海洋平台钢桩施工关键技术分析

于亮 李啟宝 孙文明 秦立成 叶皓轩

海洋石油工程股份有限公司 天津 300461

1 起桩技术分析

根据起桩吊点位置的选择，起桩方式分为两点自由起吊和一点固定起吊两种类型。①假定钢管桩为等截面，两吊点对称布置，此时对受力简图以及弯矩图分别进行分析；②假定钢管桩为等截面，两吊点不对称布置时，此时受力简图以及弯矩图分别进行分析；④软件分析采用ANSYS等进行[1]。

2 自由站立分析

一般来说，承受轴向压缩的细长杆的失效是由于屈曲引起的。需指出的是，短压缩构件的失效是由于材料发生屈服。细长杆件的屈曲即失稳，杆件往往表现出与强度失效全然不同的性质，一般开始轴线为直线，接着必然是被压弯，产生颇大的弯曲变形，发生屈曲。杆件失稳后，压力的微小增加将引起弯曲变形的显著增大，杆件已丧失了承载能力，这是由于失稳造成的失效，可以导致整个系统结构的破坏。自由站立的分析方法包括API规范法和Timoshenko法，下面针对两种方法分别阐述分析。

2.1 API规范法

圆柱构件在轴向压缩和弯曲的组合作用下，构件各点均应该满足以下条件：

式中，fa为轴向压应力（MPa）；Fa为轴向允许压应力（MPa）；fbx、fby为分别为X、Y向弯曲应力（MPa）；Fb为允许弯曲应力（MPa）；Fy为屈服强度（MPa）。

工程实践中发现：深水平台中桩身自由站立长度较长，桩身应力校核时常不满足规范法稳定性要求，给桩基施工带来较大不便。

2.2 Timoshenko 法

基于Timoshenko弹性稳定理论进行桩的自由站立稳定性分析。在均布荷载ql及两端压力P联合作用的情形，临界屈曲荷载为：

API规范法进行圆柱构件在轴向压缩和弯曲的组合作用下稳定性分析时，所用的强度折减系数为长期稳定性安全系数，该方法校核的是圆柱构件在弯压组合下长期的稳定性状态，而对于自由站立分析这一暂时过程来说，规范法是偏于保守的。因此利用Timoshenko法计算桩的临界屈曲荷载，考虑锤重以及桩身自重，更适合桩的自由站立稳定性分析。

2.3 API规范法和Timoshenko法应用实例分析

某海洋采油平台采用直径为2.438m的大直径钢管桩作为承力结构。桩总长为140.5m，设计入泥深度为120m。根据土的基本参数，可估算在MHU1200型锤和桩的自重情况下，桩可瞬时贯入深度为25m左右，取25m。套筒高出海底泥面为11.97m，因此可计算得到桩的自由站立长度为103.53m。通过计算分析可以看出：Timoshenko法和API规范法计算结果有所不同，前者认为置锤期满足稳定性要求，而后者认为不能满足稳定性要求。综合考虑Timoshenko法和API规范法计算结果，认为API校核的是桩在弯压组合下长期稳定性状态，而对于自由站立分析是偏于安全的。可以肯定，当自由站立长度为103.53m时，桩身长期稳定性不足，但从Timoshenko法计算结果来看，桩身荷载满足屈曲荷载要求，可以采用液压锤 MHU1200 进行打桩作业。

3 可打入性分析

（1）可打入性分析根据不同的现场情况分为无土塞连续打桩、无土塞短期停锤、无土塞长期停锤、有土塞连续打桩、有土塞短期停锤、有土塞长期停锤六个工况，根据不同的工况以及土壤信息，利用GPLWEAP软件进行分析；

（2）根据分析结果以及拒锤标准，确定各个工况下采用打桩锤的可打入性；

（3）根据可打入性分析可以确定以下信息：①锤型选择、能量选取；②钢桩受力；③现场打桩的难易程度；④接桩位置选取；⑤判断承载力大小。

4 打桩动态监测

（1）根据桩的可打入性分析判断出钢桩达到拒锤标准，或桩很容易打（溜桩），我们都需要进行高应变动力监测,碰到拒锤时测出真实承载力，溜桩时怕承载力不够，需要测出最终承载力是否满足要求[1-3]。

（2）打桩动态监测内容包括：①桩身最大应力监测。在对桩进行全程监控的过程中，高应变动测仪会时时显示输出每一锤击作用下，传感器所在截面受到的最大压应力[2]。由于传感器所安装的位置靠近桩头，当桩头所受到的压应力过大，甚至超过钢桩的屈服强度时，我们就可以很准确的判断这种情况，从而能够有效的避免在打桩过程中，由于对锤的锤击能量的使用不当造成桩头被打坏的事故。②桩身完整性监测。当桩在打入过程中出现缺陷时，传感器采集的数据曲线会出现相应的变化，尤其是上行波曲线。同时还可以确定缺陷的具体位置，判断缺陷的相对大小。③锤的工作状态监测。安装在桩端的传感器可以采集到传递到桩上的实际锤击能量。通过对比锤的额定输出能量就可以判断锤系统当前的工作效率。拒锤是由两方面原因造成的，一个是锤击能量不够；另一个是受到的阻力过大。那么监控锤系统的实际工作状态是避免拒锤现象发生的一种重要手段。④承载力检测。估测桩基的长期静承载力是高应变动测试验的一个重要目的。采用高应变动力检测的方法对桩基进行长期静承载力的评估，最有效的手段就是进行间隔一定时间的复打测试，以复打的结果作为评估桩基长期静承载力的分析数据。

（3）监测结果如下：①桩身应力的监控结果；②桩端实测锤击能量与锤输出能量的对比结果；③复打静承载力估测结果。

5 结语

本文对海洋平台钢桩安装的步骤中的关键技术进行了阐述，包括起桩分析、自由站立分析、可打入性分析、动态监测等内容。全面地讲述了应用于工程项目中个步骤的分析方法。为钢桩施工的设计工作提供参考依据。