高应变动测试验在水下桩基施工中的应用

蒲玉成，李飒，张培献

（1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452；2.天津大学建工学院岩土所，天津 300072；3.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

0 引言

早在20世纪70年代，桩基高应变测试方法就开始应用于我国海洋工程。唐念慈1978年对渤海12号工程的桩基进行了动测试验，评价了桩基的承载力[1]。2005年在渤海某场地海洋平台的建设中桩基拒锤后，动测法被用来进行了桩基承载力的评价[2]。由于其优越性，被广泛应用于跨海大桥、海上风电、港口工程等海洋建筑物的桩基检测。

现有的研究显示，绝大多数海洋工程进行的高应变动测试验为水面以上，水下的动测试验数量很少。截止目前为止，公开发表的水下动测试验为1996年Neil的相关描述[3]。

为尽快了解东海土质条件及其对打桩过程的影响，在东海某导管架平台桩基施工中采用了高应变动测方法对打桩过程进行了实时监测，这是我国首次采用高应变动测方法对水下打桩过程进行监测。

1 工程背景

导管架平台位于东海某地区，平均水深84.1 m，桩基采用大直径钢管桩。根据桩形分布、位置和受力作用，分为主桩和副桩，主桩位于4个角部的中心位置，共4根，主桩两侧为副桩。桩径φ2 438 mm，主桩桩长118.5 m，副桩117.6 m，设计入泥桩长96.0 m。每根桩重达434.9 t，桩基布置形式见图1。

图1 桩基布置形式Fig.1 Layout form of Pile foundation

用于安装导管架和打桩作业的作业船上配有MENCK MHU800S和1200S液压锤，液压锤是双动力，锤重分别为45.4 t和66.2 t，冲程分别为1.84 m和1.85 m，最大额定能量为800 kJ和1 200 kJ。MENCK打桩系统不用配备锤垫。由于打桩过程为水下作业，打桩船配备2个水下机器人（ROV），其中一个用来观察海底附近桩的贯入度，另一个用来观察打桩锤和桩顶情况。

根据地质勘察报告，作业场地地层主要以中密至密实粉细砂、粉土、硬至坚硬粉质黏土为主。勘察揭露深度为140.9 m，层序共分为17层，各土层沿深度分布见表1。

表1 土层分布情况Table 1 Soil layer distribution

2 高应变动测试验的实施

2.1 试验仪器

现场高应变动测试验使用的设备主要包括主机（PDA打桩分析仪）、传感器、主电缆。主机用来采集、存储和基本的实时分析，如CAPWAP和iCAP可以快速给出SRD、桩身应力、锤击效率等结果，本项目使用美国PDA公司的PAK主机。

2.2 试验步骤

2.2.1 传感器的安装

传感器安装位置距桩顶2倍桩径左右。由于桩基通过套筒导入泥中，为了避免传感器过早进入套筒而被损坏，传感器的安装位置应尽量靠近桩顶。

在桩体插桩就位之前将传感器安装于桩体，但此时传感器并不与主电缆连接，待插桩就位后，打桩开始前再进行电缆连接。由于本次试验为水下打桩监测，需要在传感器安装位置的侧面90°处焊接1个厚40 mm、长宽均为250 mm的耳板，用于固定主电缆和调节其长度。

为使ROV在水下清晰监视传感器，需要在传感器位置涂上1圈色泽鲜艳的油漆。

2.2.2 电缆的连接和处理

插桩就位后，打桩之前，使用工作篮接近桩身并进行主电缆与传感器的连接（图2），主电缆的另一端连接到PDA打桩分析仪上。

图2 主电缆与传感器的连接Fig.2 The main cable connected to the transducers

进行水下测试需要注意保持合适的电缆长度，电缆应尽量放松。由于电缆的水下部分不可见，所以电缆长度应预先进行标记，并根据桩体入泥情况，通过标记随时释放电缆长度。此外还需要注意，防水电缆为了抵抗拉力，内部嵌有钢丝，自身重量很大，150 m长的电缆，带卷轴重量达到100 kg，需要专人负责。检测之前，电缆应完全铺开，最好采用绞盘进行电缆释放和回滚。

2.2.3 打桩过程监测

PDA打桩分析仪放置在打桩锤控制室，这里配备有ROV显示屏，能够清楚地观察记录桩的贯入度情况。

打桩开始前ROV下水观察确保电缆和锤的管线与导管架没有缠绕，测试工程师检查PDA上的信号，确保传感器正常工作。监测现场至少需要2位检测工程师，一位监测PDA打桩分析仪和桩的贯入度，另一位专门控制电缆长度。

桩的贯入信息应及时传递给控制电缆的工程师，以确保打桩过程中释放足够长的电缆，尤其在打桩开始阶段，需要在水中释放额外长度的电缆。

在试验过程中注意数据的保存。打桩完成起吊桩锤时，确保桩锤控制管线与主电缆保持分离。如需要复打，复打之前需将主电缆安全固定在导管架平台上。

打桩结束时传感器位于水底，一般难以回收，仅回收主电缆。

3 高应变动测结果与分析

2根试验桩为A1-3和B1-3（见图1）。2根桩初始入泥21 m左右，采用MHU1200S锤进行打桩作业，打桩的锤击能量介于300~500 kJ。在打桩开始后不久，2根桩均出现不同程度的溜桩，总体打桩情况见表2。

PDA打桩分析仪测量的动态数据用来评估打桩锤和打桩系统的性能、桩头压缩应力和桩身结构的完整性，采用CAPWAP得到相应的结果见表3、表 4。

表2 打桩过程Table 2 Piling Procedure

表3 A1-3锤效、桩身应力以及完整性Table 3 Energy transfer efficacy,pile stress and integrity of A1-3

表4 B1-3锤效、桩身应力以及完整性Table4 Energy transfer efficacy,pilestressand integrity of B1-3

从表中可以看到，打桩过程中，锤输出能量可以有效作用在桩体上，桩身最大拉、压应力均小于许用应力，桩身结构完整。

4 打桩结束时的桩基承载力

根据PDA的动态数据，计算了桩体在不同深度处的承载力，结果见表5、表6。

表5 A1-3桩不同深度处桩的承载力Table5 Pilecapacity along thedifferent depth of A1-3

表6 B1-3桩不同深度处桩的承载力Table 6 Pile capacity along the different depth of B1-3

从表中可以看到，由于溜桩的产生，溜桩后桩的承载力受到明显影响，溜桩段（A1-3桩38 m，B1-3桩20 m）地基土提供的承载力很小。

5 水下动测试验的特点

高应变动测法成功应用于海洋工程水下打桩，这在国内尚属首次。与水上试验相比，水下动测试验的主要特点有：

1）传感器所在位置不同，水下动测试验传感器需要入水，而水上动测试验传感器始终位于水面以上。

2）由于传感器入水，对相应设备的要求也就不同。水下测试使用的传感器和电缆必须全部为防水型，并需要在试验前增加保护措施。

3）测试成本有很大差别，水上试验传感器和电缆都可以回收重复使用，而水下试验传感器为一次性使用，电缆虽可以回收，但由于回收方法还存在缺陷，造成其回收后能否再次使用需要进行测试评估，从而造成试验成本大幅度提高。

4） 由于测试全部在水下，试验过程中需要ROV协助进行，而水上测试则不存在这一问题。

5） 由于海洋环境恶劣和地质条件复杂，使水下动测试验的风险加大，对传感器安装、传感器与电缆连接和测试过程中电缆的处理提出了更高的要求。

鉴于水下动测试验的特殊性，试验过程中应充分注意：

1） 良好的沟通非常重要，测试中所有人员的积极配合是保证试验顺利进行的基础。

2） 传感器、桩和主电缆之间的连接应精心设计，以减少连接时间，并且有助于电缆回收，节约成本。

3）应指派专人照看电缆，避免发生缠绕。

6 结语

水下桩基动测试验过程复杂，成本较高，掌握水下桩基动测技术有助于提高我国海洋工程现场测试水平。

试验过程中在传感器安装、电缆连接以及数据采集等环节都具有自身特点，每一个环节都不能有失误，否则将造成整个试验的失败。试验过程中各方面需要及时沟通和协调，这是保证试验成功的重要前提。

现场实测数据显示，本次打桩过程中桩身最大拉、压应力均小于许用应力，桩身完整性较好。

[1] 唐念慈.渤海近海平台的打桩分析[J].南京工学院学报，1980（1）：48-55.TANG Nian-ci.Pile driving analysis of Bohai offshore platform[J].Journal of Nanjing Instituteof Technology，1980（1）：48-55.

[2] 李飒，韩志强，杨清侠，等.海洋平台大直径超长桩成桩机理研究[J].工程力学，2010，27（8）：241-245.LISa，HANZhi-qiang，YANGQing-xia，et al.Theformation mechanism of super large diameter and deep penetration pile in offshore platform[J].Engineering Mechanics，2010，27（8）：241-245.

[3]HARNAR Neil，LIKINSGarland.Underwater dynamic testing experience[C]//Proceedings of the fifth international conference on the application of stress-wavetheorytopiles.Orlando，1996：12-17.