基于能量法的大直径超长钢管桩溜桩问题分析

2016-10-12闫澍旺贾沼霖孙立强

海洋工程 2016年3期

关键词：沉桩静力土层

闫澍旺，陈浩，贾沼霖,2，林澍，孙立强

(1.天津大学建工学院，天津 300072; 2.华电重工股份有限公司博士后科研工作站，北京 100070)

基于能量法的大直径超长钢管桩溜桩问题分析

闫澍旺1，陈浩1，贾沼霖1,2，林澍1，孙立强1

(1.天津大学建工学院，天津 300072; 2.华电重工股份有限公司博士后科研工作站，北京 100070)

海洋桩平台采用大直径超长桩，由于桩、锤的重量很大，沉桩过程中经常发生溜桩现象。因此为了便于打桩控制，判断溜桩的范围是非常必要的。结合实际工程对溜桩的过程和发生机理进行了探讨；利用PCPT原位测量资料，基于能量法建立了判断溜桩范围的分析计算方法。针对南海油田典型的平台桩沉桩过程中的溜桩问题进行了分析计算，验证了所提出的方法的合理性，可供桩设计以及沉桩施工参考。

沉桩；溜桩；静力触探；能量守恒；单桩承载力

Abstract:Super long and large diameter piles are commonly adopted for constructing ocean platform foundations.The pile-running phenomenon frequently takes place because of the great weight of both the pile and the hammer.The mechanism of pile-running is discussed associated with case analysis.A predicting procedure is established based on the energy conservation method of the running pile.The suggested method is used to predict a pile-running case in a practical project in the South China Sea,and the calculated results agree well with the observed data.

Keywords:pile penetration; pile-running; PCPT; energy conservation; bearing capacity

我国南海多个导管架平台桩基打桩过程中均出现严重的溜桩现象，即在沉桩过程中，某段贯入深度内锤击数为零或者说在沉桩过程中桩在自重或者桩锤组合自重作用下桩贯入度过大的现象，溜桩长度7～40 m不等。随着海洋石油、天然气开发逐渐向深海发展，深海基础结构物中的打入桩呈现出大直径、超长等特征。由于运输和吊装能力的提高，桩身不再采用传统的分段制作和安装，而是一次成桩，整根桩的重量达到7 000 kN以上。同时所用桩锤的重量也越来越大(如液压锤IHC S-1200型，锤重1 600 kN以上)，过重的桩锤导致溜桩现象加剧，而溜桩长度过大(10 m以上)会给设计者带来较大困惑，质疑钻孔资料的准确性、担心桩承载力设计值是否可以满足工程要求，而且给施工带来不便，大幅度的溜桩不利于施工控制，容易将打桩锤控制线路拉断，引起停锤，此外还可能影响到接桩、换锤等正常施工程序。

但对于溜桩问题国内外的有关工作还不多见。郭生昌等[1]对于2009年在长江口地区设计建设的横沙东滩促淤圈围五期工程1#基地配套码头工程中出现的溜桩问题进行了较为详尽地描述和分析，管桩为Φ800PHC B型管桩，桩长47 m，最大溜桩长度达26 m。溜桩的主要原因是持力层上部覆盖有较厚的淤泥质软黏土。Dover等[2]对旧金山到奥克兰大桥工程进行现场沉桩试验，分析产生溜桩的原因也主要是地基表层存在较厚的软黏土层，并对溜桩的结果进行了反分析。

南海平台采用的桩长度在100 m以上，涉及的土层软硬交替，在设计阶段，依据地质勘察报告中提供的土质参数计算的沉桩阻力远大于桩锤自重之和，但在实际施工中发现有些较硬的土层中也会发生溜桩，鉴于溜桩现象会引发的一系列不利影响，因此有必要建立溜桩的判断方法来解决这一问题。针对南海平台桩沉桩过程中溜桩现象研究了溜桩产生机理，依据原位静力触探资料，基于能量法对实测溜桩区间进行反向推导，提出超长桩侧摩阻分布模型，可供桩设计以及沉桩施工参考。

1 南海某平台溜桩实例分析

如图1所示为南海某导管架平台其中一根钢管桩贯入过程中溜桩现场实拍录像中溜桩始末位置照片，溜桩区间从深度14 m直至36 m，溜桩时间约为13 s，在较短的时间里，桩身下沉22 m。然而溜桩现象的发生在此根钢管桩贯入过程中反复出现，这对施工控制及桩身的稳定性与安全性的判断无疑是极为不利的。

图1 钢桩溜桩过程现场实拍图片Fig.1 Photos of steel pile running at site

该平台的桩位图如图2所示。平台的四个角(A1,A4,B1,B4)的间距为：A1到A4的距离为100 m，A1到B1的距离为87 m，每个角各有四根桩，桩的参数如表1所示。锤型为MHU 1200，锤重为1 636 kN。

图2 平台的桩位和钻孔位置Fig.2 The pile position and the borehole location of the platform

表1 桩的设计参数Tab.1 The details of the pile

在平台的每个角附近各有一个钻孔来揭示附近的土层情况。钻孔BH1、BH2、BH3和BH4分别对应A4、B1、A1和B4位置的桩的土壤剖面。每个角的钻孔位置与桩的距离均为6.48 m。由于篇幅限制，这里只列出了BH1钻孔计算要用到的土体参数(见表2)。

图3给出了该平台四角部的打桩记录与土层剖面图。同一角部的桩的沉桩曲线趋势比较一致；但由于土体的离散性，差别也是比较明显的，表明不同桩位的土层与钻孔处的土层不尽相同。

图3 各桩位的打桩曲线Fig.3 Pile driving records of four pile positions

从桩的贯入曲线可以看出，由于表层硬壳层比较均匀，所以桩在入泥后，自由下沉到12 m左右的第三层土(中密到密砂)中，重力与土阻力达到平衡，桩—锤系统处于自由站立状态(stick-up)。经过20～50次的锤击，桩身由硬壳层进入黏土层，溜桩开始发生。以A1处的桩为例：溜桩在密实粉细砂中停住，经300到600次锤击后，进入黏土层，发生第二次溜桩；溜桩在埋深为60 m左右的砂质粉土中停住，经50次左右的锤击，穿透该土层进入黏土层，再次发生溜桩；溜桩过程穿过黏土层，进入埋深为75 m的粉土层中停止。从打桩记录来看，所有的桩沉入75 m以后，都不会再发生溜桩现象。

图4为勘测该平台场址处的地质情况，施工方完成了两个170米的测孔。

图4 PCPT钻孔1测试结果Fig.4 The PCPT test results of NO.1 borehole

分别为BH1 & CPT1与BH2 & CPT2。PCPT测试所使用的仪器设备为WISON-APB钻孔PCPT系统。其PCPT探头锥角为60°、锥头面积为10 cm2，摩擦套筒面积为150 cm2。每次PCPT测试的连续贯入行程为3 m，贯入速度为20 mm/s。

2 溜桩机理分析

工程实践表明，溜桩一般发生当桩底端穿过较硬土层，进入下部较软土层的过程中；或是桩穿越承载力较小的深厚软土层时。桩在穿越较硬土层中时，由于锤击作用下获得较大的加速度，在进入软土层中桩端阻力迅速减小，从而发生溜桩现象。而从该导管架平台现场打桩记录中可知，当桩贯入一定深度的软土层时，即使不进行锤击，桩也会发生溜桩现象。如图5所示，桩在经自由站立穿过表层硬壳层[3-5]，此后经锤击作用使桩继续下沉。当桩进入软土层后，虽然侧摩阻面积增加，但界面处土的重塑程度提高，摩阻力实际上在不断减小[6-7]。同时由于桩端阻力变化不大，而桩端阻力占总的土阻力的比重较大，因此总的土阻力减小。如果总的土阻力达到以下条件之一即有可能发生溜桩：1)小于桩自重；2)小于桩和锤的重量之和；3)小于桩和锤的重量与桩锤的惯性力之和。一旦溜桩发生，桩周土体受到连续的扰动，强度降低到重塑强度，侧摩阻力急剧减小，端部承载力也有不同程度的降低，溜桩速度越来越快。因此，溜桩在软土层中一般不会停止。如果软土层下面是较硬的土层(一般需要密实的砂土层)，当桩刺入该土层后，桩端阻力迅速增加，溜桩速度逐渐减小，并有可能停止，需要继续用锤击才能进一步贯入。但如果下面还有软土层，桩沉入该层后仍然有溜桩的可能。在南海某工程中，溜桩现象在每根桩的沉桩过程中都反复出现。

图5 溜桩过程示意Fig.5 Schematic diagram of pile-running phenomenon area

3 能量守恒法计算模型

图6 计算模型示意Fig.6 The sketch map of calculation model

本研究以LW3-1导管架平台桩基施工工程为例，从能量传递的角度分析溜桩过程(即为外力做功所产生的冲击机械能克服土体对桩的阻力，破坏其能量守恒的状态，使得桩体下沉，直至达到新的平衡状态，在不同的土层中反复作用，直到满足设计的极限承载力或达到设计的贯入深度为止)，建立一个描述该能量传递过程的能量平衡方程。从讨论桩身势能与外力做功之间的关系出发，将能量法方程引入溜桩区间的数值计算，桩溜桩能量守恒的计算模型如图6所示。

桩身初始状态的重力势能主要消耗在以下三个方面：一为是桩产生弹性变形能；二是桩作整体振动的能耗；三是桩作为刚体在土中的运动，包含克服土阻力(端阻力与侧摩阻力)做功及相应产生的热能。而溜桩是在很少或不锤击的情况下靠自重贯入，所以第一、二部分的能耗很小，只需研究第三部分的能耗。

桩的下沉阻力由桩端阻力和桩侧摩阻力组成。要估算溜桩长度，就必须对桩在溜桩时的土阻力分别进行分析计算。而桩在溜桩区间内运动时，是一个能量传递与转换的过程，桩身在开始与结束时均为静止状态，这也是使用能量法分析溜桩过程的一个有利因素。假定桩-土界面荷载的传递符合理想线弹塑性模型，即桩侧及桩端阻力达到极值后，在整个桩体贯入过程中保持恒定不变，则从起始位置到停止位置的溜桩距离为L0，其势能计算公式：

式中：EG为桩锤势能；G为桩锤自重；L0溜桩长度。

桩身在起止位置的动能为0，则全部势能主要用来克服土阻力做功以及部分能量耗散(主要包含桩身的变形能和超孔隙水压势能)：

式中：Wr为桩侧摩阻力与桩端阻力做功；Wd为桩身变形能；Eh为溜桩过程中超孔隙水压力势能。

其中克服土阻力做功Wr，可写为

式中：fi(x)为溜桩区间以上某一深度土层的单位侧摩阻力；fj(x)为溜桩区间内某一深度土层的单位侧摩阻力；qj(x)为溜桩区间内某一深度土层的单位端阻力；Dp为桩身周长；Ae为桩端环形面积；Li为溜桩区间以上某一土层厚度；Lj为溜桩区间内某一土层厚度。

桩身的变形能Wd其表达式如下

式中：L为桩长；N(z)为桩身深度z处的轴力；Ep为桩的弹性模量；Ap为桩身截面积。

在溜桩机理的阐述中提出了溜桩现象一般发生在黏土等较软土层，于是桩身受到的桩底端反力较小，则沿桩身深度的轴力也较小，溜桩过程中桩周土中产生的超静孔隙水压力势能Eh与桩身贯入过程中的挤土效应、锤击荷载等因素有关。溜桩过程不受锤击荷载作用靠自身重力下沉，而挤土效应又与桩内土塞有着密切的关系。桩的直径越大，桩管内土塞高度就越大，工程实践表明，在软土地区大直径钢管桩的土塞高度几乎与贯入深度相等，甚至高于泥面。这说明大直径钢管桩几乎不向桩周排土，挤土效应非常弱，在沉桩过程中土塞完全闭塞的可能性非常小。所以对于大直径钢管桩贯入过程中产生的超静孔隙水力势能否按照孔穴扩张理论计算，需要进行更深入地研究。有文献通过有限元分析模拟得出结论，当锤击作用时，在土中产生一个非常大的超孔压，随着锤击力的消失，超孔压值迅速减小，但不会完全消散。在桩贯入过程中产生的超静孔隙水压力势能非常有限。由以上分析可知大直径钢管桩溜桩过程不同于PHC管桩等排土桩，由于其直径大、壁薄、质量大等特点，较薄的桩壁穿越土层时桩身变形能与超孔隙水压力势能相对于土阻力做功非常小，在实际工程应用中可忽略[10-11]。则结合式(2)可得下式：

结合式(1)、(3)和(4)以及土阻力的计算结果就可以预估溜桩长度。其中Es=Wd+Eh，统称为消耗能，由于在溜桩过程中，没有锤击作用，且软土层中桩端受力较小，因此产生的孔压耗散能与桩身的变形能都很小，结合多个工程实例经验给出耗散能与桩锤势能EG的比值为0.05～0.1左右，因此在计算过程中选取中间数值进行评估计算。

4 工程实例

4.1溜桩区间的判断

南海该平台的桩在沉桩过程中都发生了溜桩。基于能量守恒的方法对该工程进行了分析，并与实测结果进行了比较。

溜桩的发生与设计者在设计阶段对沉桩阻力的预估方法不合理有关，这种误判与大直径超长桩的特性有关，因此，由于这种新型的桩基在贯入过程中产生了一些更为突出的特性，如自重大、惯性大、贯入速度大、对桩周土体剪切作用时间长、对桩周土扰动大等特点，这些特点中，自重大、惯性大是大直径超长桩的特性，而对桩周土体剪切作用时间长、对桩周土扰动大等特点是需要将传统桩基计算方法中考虑到的桩周土的影响程度进行更深层次的研究与采用更合理的计算方法。

用静力触探法来预估桩的承载力具有高效与快捷等优点，静力触探(CPT)与静压桩在几何形状和贯入方式上具有相似性，因此可以用静力触探的实测结果来预测单桩的承载力，所以，国内外学者提出很多经验公式。由于各学者研究目的的不同，静力触探测试数据与承载力计算的经验公式的形式和意义有较大不同。目前采用半经验方法多是基于静力触探试验成果和桩的载荷试验成果相关分析基础上的经验公式，主要考虑沉桩方式、桩端阻力的影响范围、桩侧摩阻力的统计方式、桩型、加载方向以及桩周土层等对桩的承载力的影响，不同的经验公式只考虑了上述影响因素中的一种或几种，考虑的重点和适用的对象也不一样，造成了一根桩的极限承载力按不同的经验公式计算的桩的值却不完全相同，甚至相差很大。此外，公式中的经验系数大多无明确的物理含义，不容易确定，这也影响了该方法的应用范围和估算值的可靠性。

4.2溜桩过程中端阻力的计算方法

迄今有很多方法用CPT结果估算单桩承载力，主要方法有两种：Bustamante和Giasenelli方法与de Ruiter和Beringen方法。Bustamante和Giasenelli的方法即为LCPC[13]法，该法认为桩端的平均等效锥尖阻力(qca)，它是1.5倍桩径深度范围内的qc平均值。计算方法见图(3)和图(4)所示。单桩的侧摩阻力(fp)可用下述公式计算：

式中：αLCPC为摩擦力系数；kc为桩端承载力系数。

4.3溜桩过程中侧摩阻力的计算方法

虽然静力触探可以较为真实反映桩侧摩阻力随土层的变化，但却无法体现某一土层在反复摩擦之后强度减弱的情况，而贯入过程中的侧摩阻力与土的灵敏度有关，由于静力触探的摩擦筒长度有限，可认为其上的摩擦力是均匀分布的，这与桩的贯入受力有所不同。当用静力触探测得的摩阻力计算沉桩阻力时，还需对桩侧阻力综合修正。

CPT试验的侧摩阻力是扰动土不排水抗剪强度的函数，Shcmertmnan[14]提出灵敏度(St)可从摩擦比(Rf)估算得出：

式中：Ns为无量刚系数，Rad和Lunne[15]通过研究显示Ns值的变化范围为5到10，平均值为7.5。Lunne认为Ns值取决于矿物成分、OCR和其他因数，对所有的黏土不能给出唯一的Ns值。本文认为Ns值的取值范围在7～9时更符合海洋土质的特点。

对于砂土中桩侧摩阻力的计算，文中认为de Ruiter和Beringen[16]对砂土进行单独计算的方法更适合溜桩的分析，选取f1=0.12 MPa，f2=CPT侧壁摩阻力，f3=qc/300(压)，f4=qc/400(拉)中的最小值作为桩侧摩阻力fp。

表2为采用上述静力触探计算方法得到的沉桩过程中的桩端阻力与桩侧摩阻力。

根据钻孔资料和所建立的溜桩判断方法，将静力触探计算值应代入式(1)、(3)和(4)后，对该平台16根桩的溜桩区间进行了分析计算，可计算出溜桩区间，具体计算结果如表3所示，溜桩区间示意如图7所示。图4为PCPT测试值，本文在此基础上提出一种将现有测试值与实际桩基承载力相匹配的计算方法，表2中qc为应用式(5)、(6)得到的测试值的转换值，其中kc和α为公式中所用到的参数的取值，fp为应用本文提到的侧摩阻力的确定方法得到的桩基侧摩阻力。

表2 BH1钻孔静力触探测试结果Tab.2 The PCPT results of BH1 borehole

表3 依据钻孔1的溜桩区间计算结果Tab.3 Results of the pile-running area based on BH1 borehole

(续表)

图7 溜桩区间的计算结果与实测比较Fig.7 Comparison of calculation results and in-situ results in pile-running area

对16根桩的计算结果与实测溜桩区间的对比如图7，计算结果与实测溜桩区间具有一致性，在80 m深度时，基本不会发生溜桩现象，其中具有的一些细微差异可能是由于土质特性不同所造成的，基本上计算结果与实测值吻合程度较好。

5 结语

目前海洋桩平台经常采用大直径超长桩，在沉桩过程中容易发生溜桩。为了便于打桩控制，判断溜桩的深度是非常必要的。对溜桩的过程和发生机理进行了探讨；在此基础上，建立了基于能量守恒法判断溜桩范围的分析计算方法。针对南海某平台桩沉桩过程中的溜桩问题进行了分析计算，验证了所提出方法的合理性，可供桩设计以及沉桩施工参考。

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Research on the mechanism and calculation method for pile-running of long and large diameter piles based on energy conservation method

YAN Shuwang1,CHEN Hao1,JIA Zhaolin1,2,LIN Shu1,SUN Liqiang1

(1.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.Huadian Heavy Industries Co.,LTD.,Beijing 100070,China)

P751

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.03.008

1005-9865(2016)03-0063-09

2015-08-12

国家自然科学基金资助项目(51322904; 51279127; 41372291)

闫澍旺(1950-)，男，天津人，教授，博导，从事岩土工程专业的研究和教学工作。E-mail:yanshuwang@tju.edu.cn

贾沼霖。E-mail:jzhaolin@126.com