荔湾3-1平台水下桩基动力检测技术的应用

秦立成，李宏，于文太，何敏，冷志

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452

2.环境保护部核与辐射安全中心，北京100034

荔湾3-1平台水下桩基动力检测技术的应用

秦立成1，李宏2，于文太1，何敏1，冷志1

1.海洋石油工程股份有限公司，天津300452

2.环境保护部核与辐射安全中心，北京100034

荔湾3-1中心处理平台位于水深189.5 m处，平台基础为带16根桩的群桩结构，每根钢桩质量754 t、直径2 743 mm、长度158 m、入泥深度135 m、设计承载力130 MN。该桩基工程具有土层地质条件复杂、施工难度大、工程造价高等特点，在钢桩的结构设计、桩可打入性分析及具体打桩施工过程的监测方面面临很多问题。为保证荔湾3-1中心处理平台钢桩的顺利打入，需要进行水下桩施工检测，检测施工过程中钢桩的受力状态、打桩锤的效率传递等，以期获得真实可靠的桩基承载力数据。采用的桩基高应变动力检测技术和检测结果有效地指导了现场施工，并为类似水下钢桩动力检测提供了宝贵经验。

荔湾3-1平台；高应变动力检测；桩基工程；承载力

0 引言

荔湾3-1中心处理平台位于我国南海水深189.5m处，其导管架为8腿导管架，质量约32 000 t，外4腿的群桩套筒各带4根钢桩，其中每根钢桩质量为754 t、直径为2 743 mm、长度为158 m、入泥深度为135 m，最终的设计承载力为130 MN。该平台工程桩的桩身长、直径超大、施工难度也大，并且桩基所处地层地质条件复杂，因而在沉桩过程中可能会发生拒锤、桩身损坏等现象。因此，必须寻求一种合理、可行、可靠的方法检测出在沉桩过程中桩身是否损坏；检验因拒锤钢桩入泥深度未能达到设计入泥深度时，或者钢桩入泥深度达到设计入泥深度时，桩的承载力是否满足工程要求。因此本文尝试采用高应变动力检测技术对海洋平台水下桩基沉桩过程进行检测。高应变动力检测是用重锤冲击桩顶，使桩周土产生塑性变形，实测的力和速度时程曲线将全面反映地基土对桩的阻力作用和桩身力学阻抗的变化，通过波动理论分析得到桩土体系有关性状[1]。高应变动力检测技术具有方便快捷、受测试条件约束少、试验数据丰富、检测费用低等优势[2]。

国内已开展的高应变动力检测技术应用研究基本上都是针对陆地桩基进行的，而对海洋平台水下桩基的动测研究尚属首次，本文针对海洋平台桩基施工的特殊情况，对荔湾3-1平台的打桩进行了高应变动力检测，验证了此平台桩基的初打承载力并推算最终承载力，监测了钢桩本身的完整性，检验了锤击能量的传递效率等。检测和分析结果为水下桩基设计和施工提供了参考依据。

1 高应变动力测桩法的分析理论

本文采用CASE法和CAPWAP法作为高应变动力测桩法的分析理论，CASE法可现场估算单桩承载力，CAPWAP法通过建立相对完善的桩-土力学模型，可进行曲线拟合。

1.1 CASE法

CASE法计算简单，在现场就可以根据下式计算出单桩承载力：

式中Rs——CASE法计算的单桩承载力；

Jc——CASE法阻尼系数；

t1、t2——分别为速度第一峰值、第二峰值对应的时刻；

F（t1）、F（t2）——分别为t1、t2时刻对应的测点处实测的捶击力；

V（t1）、V（t2）——分别为t1、t2时刻对应的测点处实测的速度；

Z——桩身阻抗；

L——测点以下桩长；

C——桩身应力波波速；

A——桩身截面积；

E——桩的弹性模量。

1.2 CAPWAP法

CAPWAP法是实测波形拟合法，假定桩-土力学模型及其参数，用实测桩顶（应变片处的桩截面位置）的运动速度（或力、上行波、下行波）曲线作为输入边界条件，数值求解波动方程，计算桩顶（应变片处的桩截面位置）的力（或速度、下行波、上行波）曲线[3]。如果计算的曲线与实测的曲线不吻合，即假设的桩-土模型或其参数不合理，则可根据具体情况调整模型及参数重新计算，直到计算曲线与实测曲线吻合。

2 荔湾3-1平台水下桩基动测的具体实施

2.1 钢桩可打入性分析

荔湾3-1平台钢桩的几何和物理参数见表1，平台所在位置的地基土质性状见表2。

表1 钢桩的几何和物理参数

首先利用GRLWEAP软件进行该平台钢桩可打入性分析，计算结果表明用MHU-1200S液压锤在85%的能量下停锤时间过长时可能会在第15层砂土层中发生拒锤现象，因此在施工过程中若在最末砂层停锤将存在较大的拒锤风险。为了有效地降低拒锤风险，对打桩过程进行了全程监测。

表2 荔湾3-1平台地基土质性状

2.2 动测设备及操作程序

2.2.1 动测设备

荔湾3-1平台桩基动测所用的主要设备见图1。

图1 动测设备

（1）PDA（Pile Dynamic Analyzer）动测分析仪。这是动测的主要仪器，能够实时采集、存储数据，并现场展示CASE法的结果。

（2）数据线。主要是用来把加速度传感器和应变传感器收集的信号传递到PDA分析仪，本项目需要应用防水数据线。

（3）加速度传感器和应变传感器。本项目中应用的全部为防水型，安装时需避开焊缝和应力集中位置。

2.2.2 动测操作程序

在荔湾3-1平台桩基工程中由于各根桩的规格一致，考虑到实际情况只选择了B1-2桩和B1-3桩进行了测试。测试总平面分布见图2，桩基施工示意见图3。

图2 测试总平面分布

图3 桩基施工示意

（1）在起桩前完成传感器的安装。

a.在运输驳船上对桩进行打孔以便固定传感器，打孔位置距离桩顶5.5～6.0 m。

b.焊接一个挂线吊耳，此吊耳与两侧的传感器各成90°，并且在桩上将吊耳和传感器位置上用白色标注，以便操作ROV时易于发现。

c.进行传感器及数据线的连接固定，如图4所示。

d.将数据线和PDA主机连接好，再根据桩的属性把相关参数输入主机。

图4 水下传感器等部件连接示意

e.对钢桩需要进行水下切割分离的部位用颜色进行标注，以便于ROV操作。

（2）在插桩前完成防水数据线连接。

a.在运输驳船上翻桩、吊起并在桩入水前完成数据线接头的连接。

b.完成钢丝绳等与吊耳的连接。

（3）防水数据线释放。

a.在钢桩的下放过程中保护好传感器和数据线，避免其受到损伤。

b.钢桩下放时要及时释放数据线，并要预留足够的长度在水中，防止拉断。

c.ROV要实时检查钢桩的入水情况及监测设备情况，确保数据线没有缠绕、预留长度适当。

d.ROV检查钢桩的自由入泥情况。

（4）把MHU1200S型打桩锤套到钢桩顶部。

a.在锤的下放过程中要实时检查动测数据线与锤等设备有无相互干扰。

b.动测工程师测试PDA的信号传输情况，确保能够及时投入使用。

（5）实施动测。

a.在全程监测中，现场负责释放数据线的工程师要与监测工程师沟通配合好。

b.钢桩的入泥深度数据要及时反馈给释放数据线的工程师，据此数据判断释放的数据线长度是否合适，特别是在沉桩刚开始时，容易溜桩，因此一定要留出足够富裕量，以防止钢桩溜桩时拉断数据线。

c.监测时需确保钢桩的应力值在许用范围内，检测结果及时反馈给打桩作业人员用来指导打桩作业，以控制好锤的最佳输出能量。

（6）动测完成。

a.保存PDA检测数据。

b.桩打到设计深度后起锤，并利用ROV来观察打桩锤系统与检测数据线的位置，防止相互缠绕。

c.将数据线在传感器接头处分离，并且进行回收以备下次使用。

3 荔湾3-1平台桩基高应变动测结果分析

对荔湾3-1平台的基础桩B1-2和B1-3进行动测，实现了打桩过程中对桩身最大应力的监控、实际锤击能量的监控以及桩最终承载力的估算。

B1-3插桩后初始自由入泥深度为12.0 m，套锤后在打桩到深度13.5 m时发生了溜桩，一直溜到入泥深度72.0 m；之后又重新套锤，一直打入到入泥深度135.0 m，根据打桩记录，末阶段的锤击数是143锤每0.5 m。B1-2插桩后初始自由入泥深度为11.5 m，套锤后在打桩到深度13.0 m时发生了溜桩，一直溜到入泥深度71.5 m；之后又重新套锤，一直打入到入泥深度135.0 m，根据打桩记录，在末阶段的锤击数是125锤每0.5 m。

3.1 CASE法分析结果

在打桩监测过程中，PDA显示屏实时输出了打桩锤及驱动过程中的部分参数，包括桩顶部的挤压应力、锤击能量传递效率等。现场用CASE法得出B1-2和B1-3桩的承载力分别为46 MN和48 MN，桩头所受的压应力为别为162 MPa和172 MPa。

3.2 CAPWAP法分析结果[4-6]

CASE法的评估结果是在土壤阻尼假定已知及钢桩壁厚相同情况下得出的，若土壤阻尼参数未知或钢桩壁厚不相同，或需要考虑更多的土壤参数时，就需要用CAPWAP法来进行分析了。CAPWAP法广泛应用于根据力和加速度的记录数据来计算土壤阻力及其分布等。CAPWAP法的分析结果包含了对土壤阻力的分布评估、桩端承载力、桩侧承载力、阻尼特性等。图5是CAPWAP法的分析曲线，表3是CAPWAP法计算的部分结果，瞬时最大的承载力为49 MN。结果显示这两根桩在打桩过程中桩端承载力较大，而桩侧的摩阻力相对较小，说明空隙水压力在受捶击扰动后并没有恢复，使得检测的总承载力小于设计值（130 MN）。

图5 B1-3钢桩CAPWAP分析曲线

表3 CAPWAP法分析结果（摘录）

3.3 MHU1200S锤能量传递效率

高应变动测仪的传感器能够获得传递到桩上的实际锤击能量的相关信息，通过对比锤的额定输出能量可以判断锤系统当前的工作效率。如果在打桩过程中锤的输出能量与桩上实际接收的能量相差过大，就可以判断打桩锤系统可能出现了问题或者存在能量耗散的部位。据此采取对策，不仅可避免盲目打桩造成液压锤损坏，而且可有效地减少拒锤的风险。本文中B1-2和B1-3桩的锤能量传递效率分别为64%和63%，都超过了50%的低限值，满足施工要求。

3.4 桩身完整性监测及最终承载力评估

在监测过程中，每一次锤击钢桩所受的最大挤压应力都是按照PDA所采集到的平均应变数值来进行计算的，在此次监测过程中钢桩所受的最大平均应力分别为162 MPa和175 MPa，它们都满足API规范的要求，在打桩过程中桩身没有发生屈服损坏。

4 结束语

此次荔湾3-1海上平台钢桩全程动力监测是国内多年来首次开展的海洋平台水下桩测试项目，引进国外先进的动测仪器和动测技术，克服水深等施工难题，成功实施了此次水下检测。此次监测有效指导了现场施工，改变了国内过去缺乏有效的水下桩施工过程监测的状态，同时也保证了荔湾3-1平台打桩施工过程中桩身的安全性，本文所述动测的施工方法可为国内将来的水下桩基工程提供参考。

[1]侯延祥，付海峰，关磊.PDA动测桩仪在天津港某工程中的应用[J].港工技术，2002（9）：44-45.

[2]刘永锋.利用高应变法确定了大直径混凝土管桩的承载力[J].水运工程，2005（9）：24-25.

[3]SchallertM.Klingmüller O.Monitoringof Drivingand High-strain Dynamic Load Tests of Open-ended Steel Pipe Foundation Piles for Offshore Wind Turbines[C]//Testing and Design Methods for Deep Foundations:Proc.of IS-Kanazawa 2012.Kanazawa，Japan:IS，2012：923-929.

[4]徐至钧.PDA桩基检测技术的应用与评价[J].石油工程建设，1995，21（2）：9-14.

[5]樊之夏，朱绍华，秦立成，等.检测评估海上石油平台桩基设计承载力的方法[P].中国专利：201010198940，2011-12-07.

[6]李春，刘振纹，祁磊.渤海湾海上动力沉桩监测及分析[J].石油工程建设，2011，37（Z1）：69-72.

Application of High Strain Dynamic Testing Technique to Underwater Pile Foundation ofL W3-1Platform

Qin Licheng1，LiHong2，Yu Wentai1，He Min1，Leng Zhi1
1.Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300452，China
2.EnvironmentalProtection Department of Nuclear and Radiation Safety Center，Beijing 100034，China

LW 3-1 offshore centralplatform is located in the area with water depth of 189.5 m，which is the structure of four legs with group piles.The single pile possesses the weight of 754 t，diameter of 2 743 mm，length of 158 m，total penetration depth of 135 m and the design bearing capacity of 130 MN.The pile foundation engineering has the features of complicated geologic condition，difficult construction，high engineering cost. There are many problems in steel pile design，piling drivability analysis and piling monitoring.In order to guarantee the successful pile penetration of LW 3-1 offshore central platform，the testing during piling of underwater pile is necessary to obtain the force state in the pile and efficiency transfer of pilling hammer. Based these testing data，the actual and reliable data of pile foundation bearing capacity can be gained.The adopted high-strain dynamic testing technique and testing results offer effective guidance to the site construction and also provide valuable experience to similar dynamic testing of underwater steelpiles.

LW 3-1 platform；high-strain dynamic testing；pile foundation engineering；pile bearing capacity

10.3969/j.issn.1001-2206.2015.02.06

秦立成（1980-），男，山东蒙阴人，工程师，2007年毕业于中国石油大学（华东）石油工程学院，现主要从事海洋平台安装设计研究工作。

2014-10-31；

2015-02-26