（岩土工程专业论文）海洋采油平台大直径超长桩动力沉桩分析方法研究.pdf

中文摘要 海洋桩基平台动力沉桩问题是一个涉及动力学、结构力学、土力学等多学科 领域的综合、复杂、系统的研究课题。近年来，随着海洋采油平台的发展，对基 础也提出了较高的要求。桩基础作为海洋固定采油平台的主要基础形式，具有大 直径、超长、深贯入等新的特点，对这类桩的可打入性进行准确的预测分析是动 力沉桩研究领域的前沿课题之一。本文结合大量海洋桩基工程实测打桩数据以及 所参与的多个动力沉桩工程，对以下几方面进行了较为深入的研究和探讨。 ( 1 ) 深水导管架由于钢桩长、桩径粗、重量大，桩身水平起吊以及翻转就 位是深水导管架施工的重要环节之一，如何把长桩安全吊放下水，避免发生弯曲 破坏是深水导管架平台安装必须研究的课题之一。提出长桩水平起吊时吊点位置 选择的优化设计；研究吊桩翻转过程中，桩身应力随桩身翻转角度以及悬挂长度 的关系，确保施工过程中的桩身安全。 ( 2 ) 根据t i m o s h e n k o 弹性稳定理论，提出采用考虑桩身自重的临界屈曲荷 载计算方法进行桩的自由站立稳定性分析，并用该方法和a p i 规范方法对某实际 工程进行对比分析。实践证明，该方法可用于桩就位时的自由站立稳定性分析。 ( 3 ) 土塞的闭塞效应对于桩的可打入性分析有着较大影响，准确合理的土 塞效应判断方法才使得可打入性分析具有重要参考价值。实践发现，现有土塞效 应判断方法对于超大直径桩( 2 m 左右) 的计算结果存在较大偏差。为此，本文 提出应用太沙基深基础计算方法的静力平衡法，考虑了边载效应，引入动力效应 系数，更适用于目前海洋工程中应用较多的大直径超长桩，并在实际工程中取得 了满意的效果。 ( 4 ) 工程中发现，当桩贯入较厚粘土层时有可能发生溜桩现象，给施工带 来较大的不便。为此提出采用波动方程对动力沉桩过程中的溜桩进行模拟计算的 方法，并结合实际工程进行验证分析。 ( 5 ) 结合实际打桩拒锤工程，从土体强度、设计以及施工三方面分析拒锤 原因。提出以一维波动理论为基础，结合实测打桩记录进行的反分析方法，根据 停锤后重新启动所需锤击数来判断土体强度随时间的恢复程度，并利用这些研究 成果进行附近平台的打桩拒锤风险分析，提出合理的停锤位置或停锤时间，对实 际工程具有较强的指导意义。 关键词：吊桩自由站立t i m o s h e n k o 弹性稳定理论土塞闭塞效应溜 桩边载效应可打入性分析拒锤 a b s t r a c t d r i v e a b i l i t ) ， o f p l a t f o r m f o u n d a t i o n p i l e s i no f r s h o r e e n g i n e e r i n g l sa c o m p r e h e n s i v e ，c o m p i e xa n ds y s t e m i cp r o b l e m ni n v o l v e ss e v e r a is u b j e c t ss u c ha s d v n a m i c s s t m c t u r em e c h a n i c sa n ds o i l m e c h a n i c s i nr e c e n ty e a r s ，w l 也 t h e d e v e l o p m e n to fo f f s h o r eo i ld r i l l i n gp l a t f o r m s ，t h er e q u i r e m e n t f o rt h ep i l ef o u n d a t i o n b e c o m e sh i 曲e r a st h ep r i m a r yt y p eo fp l a t f 0 mf o u n d a t i o n ，p i l ef o u n d a t i o n sa r e t a k i n g0 ns o m en e wc h a r a c t e r s ，s u c ha sl a 玛e rd i a m e t e r ，l o n g e rl e n 舒ha n dd e e p e r p e n e t r a t i o n i ti so n eo ft h ea d v a n c e dr e s e a r c ht o p i c st op r e d i c tt h ed r i v e a b i l i 够o f s u c hk i n do fp i l e sm o r ea c c u r a t e l y b a s e do nl a 唱ea m o u n to fp i l ed r i v i n gr e c o r d sa n d s e v e r a lp i l ed r i v i n gp r o j e c t s ，s t u d i e sh a v eb e e np e r f o r n l e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h es t e e lp i l e sf o rd e e pw a t e r j e c k e th a v el a 唱el e n 垂h ，d i a m e t e ra n dw e i g h t ， w h i c hm a k e st h el e v e l1 i 衔n ga n dp o s i t i o n i n gu p r i g h tb e c o m eo n eo ft h em o s t i m p o r t 粕ts t e p so fc o n s t i u c t i o n l i r i n ga n dp o s i t i o n i n gu p r i g h to fs u p e rl e n g t hp i l e w i t h o u t 锄yb u l k i n gi so n eo fm ee s s e m i a lp r o b l 哪si n t h ed e 印w a t e rj a c k e t c o ns t 】m c t i o n i no r ( 1 e rt 0 e n s u r et h es a f - e 哆o f 妇p i l ed u r i n gc o n s t l l l c t i o n ，t h e o p t i m u md e s i g nm e t h o do ft h el o c a t i o no ft h es u s p e n s i o nc e n t e rw a sp r e s e n t e da n d t h er e l a t i o n s h i p 锄o n gs t r e s s e s ，i n c l i n a t i o na n ds p a nl e n 垂ho ft h ep i l e d u r i n g o v e m m l i n gw a ss t u d i e d ( 2 ) a c c o r d i n gt ot i m o s h e n k o se l a s t i cs 诅b i l i 够t h e o r y ，an e wm e t h o do f a n a l y z i n g t l l es t a b i l i t yo fp i l es t i c k - u pw a sp r o p o s e d ，i nw h i c ht h es e l fw e i g h to fp i l e 、a sc o n s i d e r e di nt h ec a l c u l a t i o no ft h ec r i t i c a lb u l k i n gl o a d t h ec a l c u l a t i o nr e s u i t s f o rap r o j e c tc a l c u l a t e dw i t l lt h ea p ic o d e 锄dt h ep r o p o s e dm e t h o dw e r ec o m p a r e d ， w h i c hp r o v et h ea p p l i c a b i l i t yo ft h ep r o p o s e dm e t h o di nt h es t a b i l i 够a n a l y s i so fp i l e s t i c k - u p ( 3 ) s o i lp l u ge f r e c th a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h ed r i v e a b i l i 够o f t h ep i l e a n a l y z i n g t h es o 订p l u ge f 】陪c ta c c u r a t e l ya n dr e a s o n a b l ym a k eg r e a t s e n s ei nd r i v e a b i l 时 a n a l y s i s w h e na p p l i e dt op 订e sw i t hs u p e rl a r g ed i a m e t e r ( l b o u t2 m ) ，t h ee x i s t i n g c a l c u l a t i o nm e t h o do fs o i lp l u ge f 诧c tg i v e su n t m er e s u l t s t h e s t a t i ce q u i l b r i 啪 m e t h o da d o p t i n g1 e r z a g h i st h e o 巧o fb e a r i n gc a p a c i t ) ，o fd e e pf o u n d a t i o nw a s i n t r o d u c e d ，mw h i c ht h ee d g el o a de 虢c tw a sc o n s i d e r e da n dt h ed y n 锄i ce 毹c t c o e 衔c i e n tw a si n c l u d e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sv e r i f i e dt h ea p p l i c a b i l i 够o ft h en e w m e t h o di np r 两e c t sw i t hs u p e rl a 鸦e rd i a m e t e rp i l e s ( 4 ) i np r a c t i c e ，p i j em no n p no c c u r sw h e nt h ep i l eg o e si n t os o rc l a yl a y e rw i t h l a 唱et h i c k n e s s t h i sb r i n g sa b o u tm a n yi n c o n v e n i e n c e st 0c o n s t m c t i o n s t r e s sw a v e e q u a t i o nw a sa d o p t e dt om o d e l i n gm ep i l em np h e n o m e n o ni np i l ed r i v i n g t h e m o d e l i n gm e a s u r cw a s 印p i i e dt oap m c t i c a lp r 蜘e c t ，a n dt h er e s u l t sa g r e ew i t ht h e r e c o r d i n gd a t aw e l l ( 5 ) b a s e do nt h ep r a c t i c a lp t o j e c t ，t h ec a u s a t i o no fp i l er e f u s a jp h e n o m e n o n w a sa n a l y z e db ys t u d y i n gt h es o i ls t r e n g t h ，t h ep i l ed e s i g na n dt h ec o n s t n j c t i o n m e t h o d b a s e do no n e d i m e n s i o n a ls t r e s sw a v et h e o 巧a n dt h ed r i v i n gr e c o r d s ，ab a c k a n a l y s i sm e t h o dw a sp u tf o r 、v a r d t h em u m b e ro f b l o wc o u n ta n dt h eh 啪m e re n e 玛y f o rr e s t a r t i n gap i l ew e r es i m u l a t e d ，跏dt h er e c o v e 巧r a t i oo fs o i l s t r e n g t hw a s c a l c u l a t e d t h er e 亿s a lr i s ka n a l y s i so ft h ep 订e 、v a sc a r r i e do u tw i t ht h er e s u l t so f b a c k 锄a l y s i s ，a n dt h er e a s o n a b l et i m eo rl o c a t i o nt ob r e a kd r i v i n gw a sp r e s e n t e d k e yw o r d s ：p i l el i r i n g p i l es t i c k u p t i m o s h e n k oe l a s t i cs 协b i l i t yt h e o 巧 s o i lp l u ge 仃e c t p i l em n e d g el o a de f 瓷c td r i v e a b i l i t ) rs t u d y p i l er e f u s a l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨叠盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：劫韦签字日期：侥竹年多月心日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盔基鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫注盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 荔够 j 签字日期：力呷年多月度日 导师签名：瑚够导师签名：【乏搁够 签字日期：乃刁年乡月幻日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 海上平台是一种岛状空间结构物，具有一个高出海面的水平台面，供生产作 业或其他活动的海上工程设施。海上石油平台按其结构特点和工作状态大体可分 为固定式和浮式两大类。固定式平台在整个使用寿命期内位置固定不变，其形式 有桩式、绷绳式和重力式等如图卜l 所示。其中桩基式平台也称导管架平台，由 钢质管桩、导管架和甲板组成。导管架先在陆上预制，浮运或用驳船拖运到安装 地点就位，然后打桩将导管架固定，导管架顶部安装甲板，所有设备都安装在甲 板上，可用来钻生产井和采油。这种平台工艺简单，操作安全方便，是最为常用 的一种类型n 1 。动力沉桩则是钢质桩基导管架平台施工建设中最重要的环节之一 啪，它的顺利施工对于整个桩基平台如期完工和安全投产都具有十分重要的意 义。 但是海上环境恶劣多变，施工条件较差，适宜施工的时间有限而且短暂，此 外打桩费用极高，必须保证桩与打桩设备的组合要适宜，使用锤型能量适中，以 便将桩顺利地贯入到设计深度，并满足承载力的要求b 1 ，因此预先进行桩的可打 入分析对于桩基施工以及整个平台能否顺利完成具有十分重要的意义。波动理论 将打桩过程认为是杆件中应力波的传播问题，符合实际动力沉桩过程，因此广泛 应用于沉桩能力分析。 近年来，随着海洋采油平台的发展，对基础也提出了较高的要求。桩基础作 为海洋固定采油平台的主要基础形式，出现了大直径、超长、深贯入等新的特点， 这就要求必须更可靠地进行桩基设计、制定施工方案和沉桩施工工序，以确保上 部结构物安全。在实际动力打桩过程中，常常由于对沉桩可打入性分析的失误， 导致施工中桩无法下沉到设计贯入深度，发生拒锤现象，带来海上工程进度受阻、 施工船舶现场待机、项目投产日期拖延以及经济损失惨重等一系列严重的后果 h 1 ；或是桩在贯入过程中溜桩现象严重，给施工带来较大不便，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；此外桩的起吊安装也是 深水导管架施工的重要环节，甚至是影响导管架旌工的关键步骤啼1 。如何把长桩 安全吊放下水，避免发生失稳破坏是深水导管架安装必须研究的课题之一。不论 出现何种情况，都会延误工期，增加施工费用和工程造价，更严重的是因桩基处 理不当，而发生重大工程事故，造成国民经济巨大损失。例如，在我国冀东南堡 油田导管架平台桩基以及蓬莱1 9 3 平台桩基的打桩过程中，就出现了桩不能沉 入预定深度而发生拒锤的工程事故。南海1 # 钻井船，在半年时间内发生了5 次 第一章绪论 桩脚不均匀下沉，造成平台倾斜；在我国南海的文昌油田导管架平台桩基的打桩 过程中，就出现了桩不能沉入预定深度和桩因自由站立强度不足而失稳破坏的工 程事故哺1 。究其原因主要是对打桩过程中的桩一锤一土系统相互作用机制的研究不 够成熟，对超大直径超长钢管桩出现的一些新问题认识不足等原因。为此，进一 步深入研究动力沉桩存在的一些问题，对于海洋桩基整个平台的安装、建设、如 期投产以及安全运营都具有十分重要的意义。 首先对动力沉桩的一些基本理论和实际应用状况进行具体评述。 謦警囊警备 凌乎蠹曩麓壤鼍土t 办式节鸯 图1 1 固定式平台 1 2 动力沉桩的基本理论 1 2 1 动力沉桩机制分析 海上固定平台多采用开口钢管桩，开口桩较闭口桩更易打入到设计深度，而 且沉桩后由于土塞的作用，开口桩在静荷载作用下表现同闭口桩类似盯8 】，可以 满足承载力要求，所以在海洋固定平台中应用较广。钢管桩在陆上预制，经驳船 拖运到安装地点，经动力沉入到设计深度。目前陆上沉桩方法有多种，包括锤击 法、振动法、静压法以及辅助沉桩法等。由于海上特殊环境多采用锤击法动力沉 桩，该方法锤击能量大、效率高、适用范围广，还可以水下作业，所以在海洋平 台桩基施工中应用较广。该方法的设备主要有落锤、蒸汽锤、柴油锤和液压锤等 类型的锤。与其他类型桩锤比较，液压打桩锤具有桩锤短、噪声低、无油烟、燃 料省、每一个工作循环中沉桩力持续时间长，打击力大、每一次冲击产生的桩贯 入度较大、施工控制性好、还可调节锤击力大小等特点，在国内外打桩工程中应 用越来越多。锤击法的原理就是利用桩锤自由下落时的瞬时冲击力撞击桩头所产 2 第一章绪论 生的冲击机械能来克服土体对桩的阻力，破坏其静力平衡状态，使得桩体下沉， 直至达到新的平衡状态。这样反复锤击，直到满足设计的极限承载力或达到设计 的贯入深度为止。 在动力沉桩过程中，桩周土体受到强烈扰动，桩周土体的实际抗剪强度与地 基土体的静态抗剪强度有很大差异。由于桩的挤土作用以及锤击能量的影响，造 成了桩周土颗粒的复杂运动，使桩周土强度发生变化。随着桩的沉入，桩与桩周 土体之间将出现相对剪切位移，由于土体的抗剪强度和桩土之间的粘着力作用， 土体对桩周表面产生摩阻力。当桩周土质较硬时，剪切面发生在桩与土的接触面 上：当桩周土体较软时，剪切面一般发生在邻近于桩表面处的土体内。粘性土中， 桩端处土体在扰动重塑、超静孔隙水压力作用下，土体的抗压强度逐渐下降，直 至降低到重塑强度。对于砂性土，密砂可能被振松，受松驰效应影响土体抗压强 度降低；松砂则很可能被振密，受挤密效应影响而土体抗压强度增大。随着桩贯 入压力的增大，当桩尖处的土体所受应力超过其抗剪强度时，土体发生急剧变形 而达到极限破坏，土体产生塑性流动( 粘性土) 或挤密侧移和下拖( 砂性土) ， 桩尖下土体被向下和侧向压缩挤开，桩继续“刺入 下层土体中。在地表浅层， 粘性土体会向上隆起，砂性土则会被拖带下沉。在地表深处，桩端土体在桩端形 成的契体处被分为内侧和外侧土体，土体受到水平向挤压，使得桩周土体结构完 全破坏。较大的辐射压力的作用也使邻近桩周土体受到较大扰动影响。此时，桩 身必然受到土体的强大法向抗力所引起的桩周摩阻力和桩尖阻力的抵抗，当桩顶 施加的锤击力和桩自重之和大于沉桩时的这些抵抗力，桩尖继续刺入下沉直至设 计标高，反之，则停止下沉哺1 。 然而，如何建立动力沉桩相应的数学模型，以便更好地、更正确地掌握其贯 入机理，一方面可以进行打桩预测分析，即桩的可打入性分析；另一方面可以确 定桩基的静承载力，这是打桩工程中最为关心的两个问题。一百多年来，众多学 者、专家对此进行了大量的研究。动力打桩公式是用来研究桩锤垫层桩土 的相互作用系统的最早、最简单方法，然而这与实际情况出入很大，究其根本原 因是没有真正描述复杂的桩锤垫层桩土系统的作用机理，而应力波传播才 是该系统复杂机理的本质。因此，应力波动理论的引入、完善，以及在此基础上 深入研究桩土相互作用规律和土性变化特征，对完善动力沉桩分析有着重要影 响。 1 2 2 应力波动理论分析法 在打桩工程的早期发展阶段曾假定牛顿质点撞击定律可用于打桩分析，认为 桩锤提供的能量在撞击时就会立刻传递到桩底。但是大量的现场试验说明，根据 3 第一章绪论 牛顿刚体动力学定律计算的单桩承载力总是导致桩基设计不是浪费就是危险呻】， 其根本原因在于动力沉桩不是能用牛顿刚体力学定律直接求解的简单撞击问题， 而是一种纵波传播问题。 s t v e n a 血于1 8 8 3 年首先分析了一个一端固定的有限长的杆在自由端被一 刚体撞击的情况，给出了应力波在杆中传播的解答n 们。这种情况虽然与实际打桩 有区别，但这项分析提供了打桩时应力波在桩中传播的基本规律。1 9 3 1 年，d v 工s a a c s 首先将应力波应用于描述打桩，指出能量从桩锤传递到桩底不是简单的 刚体撞击动力问题，而是应力波在桩身内的传播问题1 。他将反映桩周土体阻力 参数眉引入经典的一维波动方程得到： 雾二窘+ 尺缸2口2 国2 ( 1 2 ) 式中，z 为桩截面的位置坐标，为工处桩截面的质点位移，芒为时间，届 为桩身土阻力，c 为弹性应力波波速，c = 驯p，e 、p 分别为桩材料弹性 模量和密度。 e n f o x 于1 9 3 2 年发表了将波动方程应用于打桩分析，但由于当时还没 有电子计算机，他被迫采用了许多简化假定，大大降低了解答的实用价值n 羽。后 来长达2 0 多年有关这方面研究一直未有很大的进展。直到2 0 世纪5 0 年代初期， e a l s m i t h 发展了一个容易处理的波动方程解，能用来解非常复杂的打桩 问题3 1 羽。随着大型电子计算机的出现和发展，用数值方法求解波动方程已成为 可能。e a l s m i t h ( 1 9 6 0 ，1 9 6 2 年) 提出了一个描述桩锤一垫层一桩一土系统 的离散的数学模型，借助于电子计算机，用差分法求得了相应的解答，并给出了 土和系统单元参数的建议值，独特地用应力波动理论解决了打桩时贯入性状的研 究n 5 删。从而使得波动方程在桩基工程中的应用焕发出新的生命活力，这无疑是 应力波理论新应用发展的一个里程碑! 波动方程数值差分法是将整个打桩系统抽 ”象化为由许多分离单元所组成，桩锤、桩帽、垫层( 锤垫和桩垫) 以及桩身部分 的弹性均由无质量的弹簧模拟，而各部分的质量则由不可压缩性的刚性块体来模 拟，即所谓的“质弹模型 。桩周土的弹性、塑性动阻力与静阻力也分别用弹 簧、摩擦键及缓冲壶来模拟，即所谓“土的理想弹塑性模型”。因此，桩锤对桩 的一次锤击可以用应力波在桩锤一垫层一桩一土系统中传播所产生波动响应来分 析，从而第一次为人们提供了在严密的基础上分析受到许多复杂因素影响的打桩 问题的手段。 f 0 r h a n d 1 7 1 、d a v i s s o n n 羽、v i j a y v e r g i y a 、b o w l e s 脚3 以及i m s m i t h 等众多学者进一步研究和发展了s m i t h 方法，即称之为“波动方程分析法”。该 4 第一章绪论 方法最初用于预估桩中应力和桩承载力，后来也用于沉桩能力分析。s m i t h 方法 计算过程中涉及参数较多，实践中发现特别是桩项上部系统参数的不确定性会使 计算结果与实际量测值产生较大的出入嘞3 。随着量测技术的提高，为消除这一影 响，2 0 世纪7 0 年代g o b l e 等发展了以桩项实测力( 或速度) 为边界条件的波动 方程法及以桩项实测力和速度为输入条件的计算方法c a s e 法和c a p w a p 法 啪 2 副，这也是目前大应变动测仪检测桩基承载力的理论基础。 近4 0 年来，国外波动方程分析在桩基工程的应用得到了更为广泛深入的发 展，不仅基本上可以指导大规模的桩基设计与施工，而且是发展新型巨大桩锤( 液 压锤) 设计的必不可少的工具。例如荷兰应用科学研究院建筑施工研究所( t n 0 ) 开发的一系列液压锤正是工程实际需要和运用波动方程分析的结果。同时，相关 的适用于不同情况的计算分析程序也应运而生，如t e x a s 运输研究所设计的 t t i 啪1 、g o b l e 等人开发的一系列分析功能逐渐完善程序：1 e a p 、w e a p 8 6 、w e a p 8 7 和g r l l | e a p 口7 嘲1 、荷兰应用科学研究院建筑施工研究所开发的t n o w a v e 3 1 3 等。这 些波动方程分析程序可以考虑打桩残留应力、桩身自重、钢管桩开口打入时的土 塞闭塞作用、打入斜桩、单元连接可允许有不同程度的松动、不同锤型、多锤分 析以及群桩效应等多种因素，以便更准确地模拟打桩实际情况。需要指出的是， 目前绝大多数波动方程法计算分析程序中都采用离散的质弹模型和差分法( 如前 述的s m i t h 法、c a s e 法，t n o w a v e 法等) ，而w e a p 8 7 和g r l w e a p 程序( 以c a p w a p 法为基础) 中则作了进一步的改进，用“连续杆模型”代替了“离散的质弹模型”， 并采用了特征线法求解波动方程，这有利于提高分析精度；s m i t h 和c h o w ( 1 9 8 4 ) 等给出了一个波动方程分析的有限元计算程序池1 。但是，至今还是差分 法占统治地位口引，对工程技术分析人员来说可能是由于有限元法比较费时和费 事，差分法简单且实用的缘故。 在我国，唐念慈等( 1 9 7 8 ) 首次使用波动方程法对渤海1 2 号平台试桩工 程进行了分析，并编制了b f 8 l 计算程序，可预估沉桩能力、单桩极限静承载力 以及可以研究桩锤、垫层性能，但由于需要输入的参数多达二十多个，计算图式 的合理与否，参数的取值是否恰当等均对计算结果有影响，在某些情况下影响到 波动方程法的可靠性。梁守信等汹3 ( 1 9 8 2 ) 设计了多种确定单桩承载力的信号拟 和程序。袁建新等汹3 ( 1 9 9 0 ) 给出了土性参数调整的一个优化方法。江礼茂瞄力 等人( 1 9 9 0 ) 在c a p w a p 法的思想基础上，完成了应用特征线法求解波动方程， 根据打桩过程实测桩项力和速度，求单桩承载力及沿桩土阻力分布的理论研究。 陈波婶1 开发出以一维应力波为基本理论，s m i t h 法为基础的打桩分析程序a d p ( a n a l y s i so fd r i v i n gp i l e ) ，可以用于动力沉桩的可打入性分析和承载力预 估分析，并分别采用多项打桩工程实例进行验证上述研究成果。 5 第一章绪论 应力波动理论的发展最初是为了确定动力沉桩完成后桩基的静承载力，c a s e 法和c a p w a p 法等波动方程法都可用于确定桩基承载力以及土阻力沿桩身的分 布，作为大应变动测方法的理论基础，同动力沉桩分析程序g r l w e a p 以及t n o w a v e 等波动方程实质是一样的。总之，应力波动理论符合锤击能量在桩身的传播规律， 桩土模型的研究发展也使得波动理论可以更好地模拟动力沉桩的过程。应用波动 理论可以用来解决打桩应力、打桩阻力、系统组成的最佳设计、预测单桩极限承 载力等诸多重要问题。对于海上桩基固定平台的打桩工程来说，由于海上沉桩影 响因素较多，常会出现桩不能被打到设计深度的现象，或是由于海上环境特殊， 无法做静载试验确定桩基承载力是否满足设计要求。所以波动方程法的研究和发 展对于海上桩基平台动力沉桩工程具有十分重要的意义。 1 2 3 土塞效应的研究 开口钢管桩在被打入土层的过程中，大量的土体涌入管内，形成土塞。对于 土塞效应，海上大直径超长桩与陆上桩基相比，前者较关心土塞对其可打入性的 影响啪1 ，而后者更偏重打桩完成后土塞对桩基承载力的影响以及土塞在静载作 用下的性状研究油一”。在海上打桩过程中，根据土塞是否与桩内壁发生相对运动， 将土塞分成闭塞和不闭塞2 种状态池1 。在闭塞状态，土塞所起到的作用完全同闭 口桩那样，桩端土体不能继续涌入管内。如何模拟土塞的力学作用机理，以便更 好进行打桩分析及承载力分析，是一个重要的问题。 最简单、最适用的方法当然是假定土塞与桩管内壁的相互作用力可以和桩周 外侧作用力相比较，两者之间存在着某种关系。s t e v e n se ta 1 旧1 ( 1 9 8 2 ) 在计 算土塞不完全闭塞情况下假定桩内侧壁摩阻力为外侧摩阻力的5 0 1 0 0 9 6 ；土塞 完全闭塞情况下，在砂土中增加3 0 9 6 单位侧摩阻力、5 0 9 6 的单位端承力，在粘土 中仅增加6 7 的单位端承力。李乐铭、尚玉华( 1 9 9 0 ) 指出大直径开口钢管 桩载荷沿内壁只有桩身下部分接近端部的区段得以充分发挥并达到极限，在土塞 的大部分区段内，内壁摩阻力一般仅相当于同深度外壁摩阻力的3 0 9 6 5 0 。陈 波、闰澍旺等嘲( 2 0 0 1 ) 假定在桩端1 0 倍桩径以上，土塞的工程特性指标比原 状土层差很多；而在桩端l o 倍桩径范围内的土塞密实，闭塞效应很难达到l o o ， 通过计算发现桩端1 0 倍桩径范围内土塞效应最大发挥约7 0 9 6 时，计算结果与实 测结果较一致。不过无论这种方法如何改进、分析结果有多么精确，但是它不能 反映土塞与桩内壁的相互作用的力学机理。 h e e r e m aa n dd ej o n g 汹1 ( 1 9 8 0 ) 提出的土塞模型是由一系列质点和弹簧组 成的，命名为“桩中桩，土结点和桩结点之间有摩擦力作用，所以在打桩分析 时，可以引进土塞和桩之间的相互作用。并曾编制了一个考虑土塞与桩相互作用 6 第一章绪论 的s m i t h 法专用的计算机程序，计算结果表明，在打桩过程中桩的内壁与土芯 之间始终有相对位移和摩阻力的作用。但是该模型只能分析土塞没有完全闭塞的 情况。 s m i t ha n dc h o w m l ( 1 9 8 2 ) ，s i m o n s m l ( 1 9 8 5 ) 利用有限元方法通过细化模 型网格来模拟土塞与桩壁的相互作用问题，当然该方法可以满足剪切与法向应力 波在土塞中传播和应力波沿桩中传播。然而土体和钢两种材料的材料参数指标悬 殊太太，因此应力波在两种介质中的传播速度差别也很大，这往往需要更细小的 网格模型才能得到较满意的精度结果，有时甚至不能继续求解，而且花时间、不 经济。 r a n d 0 1 p h m 4 9 1 ( 1 9 8 6 ，1 9 8 7 ) 通过引入额外自由度方法对h e e r e 腿e ta 1 ( 1 9 8 0 ) 提出的“桩中桩”土塞模型进行了修正，即允许桩壁和土塞中心轴有弹 性位移。这应是向正确的方向迈进了一步，但是并没有充分考虑特殊的土塞力学 机理，因此土体阻力与土体不排水剪强度相比较存在很多问题。v i j a y v e r g i y a 给出了考虑土塞运动和闭塞情况下的土阻力计算公式，而后用波动方程分析沉桩 能力，其结果是合理的唧1 。 p e r r ya n dh a n d l e y ( 1 9 6 7 ) 哺提出了“动力拱”效应( d y n 锄i ca r c h i n g ) 。 k i s h i d aa n di s e m o t o 嘞1 ( 1 9 7 7 ) 通过试验证明了管桩中土塞的拱效应导致非常 大的内侧摩阻力，土拱效应发生在靠近桩端部分的土塞。p a i k o w s k y 瞄孔钏( 1 9 8 9 ， 1 9 9 0 ) 根据大量的试验资料数据，进一步提出了以“拱效应为基础的土塞力学 机理，桩端阻力略有增加，使得土塞发挥更大的桩壁摩阻力。拱效应机理的基础 是在形成空间球帽状的土拱过程中，砂土颗粒沿主应力方向重新定位。于是，当 土塞受荷后，随载荷的传递，土体就发生压缩变形。当载荷超过拱的承载力时， 拱即发生剪切和膨胀破坏，桩端土随即涌入桩管内，直到形成一个新拱，此时拱 的阻力又超过了向上的推力。桩在贯入过程中，涌入管内的砂土经历着一个拱的 形成与破坏交替发生的循环过程。p a i k o w s k y 进一步根据土塞和桩壁的两种可能 发生的运动将拱分为( 1 ) 主动拱，土塞和桩壁没有相对运动；( 2 ) 被动拱，桩 壁向下运动，而土塞向上运动。 而对于有土塞的钢管桩静承载力计算，对于小直径开口钢管桩( 直径小于 6 0 0 衄) 由于闭塞效应强，可以看作闭口桩m 1 ；对于打桩过程中完全闭塞的桩， 表现出闭口桩特性；h e e r e m aa n dd ej o n g “观( 1 9 8 0 ) 、p a i k o w s k ye ta 1 啼朝( 1 9 9 0 ) 、 m u r f fe ta 1 剐( 1 9 9 0 ) r a n d o l p he ta 1 5 7 1 ( 1 9 9 1 ) 等认为在大多数情况下， 尽管桩在打入过程中只形成不完全闭塞，但在静力作用下，仍然表现出闭口桩的 特性。对于闭口桩而言，载荷是通过钢管外壁和桩端底面来传递。然而对于大直 径桩在静力作用下载荷传递是通过钢管内外壁和管壁底面等三个途径进行的。钢 7 第一章绪论 管内壁传递载荷是大直径开口钢管桩载荷传递的主要特点嘲 舳1 。 总之，建立合理的判断土塞闭塞效应方法和能反映土塞的作用机理的合理模 型，以及选择适宜的模拟方法，是深入研究大直径、超大直径、超长开口钢管桩 沉桩性状及承载能力的一个重要方面，但是到目前为止还没有相关能精确描述土 塞作用的模型和分析程序的报道。特别是土塞的性状与桩径大小有着最直接的关 系，上述研究并没有区分桩径的大小，缺乏针对性。土塞对于管桩的打入性分析 及承载力预估的影响一直是复杂而重要的问题。 1 2 4 拒锤风险分析 在工程中发现：因停锤不能连续地将桩打入到设计深度，后继打桩时往往会 发生打桩困难甚至拒锤( 贯入度趋近零) 的现象。所谓拒锤就是指在不小于设计 锤击能的作用下，单位贯入深度的锤击数超过规范规定的界限值。打桩拒锤点的 定义是为了防止损坏桩和桩锤。特殊的，用合理操作的桩锤打桩的拒锤点定义为： 在连续的1 5 m ( 5 f t ) 中，打桩阻力超过每英尺3 0 0 锤( 每米9 8 0 锤) ，或者每 贯入0 3 m ( 1 f t ) 需8 0 0 锤。这个定义适用于桩的重量不超过桩锤重量4 倍的情 况。如果桩的重量超过这一规定，上述锤击数应按比例增加，但任何情况每贯入 o 1 5 m ( 6 i n ) 不得超过8 0 0 锤。如果打桩延误至少一个小时，上述拒锤点的指标 就不能使用了，直到重新开始打桩后至少进桩o 3 m 为止。但对于不同的桩锤、 土壤特性，打桩拒锤点的定义是不同的，但通常大于5 0 0 击3 0 c m 。 研究发现，停锤引起打桩困难或拒锤的根本原因是：打桩使得桩周土体产 生较大的超孔隙水应力，土体强度降低，而且由于桩土的反复作用，土体产生疲 劳使得打桩阻力大大减少，桩基可以顺利贯入。然而一旦停锤，打桩引起的超孔 隙水应力迅速消散，随着停锤时间的增长，土体强度逐渐地恢复和提高，停锤时 间越长，打桩越困难。由于土层以及边界条件的复杂性，目前打桩引起的超孔隙 水应力的升高和消散尚无法得到解析解，土体强度随时间的恢复程度也就无法确 定，所以桩的可打入性分析仅在连续打桩情况下进行计算预测，不能进行打桩停 锤分析，也就无法有效地控制拒锤现象的发生。施工方也只能依靠经验来尽量避 免：例如尽可能减少停锤时间、将桩端停在粘土层内等，但由于不能提供确切的 停锤时间或停锤位置，拒锤现象仍时有发生。 目前对于拒锤的传统处理方法一般分为以下四种嗽1 ：一是重新评价设计入土 深度，二是检验桩锤性能以便发现问题或换大锤；三是排除土塞或桩尖下的土， 继续打人；四是排除土塞，在第一级桩内打入第二级桩( 桩内桩) ，并在两桩之 间的环形空间内灌注水泥浆。但在实际工程中常发现即使掏完土塞仍不能将桩顺 利贯入，或是桩端阻力过大使得桩端钢管向内卷曲影响到桩内桩的顺利贯入等拒 8 第一章绪论 锤处理困难的现象。这种方法一方面海上施工难度很大，延误工期，另一方面需 要耗费大量的财力和物力。而且当桩贯入到设计标高后还需要向桩管内浇筑混凝 土以形成土塞提高承载力。 图1 - 2 确定后继打桩拒锤时单桩承载力的流程图 9 第一章绪论 由于停锤导致打桩引起的超静孔隙水应力消散，地基土体强度提高，后继打 桩施工中会产生拒锤现象。既然土体阻力如此大，此时的桩基是否可以满足承载 力要求? 刘润哺3 1 等提出应用反分析方法，根据测定的土性参数以及打桩记录，采 用一维波动方程法进行打桩反分析，确定适当的土体疲劳因子，反推出出现拒锤 现象时地基土体的阻力大小，从而确定打桩停锤后土体强度的恢复或增长程度， 最终确定单桩承载力。反分析方法的流程图如卜2 所示。 当后继打桩拒锤时，可采用确定承载力的反分析方法计算此时的单桩承载 力，如果单桩承载力已经可以达到设计要求，则可以截桩，这样做可以缩短工期， 而且较传统方法更具经济性，同时为解决拒锤问题提供了另一有效途径。该方法 已成功在渤海某平台桩基工程中应用。 但是一旦发生拒锤，无论采用哪种方法，都会带来海上工程进度受阻、施工 船舶现场待机、项目投产日期拖延、经济损失较大等一系列的后果。因此对海 上打桩拒锤现象进行分析，找出影响打桩顺利进行的主要原因，有针对性地提出 解决措施，尽量避免拒锤现象的发生，具有十分重要的现实意义。 1 3 本文研究内容 海洋桩基平台动力沉桩问题是一个涉及动力学、结构力学、土力学等多学科 领域的综合、复杂、系统的研究课题。本文结合大量海洋桩基工程实测打桩数据 以及所参与的多个动力沉桩工程，研究采油平台超大直径、超长、深贯入桩的动 力沉桩工程中遇到的难题，跟踪本学科前沿研究领域，运用应力波动理论来进行 动力沉桩分析。针对深海平台主桩水平起吊和翻转就位进行分析，并提出 t i m o s h e n k o 法计算桩的自由站立稳定性分析，在动力沉桩之前确保主桩安全吊 放下水、避免发生屈曲破坏；提出新的土塞效应判断以及溜桩预测分析方法；分 析打桩拒锤原因，进行打桩拒锤风险分析。通过对这些问题的深入研究，对沉桩 系统的桩一锤一土相互作用进行数值模拟分析，以期得到更精确、更可靠的动力沉 桩分析结果。本文的主要研究内容可概括如下： ( 1 ) 深水导管架由于钢桩长、桩径粗、重量大，桩身水平起吊以及翻转就 位是深水导管架施工的重要环节之一，如何把长桩安全吊放下水，避免发生屈曲 破坏是深水导管架平台安装必须研究的课题之一。提出长桩水平起吊时吊点位置 选择的优化设计；研究吊桩翻转过程中，桩身应力随桩身翻转角度以及悬挂长度 的关系，确保施工过程中的桩身安全。 ( 2 ) 根据t i m o s h e n k o 弹性稳定理论，提出采用考虑桩身自重的临界屈曲荷 载计算方法进行桩的自由站立稳定性分析，并用该方法和a p i 规范方法对某实际 工程进行对比分析。实践证明，该方法可用于自由站立稳定性分析。 1 0 第一章绪论 ( 3 ) 土塞的闭塞效应对于桩的可打入性分析有着较大影响，准确合理的土 塞效应判断方法才使得可打入性分析具有重要参考意义。实践发现，现有土塞效 应判断方法对于超大直径桩( 2 m 左右) 的计算结果存在较大偏差。为此，本文 提出应用太沙基深基础计算方法的静力平衡法，考虑了边载效应，引入动力效应 系数，更适用于目前海洋工程中应用较多的大直径超长桩，并在实际工程中取得 了满意的效果。 ( 4 ) 工程中发现，当桩贯入较厚粘土层时有可能发生溜桩现象，给施工带 来较大的不便。为此提出采用波动方程对动力沉桩过程中的溜桩进行模拟计算， 并结合实际工程进行验证分析。 ( 5 ) 结合实际打桩拒锤工程，从土体强度、设计以及施工三方面分析拒锤 原因。提出以一维波动理论为基础，结合实测打桩记录进行的反分析方法，模拟 停锤后启锤锤击数以及锤击能量得到土体强度随时间的恢复程度，并利用这些研 究成果进行附近平台的打桩拒锤风险分析，提出合理的停锤位置或停锤时间，具 有较强的指导意义。 第二章吊桩和自由站立分析 第二章吊桩和自由站立分析 深水导管架一般采用主桩通过桩腿