥深度可通过比较桩总重（桩重＋锤重）与土对桩下沉的阻力大小来判断。总的下沉力为桩自重与锤重之和：

式中Wp——桩自重/kN；

Wh——锤重/kN；

F——桩的下沉力/kN。

在桩的自由下沉停止处，应满足平衡条件:

2 工程算例

南海某油田土层的物理力学参数如表3所示，桩的设计参数如表4所示。锤型为 MHU 1200，锤重与桩重之和为 8 075 kN。计算结果如表5所示。

表3 各土层的物理力学参数

表4 桩的设计参数

由表5可以看到，在深度为 11.1 ～ 14.0 m 的粉砂层中，土对桩的总阻力由层顶的 4 339.7 kN 增加到层底的9 214.9 kN，与下沉力F= 8 075 kN 相比，可推知桩的最大自由下沉深度即在此土层中。插值计算结果表明，桩的自由下沉深度为 12.2 m，这与实测的 12 m 非常接近。如果按API 规范取值计算，则计算的自由入泥深度在 18 m 以上。

表5 桩自由下沉深度的计算结果

3 工程应用

基于上述算法与实测数据吻合度较高，故采用该算法对丽水工程钢桩的自由入泥深度、溜桩区间进行了预测。锤型为 1200型，桩重力为 4 349.2 kN，桩与锤的重力之和为 5 987.2 kN。丽水工程的土层勘察数据见表6，桩的设计参数见表7，桩身自由入泥深度的计算结果见表8。

表6 丽水工程各土层物理力学参数

表7 丽水工程桩的设计参数

表8 丽水工程桩身自由入泥深度的计算结果

根据桩侧摩阻力和桩端阻力的计算结果，可算得桩的自由入泥深度为 13 m，与实测结果 14.1 m 较为吻合，再次印证了该方法的实用性。

4 结束语

海洋工程大直径长桩在就位后置锤的自由下沉深度，对于校核在土面以上部分的桩段在锤和桩的自重作用下的稳定性是非常重要的，此时桩的稳定性主要受桩在土面以上长度的制约。本文根据土力学的极限承载力理论提出了计算桩的自由下沉深度的评估方法，工程应用实例表明，该方法与实测数据吻合较好，可以用于指导工程设计。

[1]Stevens R F,Wiltsie E A,Turton T H.Evaluating Pile Drivability for Hard Clay,Very Dense Sand and Rock[A].Proceedings of 14th Annual Offshore Technology Conference [C].Houston,Texas:OTC,1982.Vol.1,65-481.

[2]API RP 2A,Recommended Practice for Planning,Designing,and Constructing Fixed Offshore Platforms — Working Stress Design 21st Edition（2007）[S].

[3]Dover A R,Davidson J.Large Diameter Steel Pipe PilesRunning Under Self Weight In Soft Clay Predicted vs.Observed Behavior Richmond-San Rafael Bridge Seismic Retrofit.ASCE Ports 2007:30 Years of Sharing Ideas:1977-2007 [A].11th Triennial International Conference on Ports [C].San Diego,CA.American Society of Civil Engineers,2007.1-10.

[4]钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算（第二版）[M].北京：中国水利水电出版社，1996.338-339.

[5]《工程地质手册》编委会.工程地质手册（第三版） [M].北京：中国建筑工业出版社，1992.

Research on Free Penetration Depth of Large Diameter and Long Pile in Offshore Engineering

Huang Huaizhou1,Zhang Xiaowei1,Liu Yuxi1,Jia Zhaolin2,Yan Shuwang2
1.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.，Tianjin 300451,China
2.School of Civil engineering ,Tianjin University,Tianjin 300072,China

The large diameter and long pile used in offshore engineering will penetrate into the soil to a certain depth after it is located with the hammer on the top.The stability of the pile section remaining in the air has to be checked in the design stage,which is subject to the weight of the hammer and the self-weight of the pile and has buckling possibility.Therefore,it is important to estimate the pile penetration depth accurately.In this paper,a calculation method is put forward for estimating the free penetration depth of pile based on the bearing capacity theory in soil mechanics.This method has been used in a practical project and the results agree well with the observed data.