自升式海上平台桩靴入泥深度预测

杨苏春

(1. 天津大学 建筑工程学院，天津 300072；2. 天津港航工程有限公司，天津 300457)

0 引 言

海上风电与海上油气开采离不开自升式海上平台的使用，自升式海上平台桩腿驻位情况直接影响自升式海上平台的安全性。自升式海上平台桩靴多为扩展型，桩靴投影面积远大于桩腿外径，桩靴下压过程会排挤桩靴下的土体，桩靴达到持力层后桩腿处于淘空状态或被回淤后的土体包裹，回淤后的土体侧摩阻力较低。因此，自升式海上平台驻位时承载力绝大部分由桩靴提供。

随着我国海上风电的兴起，合理计算桩靴承载力预测入泥深度成为亟需解决的问题。国内部分学者采用土层参数平均值代替土层参数峰值进行有限元模拟或者理论计算[1–4]。而自升式海上平台驻位土层多为土层参数峰值处，原有方法很难准确预测桩靴入泥深度。这使得准确的评估持力层承载力与持力层深度显得尤为重要，在实际工程中，持力层存在刺穿的危险，这将直接影响自升式海上平台作业安全性与作业效率[5]。其中的难点有二，一是扩展型桩靴多为异形且承载力无专门的计算方法，多数时候需借助单桩承载力方法进行推算，但很少有对这种方法进行有效的验证；二是复杂的理论推导需多种土层参数，土层参数又多以平均值体现，参数的变化将极大的影响持力层承载力的估算且也很难满足工程实践的需求。缺少一种通过少量参数可以快速合理推断持力层性质的方法。

本文通过自升式海上平台扩展型桩靴在多个实际工程中的驻位数据结合地质勘察资料，对多种桩端承载力理论与基础承载力理论进行检验，并提出适宜的计算方法应用于计算扩展型桩靴承载力并准确预测桩靴入泥深度，经过多个海上风场的检验效果良好，可供相关工程使用。

1 桩端承载力计算

常用的单桩非扩展桩端承载力计算方法主要分为规范经验公式法、原位测试法（静力触探法[6]、标准贯入法）、古典经验公式法（α法、β法、λ法、极限平衡法[7]）以及基于以上一种或多种方法的有限元计算[8]。

1.1 规范经验公式法

式中：Qpk为桩端竖向承载力标准值；Ab为桩端面积；qpk为经验预估的桩端土极限端阻标准值。

1.2 原位测试法（静力触探法[6]）

式中：α为桩端阻力修正系数；qc为静力触探加权平之值。

1.3 古典经验公式法（极限平衡法[7]）

式中：Nc、Nq分别为黏聚力、桩端平面上土体自重；ζc、ζq均为形状系数；h为桩端底宽与如土深度。

扩展桩端与独立基础型式一致，其承载力特征值计算可采用《建筑地基基础设计规范》的方法。

1.4 地基承载力特征值

式中：fa为修正的地基承载力特征值；fak为地基承载力特征值；ηb为基础宽度的修正系数；γ为浮重度；b为基础宽度。

规范经验公式法、原位测试法、极限平衡法、地基承载力特征值法计算的准确性取决于参数的选取。除原位测试法外，其他几种方法的参数主要来源于以往的经验以及室内试验获取的土层参数。桩靴下插过程较为迅速，不固结不排水抗剪强度较为贴近驻位过程中土体的抗剪强度。地质勘察实践中往往采用固结快剪试验获取土体参数，部分参数可通过固结快剪试验进行推算，但也影响精准度。固结快剪试验往往进行多组，以平均值的形式体现。利用平均值可对承载力进行大致估算，但很难做到精确评估真实的承载力。原位测试法对土层进行静力触探，可直观反应各深度土层的锥尖阻力。静力触探的锥尖阻力波动峰值对桩端承载力的估算具有很强的现实意义。

2 工程原位试验

平台船驻位需对桩腿进行预压载，压载保持15 min桩腿无下沉即完成驻位。试验所用平台船“港航平7”“港航平9”，单桩预压载力分别为4 800 t、5 600 t，桩靴类型如图1 所示，桩靴面积106 m2、113 m2。

图1 试验用平台船“港航平9”Fig. 1 Test platform ship "Ganghangping 9"

图2 桩靴类型Fig. 2 Types of spud-can

大多数自升式海上平台船长一百米左右，桩腿间距接近百米，地质参数的获取也仅能通过风机位置的地勘钻孔进行均质的推定，因此有必要探讨地质差异对桩靴入泥深度的影响。

2.1 基础周边地质变化对桩靴入泥深度的影响

为探讨海上风电基础周边地质变化对桩靴入泥深度的影响，较浅的持力层可较为准确的评估风机周围地质差异对桩靴入泥深度的影响。我国江苏海域表层土多为粉砂层，大丰海上风电项目、如东海上风电场、竹根沙海上风电场均为此特征，具体表层土层特征如下：

大丰海上风电项目位于盐城市大丰区东侧的毛竹沙海域，表层为粉砂层，标准贯入试验实测锤击数N为8～9 击/30 cm，平均值为8.3 击，层厚3.00～4.50 m。“港航平9”驻位时桩靴具体入泥深度如表1 所示。

表1 大丰海上风电项目“港航平9”桩靴入泥深度Tab. 1 Spud-can penetration depth of "Ganghangping 9"in Dafeng offshore wind farm

如东海上风电场位于如东海域的东北部，表层为粉砂夹粉土，以粉砂为主夹粉土。静探锥尖阻力qc=0.03～6.86 MPa，平均值qc=2.94 MPa。实测标贯锤击数N=5～15 击/30 cm，平均值为11.5 击/30 cm，层厚0.50～12.00 m。“港航平9”驻位时桩靴具体入泥深度如表2 所示。

表2 如东H2 海上风电项目“港航平9”桩靴入泥深度Tab. 2 Spud-can penetration depth of "Ganghangping 9" in Rudong H2 offshore wind farm

竹根沙海上风电场位于竹根沙及北条子泥附近海域，表层为粉砂夹粉土且全场分布，静探锥尖阻力qc=0.50～2.85 MPa，平均值为1.32 MPa；标贯实测锤击数N=9～10 击/30 cm，平均值为9.5 击/30 cm；层厚2.50～4.00 m。“港航平9”驻位时桩靴具体入泥深度如表3 所示。

表3 竹根沙海上风电场项目“港航平9”桩靴入泥深度Tab. 3 Spud-can penetration depth of "Ganghangping 9" in Zhugensha offshore wind farm

利用“港航平9”自升式海上平台在以上3 个海上风场的驻位数据进行分析。桩靴在表层的粉砂或粉砂夹粉土层内的驻位需要一定的下压行程。表1～表3 数据显示持力层本层土体内最小下压行程0.4 m，持力层本层土体内最大下压行程2.6 m。这说明，持力土层厚度大于2.6 m 时具有较高的安全保障。换言之，预估“铁板砂”地层入泥深度在2.6 m 误差范围内准确率达到100%。下压行程的差异也是距离风机基础百米范围内地质变化的体现，明确这一数据可有效防止刺穿的发生，确保土层可提供桩靴足够的驻位厚度。

2.2 计算方法的验证

规范经验公式法依赖于经验预估的桩端土极限端阻标准值，海上施工的风场多为无施工经验区域，规范经验公式法很难应用于实际工程中。且受到拔桩力的限制，大多数海上平台的桩靴驻位在入泥30 m 以内。海上风电基础的持力层大大超过该深度，地勘资料里不会针对30 m 以内的地质进行端阻力的详勘，因此较难获得准确的端阻力建议值。

极限平衡法受限于过多的计算参数与实际工程中桩靴的特殊形状而无具体的参数，导致计算较为繁琐，很难取得较好的应用效果。

地基承载力特征值计算局限于浅基础、小面积基础，也无法应用于桩靴承载力评估。根据大丰海上风电项目、如东海上风电场、竹根沙海上风电场地勘报告提供的粉砂地基承载力特征值fak=90 kPa，修正后的地基承载力特征值fa=138 kPa 计算114 m2桩靴的地层承载力为1 573 t，这远远低于单桩预压荷载5 800 t。这种计算结果表明地层承载力过低无法满足驻位需求，与实际情况不符，说明该方法并不适用于计算桩靴承载力。

较为合适与直接的方法是原位测试法，其根据原位静力触探试验值推算桩靴承载力，根据地勘报告静力触探数据可方便获取，仅需准确界定桩端阻力修正系数，即可使用。为验证该方法的准确性，在2.1 节对单一持力层分析的基础上选取多土层地质进行相关的验证，山东半岛南4 海上风电项目具有该种地质，静力触探结果如表4 所示。

表4 山东半岛南4 海上风电项目部分机位静力触探Tab. 4 Static cone penetration testing of some positions of the offshore wind farm in south 4 of Shandong Peninsula

根据原位测试法Qpk=αqcAb，α=0.05 的情况下，4 800 t 预加载力需要qc值不小于9.0 MPa；α=0.06 的情况下，4 800 t 预加载力需要qc值不小于7.5 MPa，根据此结果推算驻位位置如表4 中箭头所示。选取“港航平7”在山东半岛南4 海上风电项目驻位时，较为典型的驻位数据进行原位测试法入泥预估与误差分析，如表5 所示。

表5 “港航平7”在山东半岛南4 海上风电项目桩腿入泥深度Tab. 5 Spud-can penetration depth of "Ganghangping 7" offshore wind farmt in South 4 of Shandong Peninsula

由表5 的误差数据结合表4 的地勘详图可知，根据原位测试法推测的入泥深度对2、3、4 机位较为准确，推测的入泥深度与实际入泥深度误差在1.0 m内，这种误差主要来源于地层在安装平台范围内微量的起伏；9 机位推测入泥深度18 m，而实际入泥深度在8～15 m，误差在3～10 m，造成这种较大误差的原因有二，一是根据原位测试法预估的持力层为18 m 处的②-夹2 粉砂夹粉土，而桩腿1、桩腿2、桩腿3 的驻位为13 m、8 m、12 m 处的②-1 粉质粘土（8 机位桩腿1 为同种情况），说明②-1 粉质粘土层静力触探值在安装平台范围内并不均匀；二是来源于②-夹2 粉砂夹粉土层在安装平台范围内的起伏，使得桩腿4 的实际入泥深度为15 m；53 机位实际入泥深度较为统一，四桩退间高差仅0.5 m，但与预估入泥深度9 m 存在2～3.5 m的误差，这种误差也主要来源于地层在平台船范围内起伏。

根据“港航平7”在山东半岛南4 海上风电项目施工的20 个机位驻位时80 个桩腿入泥数据汇总来看，原位测试法估算误差在3 m 以内的桩位占比65%。误差主要来源于安装平台范围内地层的起伏，这种误差很难通过精准的计算得到有效的预测数据，原位测试法已经是现有方法中较高准确率的评估方法。该风场α 值在0.05～0.06 范围内具有一定的可信度。在实际工程中，α 会随风场土质条件而变化，需根据已驻位地质情况与原位测试数据对α 进行修正，找出本风场地质合理的α 取值范围并推广到整个作业海域。

3 结 语

原位测试法在合理界定桩靴阻力修正系数的前提下，可较为准确地预测扩展型桩靴的入泥深度。桩靴入泥处无详勘资料，常以风机位置的地质钻孔资料进行均质的推定，实际工程中海上平台所在的百米范围内土层常有起伏，这对准确预测桩靴入泥深度产生较大影响。在考虑这种影响因素的情况下，原位测试法在山东半岛南4 海上风电项目仍有65%的准确度。该项目粉土与粉质粘土地质桩靴阻力修正系数在0.05～0.06 之间，可供相关工程参考。