黏性土中锚桩安装贯入可打性分析

王朋飞，杨 昆，谢锏辉，邱华斌，吴业旺

深圳海油工程水下技术有限公司，广东深圳 518067

水下钢桩已广泛应用于各类海洋工程，包括导管架及各类水下结构物基础、半潜式平台及FPSO的系泊锚腿、海上风电基础等。用作系泊锚腿的锚桩通常采用打桩锤打入海床的方式进行安装施工，因此，锚桩的详细设计必须包含可打性分析，根据场址的土质条件，评估锚桩打入目标深度所需的锤击能量，选取桩锤型式，并对打桩过程中的拒锤与溜桩风险进行分析，确保锚桩安装顺利实施。

锚桩可打性分析采用数值方法对打桩过程进行模拟。首先需对目标贯入深度范围内土的贯入阻力进行评估分析，随后利用分析得出的土层贯入阻力剖面对打桩过程中锤击数及桩身应力进行分析计算；数值计算过程中，锚桩由一系列弹簧单元进行模拟，土的阻力则通过简化的弹簧-质量块-阻尼器系统作用于桩身。土层贯入阻力剖面的准确评估是锚桩可打性分析的关键。桩的贯入阻力计算通常采用与竖向承载力计算相同的方法，有的计算方法会考虑打桩过程与静力加载时的不同作用条件，如打桩过程中由加载速率引起的贯入阻力的增大以及土体扰动且缺乏强度恢复时间带来的贯入阻力的减小。

本文对锚桩可打性分析方法进行了介绍，重点阐述打桩过程中土层贯入阻力剖面的计算原理与方法，并以南海某气田平台锚桩为例，研究比较可打性分析计算的结果，评估拒锤与溜桩的风险。

1 波动方程分析

桩在打入过程中的运动和受力利用波动方程进行模拟计算。目前工程界广泛采用GRLWEAP（PDI 2010）进行打桩分析计算，该程序中土体模型基于Smith法建立，桩-土-锤系统由质量-弹簧系统简化模拟，采用黏弹塑性本构关系进行描述。土的弹性变形极限由土的最大弹性变形来定义，当变形超过最大弹性变形值时，土体产生塑性流动，应力不再增加，达到极限应力或阻力。Roussel[1]对墨西哥湾众多油田场址大直径桩基础的打桩监测结果进行相关性分析研究，给出了土的阻尼系数和最大弹性变形的建议取值（见表1）。

表1 土的最大弹性变形和阻尼系数[1-2]

2 土层贯入阻力剖面计算

对于桩的可打性分析在利用数值模拟之前，首先需根据场址的土质特性对每一贯入深度的阻力进行评估计算，形成目标贯入深度内的土层贯入阻力剖面。打桩过程中土层贯入阻力SRD（Soil Resistance to Driving）的计算方法与桩的竖向极限承载力的计算方法类似，为桩侧摩阻力与桩端阻力之和：

式中：Qs为桩侧摩阻力，kN，Qs=τf·As；τf为单位摩阻力，kN/m2；As为桩身作用面积，m2；Qb为桩端阻力，kN，Qb=qb·Ab；qb为单位端阻力，kN/m2；Ab为桩端面积，m2。

2.1 土塞的影响

海洋桩基础多采用空心钢管桩，打桩过程中需考虑土塞形成的可能性。在形成土塞的情况下，桩内土塞随着桩打入的同时向下运动，桩侧摩阻力只作用于桩身外壁，桩内壁摩阻力可忽略不计，端阻力受力面积需考虑桩端实心横断面积；不形成土塞的情况下，桩内土体在打桩过程中保持静止，桩身内壁和外壁均受到土体摩阻力作用，端阻力受力面积只考虑桩端实际环形横截面积。实际打桩过程中，特别是当桩径大于1 m时，由于惯性作用，桩内土体形成土塞的趋势很小[3-4]。若地基由多层土组成，当桩端由较硬土层贯入较软土层时，桩身位于较硬土层，内壁侧摩阻力较大，而桩端位于较软土层，桩端阻力较小，在这种情况下最有可能形成土塞。实际工程中进行锚桩可打性分析时，为保守起见，建议同时考虑有土塞和没有土塞两种情况。

根据Stevens等[2]的研究成果，无土塞情况下，贯入阻力的下限值假设桩身内壁摩阻力为外壁摩阻力的50%，而上限值假设桩身内外壁摩阻力相等；有土塞情况下，贯入阻力下限值和上限值假设桩外壁摩阻力一致，桩端阻力计算考虑承载系数上限值（Nc，UB=15） 比下限值 （Nc，LB=9） 增加 67%。

2.2 黏性土中的贯入阻力

打桩作业时土层贯入阻力的计算可参考桩基竖向承载力的计算方法。学术界对竖向作用下桩的破坏机理及承载力计算方法已进行了大量的理论及实验研究，黏性土中桩侧单位摩阻力和单位端阻力的计算方法介绍如下。

2.2.1 桩侧单位摩阻力

海洋桩基础的设计中广泛采用API方法。由于打桩过程中土体应力变化过程过于复杂，常规设计方法难以对此准确描述，而应力的变化受有效自重应力σ′v0和土的不排水抗剪强度su的直接影响，因此将桩侧极限摩阻力τsf与su和σ′v0直接关联则更为简单明了。Randolph and Murphy[5]通过对一系列桩的实验结果进行分析对比拟合，总结得出计算桩侧极限摩阻力τsf的α法（总应力法）：

上述方法计算的是桩在使用过程中受静力荷载作用下的桩侧极限摩阻力，考虑了桩在安装过后，土体得到充分时间的固结及土体结构得到恢复后的强度。桩在打入过程中产生挤土效应，桩周土体结构受到扰动，土中应力状态发生变化，强度减小。因此，打桩分析中桩侧摩阻力的计算需考虑因土体扰动引起的强度折减。Stevens等[2]根据打桩的波动方程分析和现场打桩实测结果的拟合比较，提出了用经验修正系数Fp对上述桩侧极限摩阻力进行修正，从而得到打桩作业时桩侧单位摩阻力τf：

式中：OCR为黏性土的超固结比。

打桩过程中，桩在动力作用下随着贯入深度不断增大，桩周土体受到循环剪切作用，桩侧摩阻力不断折减，这种现象被称为桩的侧阻疲劳（friction fatigue）。在桩的可打性分析中，为更准确地模拟桩周土体的受力条件，桩侧摩阻力的计算需考虑桩的侧阻疲劳，GRLWEAP中可按指数衰减法考虑侧阻疲劳对土层贯入阻力的影响[6-7]。

考虑采用侧阻疲劳方法计算土层贯入阻力的主要缺点是需要通过反复迭代计算来模拟打桩过程中每一贯入深度处桩侧摩阻力的变化，因此模拟计算过程耗时较长。实际工程应用中为节省计算成本，通常不考虑侧阻疲劳现象，但需确保打桩分析结果偏于保守。

2.2.2 单位端阻力

黏性土中桩的单位端阻力与桩侧单位摩阻力相比，在桩的竖向承载力中占比较小，采用极限承载力计算方法进行计算（参考API RP2A-WSD[8]）：

式中：Nc为Skempton深基础承载经验系数，取9。

3 某平台系泊系统锚桩安装可打性分析

以南海某气田平台深水系泊系统安装工程为例，整个系泊系统位于以平台为中心约2 000 m半径范围内，水深约1 500 m，由4组系泊锚腿组成，每组包含4条连接于4根锚桩系泊腿的系泊缆，每组内相邻系泊缆之间的夹角为4°。桩型分为两类：长桩68.5 m，目标贯入深度64 m，短桩65.5 m，目标贯入深度61 m，外径均为2.134 m，采用深水打桩锤打入海床的安装方法。本文分别取一组长桩（A、B、C、D）和一组短桩（E、F、G、H）进行可打性分析。

3.1 土性参数

系泊系统安装区域锚桩贯入深度范围内的土层主要为黏土和粉质黏土，局部土层描述为含钙质黏土。土的强度随土层深度的增加而增大，海床表面为非常软到软的黏土，随深度增加逐渐增强为硬到非常硬的黏土层。锚桩安装贯入可打性分析采用最不利位置土的强度上限值及有效重度和超固结比剖面最佳估计值作为土层贯入阻力计算的输入参数，如表2所示。

表2 土的设计参数

3.2 土层贯入阻力剖面

不同工况下土层贯入阻力剖面计算结果如图1所示（LB为下限，UB为上限）。从图1中可以看出，贯入阻力随深度增加而增大。当贯入深度小于35 m时，在有土塞工况下，端阻力作用于锚桩实心圆形横截面，相比无土塞工况下桩内壁摩阻力和桩壁环形横截面积端阻力之和较大，因此有土塞工况土层贯入阻力更大；当贯入深度大于35 m时，桩内壁摩阻力逐渐增大，因此无土塞工况土层贯入阻力更大。

图1 贯入阻力计算结果

锚桩安装过程中可能出现打桩作业中断，经过一段时间后复打的情况，此时桩壁土体强度将随着时间的推移而逐渐恢复，为考虑该工况，土层贯入阻力按土体强度完全恢复后的单桩极限承载力来考虑。复打工况中，在贯入深度较浅时，土层贯入阻力考虑桩内壁摩阻力和外壁摩阻力相等，桩端阻力作用于锚桩空心环形横截面。随着锚桩贯入深度的增加，当桩内壁摩阻力与桩内土体断面所产生的端阻力相等时，土塞形成，从此深度往下，土层贯入阻力考虑桩外壁阻力，而桩端阻力作用于锚桩实心圆形横截面，即桩端阻力为土塞产生的端阻力和桩壁环形面积产生的端阻力之和。

复打工况下，贯入深度大于45m时，土层贯入阻力将超过其他工况，因此当锚桩贯入至45m以下时，需尽量避免打桩作业中断，以降低拒锤的风险。

3.3 自入泥贯入

水下安装时，锚桩在着泥以后会在自重作用下贯入海床一定深度，随后将打桩锤置于桩顶，此时锚桩将继续贯入海床，直至完成自入泥。锚桩自入泥深度通过锚桩（水中重量1 620 kN）或锚桩+打桩锤（MHU DWS 500 T深水打桩锤水中重量770 kN）自重与土层贯入阻力的平衡计算得出，针对上述不同工况下的土层贯入阻力剖面，锚桩自入泥贯入深度计算结果如表3所示。

表3 锚桩自入泥贯入深度

3.4 可打性分析结果

锚桩可打性分析计算结果汇总于表4中，贯入锤击数随深度变化的曲线见图2，其中打桩总持时按打桩速率30锤/min计算得出。

图2 贯入锤击数计算结果

表4 达到最终贯入深度时的锤击数和打桩所需总体时间

从计算结果可以看出，无土塞-UB工况最不利，共需5.6 h完成一根锚桩的打桩作业，其最终达到每贯入0.25 m锤击数为113，小于连续打桩作业时250锤/0.25 m的拒锤标准，因此打桩作业可以顺利完成。如果出现打桩作业中断后再复打的情形，则最终每贯入0.25 m锤击数为230，小于接近目标贯入深度或打桩作业中断时650锤/0.25 m的拒锤标准，也能顺利完成打桩作业。打桩过程中产生的桩身最大应力约220 MPa，根据API RP 2A-WSD建议[8]，使用波动方程计算得出的桩身应力应不超过其最小屈服强度的80%～90%，而该项目锚桩钢材的最小屈服强度为325 MPa，因此可判定打桩作业时不会发生桩身破坏现象。

3.5 溜桩风险分析

溜桩现象是指打桩作业过程中，在很少的锤击数或者仅在锚桩和打桩锤自重作用下，锚桩在一段较长的深度范围内发生不可控制的贯入。溜桩现象通常发生在桩由较硬土层贯入至软弱下卧土层时，此时土层贯入阻力突然产生较大幅度的下降，直至小于桩和打桩锤的自重之和，于是桩开始加速下沉，随后土层贯入阻力逐渐增大，直至溜桩现象停止。溜桩现象是打桩作业过程中的重大隐患，可能对人员和设备造成伤害，因此需通过可打性分析评估溜桩的风险性。

本项目锚桩安装位置贯入深度范围内的土层分布为不同强度的黏土层，强度总体随深度的增大而增加，局部也会出现较深土层强度比较浅土层强度低的情况。由于海床表面土体强度普遍较小，在完成自入泥贯入以后，打桩作业起始阶段每一次锤击的贯入深度较大，因此需采用较小的能量设置开始打桩，然后随着贯入深度的增加逐渐提升锤击能量。

实际工程经验及研究表明，在连续打桩作业情况下，桩在贯入过程中最有可能发生的工况为无土塞工况。图1显示无土塞工况下土层贯入阻力随深度逐渐增大，且贯入锤击数也随深度而增加，因此不会出现溜桩现象。有土塞及复打工况条件下，土层贯入阻力及贯入锤击数在某些深度处突然减小，但由于贯入深度已达到锤击数为30锤/0.25 m左右，若锤击数突然减小至25锤/0.25 m左右，最多只能让每次锤击的贯入深度增加几厘米，且此时的土层贯入阻力远远高于锚桩和打桩锤自重之和，因此可以判断出现溜桩现象的可能性较小。

4 安装记录

锚桩可打性分析计算结果见表5，从表5可知，实际自沉值接近计算值（无土塞-LB工况），计算值更为保守；最终贯入锤击数分布于无土塞-LB工况和无土塞-UB工况之间，只有G号桩在最终贯入深度内出现了拒锤；B号桩中断38 h的复打数据显示，在该时间内土壤强度并未得到有效恢复，对整体打桩影响不大，在后续打桩分析中宜增加中断时间边界评估；最后，计算安装用时较实际值过于理想，实际安装时间约为计算用时的3倍。

表5 深水锚桩安装记录

5 结论

（1）锚桩打入黏性土时，桩侧摩阻力采用API推荐的α法（总应力法）进行计算，并根据Stevens等提出的经验系数Fp进行修正，以考虑土体扰动所受的影响。

（2）在条件允许的情况下，为了更真实准确地模拟锚桩打入过程中桩周土体的受力条件，桩侧摩阻力的计算应尽量考虑桩的侧阻疲劳。

（3）锚桩可打性分析需考虑有土塞、无土塞及复打等不同工况，应评估桩身应力及拒锤风险。南海某气田平台锚桩可打性分析结果表明，锚桩贯入深度较浅时，有土塞工况土层贯入阻力较大；达到一定深度后，随着桩内壁摩阻力的增大，无土塞工况土层贯入阻力则超过有土塞工况；最后，锚桩进一步贯入至接近目标贯入深度，复打工况土层贯入阻力将超过其他工况，拒锤风险增大，因此，锚桩贯入至较大深度时，需尽量避免中断打桩作业。

（4）锚桩打桩作业时溜桩的风险需通过可打性分析结果进行评估，当土层贯入阻力不出现较大幅度的突变且每锤击数产生的贯入深度变化不大时，出现溜桩现象的可能性较小。