冲刷后地基土体特性及平台桩基承载力研究.pdf

- 5 4 - 石油机械 CHI NA P ET ROL EUM MAC ，H I N E R Y 2 0 1 2年第4 0卷第 6期 海洋石油装备 冲刷后地基 土体特 性及 平 台桩基 承载力研 究 马殿滨 李志刚 段梦兰 陈祥余 姜绍云 王建国 ( 1 中国石油大学 ( 北京) 海洋油气研 究 中心2 中海油工程股份有 限公 司) 摘要：评价冲刷对桩基础的影响常采用将冲刷掉 的土层直接移去且认为下层土体物理特性不 变的方法。该方法忽略 了冲刷前后土体经历的应力历程 的差异及 由此导致 的土体特性变化。基于 冲刷作用下砂土地基土体特性的变化 ，对平台桩基承载力性状进行 了研 究。对冲刷后砂土地基土 体 的摩擦角、相对密度和超 固结率进行 了估算。在此基础上提 出冲刷后砂土地基极 限土抗力计算 公 式，并对冲刷后桩基土抗力p - y曲线进行 了修正。最后利用 S A C S 5 2软件分析冲刷后横 向受载 桩 的动力响应。分析结果表明，忽略冲刷后土体特性的变化可能会导致横向受载桩过于保 守的设计。 关键词 ：砂土地基；冲刷；土体特性 ；桩基承载力 ；横 向受载桩 中图分类号：T E 5 8文献标识码：A文章编号：1 0 0 1 4 5 7 8 ( 2 0 1 2 )0 6 0 0 5 4 0 5 Re s e a r ch o n Fo un da t io n So il M a s s Pr o p e r t y a f t e r Er o s io n a nd Be a r ing Ca p a cit y o f Pla t f o r m Pile Fo u nd a t io n Ma Dia n b in g L i Z h ig a n g D u a n Me n g la n Ch e n Xia n g y u J ia n g S h a o y u n Wa n g J i a n g u o ( 1 R e s e a r ch C e n t e r f o r O f f s h o r e O i l a n d G a s ， C h i n a U n i v e r s it y o fP e t r o l e u m， B e i j i n g 2 C N O O C O ff s h o r e O i l E n g i n e e r in g C o ， L t d ) Abs t r a ct ： Du e t o t h e e f f e ct o f wa v e，t id e，wa t e r fl o w a n d s t o ma s u r g e，e r o s io n ma y t a k e p la ce a r o u n d t h e p ile f o u n d a t io n o f o f f s h o r e fi x e d p la t f o r m Er o s io n r e d u ce s t h e h o r i z o n t a l a n d lo n g it u d in a l b e a ri n g ca p a cit y o f pi leu n d a t io n Ev a lu a t io n o f t h e e f f e ct o f e r o s io n o n t h eu nd a t io n u s u a l ly a d o p t s t h e me t h o d wh ich r e mo v e s t h e s co u r e d s o i l la y e r a n d a s s u me s t h a t t h e p hy s ica l p r o p e y o f s u b s o il r e ma ins u n ch a n g e d Ho we v e r ，t h e me t h o d ig n o r e s t he s t r e s s p r o g r e s s d i f f e r e n ce o f s o il b o d y b e f o r e a n d a f t e r e r o s i o n wh ich ca u s e s t h e cha n g e s o f s o il ma s s p r o p e rty T h e b e a r in g ca p a cit y p r o p e rty o f p la t f o rm p ileu n d a t i o n wa s s t u d ie d o n t h e b a s is o f t h e ch a n g e o f s o il pr o p e y o f s a n d s o il fou n d a t io n d u e t o t h e e f f e ct o f e r o s io n Th e f r ict i o n a n g le，r e la t iv e d e n s it y a n d o v e r co ns o li d a t io n r a t e o f s a n d un d a t io n s o i l ma s s a f t e r e r o s io n we r e e s t ima t e d Th e r e b y t h e ca lcu la t io n f o r mu la f o r s a n d f o u nd a t io n limit s o il r e s is t a n ce aft e r e r o s io n wa s p r o p o s e d a n d t he P Y cu r v e o f p ile fou n d a t io n s o il r e s is t a n ce aft e r e r o s io n wa s mo d ifi e d Fin a lly，t h e SACS 5 2 s o f t wa r e wa s a d o p t e d t o e x p lo r e a n d a n a ly z e t h e d y n a mic r e s p o n s e o f la t e r al lo a d e d p i le aft e r e r o s io n Th e fi n d i n g s s h o w t h a t n e g le ct o f t h e ch a n g e o f s o il p r o p e r t y aft e r e r o s io n ma y le a d t o t o o co n s e r v a t i v e d e s ig n o f la t e r a l lo a d e d p ile Ke y wor ds： s a n d s o il fou n da t io n； e r o s io n； s o il ma s s p r o p e r t y； p ile fou n d a t io n；b e a ri ng ca p a cit y； la t e r a l 1 o a d e d p ile 0 引 言 近海 导管架平 台的桩脚处 于复杂 的水流环境 中，与桥梁一样也存在着冲刷隐患。桩基冲刷可能 会对桩基础及相关设施的稳定性带来严重影响。目 前 ，评价波流冲刷对平台桩基横 向承载力的影响通 常采用直接将冲刷掉的土体移去的简化方法 ，即认 为桩柱埋置长度减少 、结构承受额外流体载荷 。然 而 ，这种方法忽略了冲刷后桩基周围土体物理特性 基金项 目：国家 8 6 3计划项 目：“ 基于振动检测 的现役海洋平 台结构安全评估技术研究” ( 2 0 0 8 A A 0 9 2 7 0 1 3) 。 2 0 1 2年 第 4 0卷第 6期 马殿 滨等 ：冲刷后 地基土体特性及平 台桩基承 载力研 究 可能发生的变化 。由于上覆应力的减小 ，桩基周 围 土体的迁移会改变下层土体的特性。换句话说 ，冲 刷过程 中桩 基 周 围土 体 可能 经历 了从 正 常 固结 ( N C )到超 固结 ( O C )状态 的变化。将 土体横 向 有效应力与竖 向有效应力的比值定义为静止土侧压 力系数 。对于正常 固结 ( N C) 的土体 ，静止 土侧 压力系数可以用以下公式计算 ： K =1一s in 4, ( 1 ) 式 中K 正常固结土体的静止土侧压力系数 ； 土体 的内摩擦角 ，( 。 ) 。 对于超固结 ( O C )土体 ，静止 土侧压力 系数 的计算公式为 ： K o 。= ( 1一s in 4,) 0 呻 ( 2 ) 式 中 超固结土体的静止土侧压力系数 ； 0 土体 的超 固结率。 冲刷条件下 ，土体 的超 固结率随土体深度的变 化而变化 ，且与冲刷的深度和范 围有关。 在评价海洋平台桩基的横向承载能力 的众多的 方法 中， p - y曲线法是 目前计算横 向受荷桩的重要 方法之一 ，该方法理论较为严谨 ，比起传统的假想 嵌 固点法 、m法 、联邦德 国法等能更好地反映桩土 相互作用 ，其结果和实测值吻合 ，并为美 国石油协 会海洋平台设计施工技术规范 A P I R P 2 A的第六 版所采用。 目前为止 ，关于冲刷后砂土土层中桩土 相互作 用 p - y关系 的研 究还没 有 系统 的成 果。为 此 ，笔者通过对冲刷后土体摩擦角 、有效土容重等 特性参数进行重新计算 ，探讨 了冲刷后土体特性变 化对平 台桩基承载力 的影响，并对冲刷前后桩土相 互作用 p - y曲线进行了比较和分析。 1 冲刷对桩基周 围土体应力及物理特 性 的影 响 1 1 土体参数与相对密度的关系 有效土容重 和 内摩擦角 是确定 横 向受载 桩桩基土抗力的基本参数 ，各参数均与土体 的相对 密度 D 有关 。相对密度是评测 冲刷状态下砂土地 基物理特性的一个重要指标。由于平台现场土料难 以取得 ，所 以原 位 检 测 方 法 ，如 标 准 贯 人 试 验 ( S t r r )或静力触探测验 ( C P T) ，已经被普遍应用 于砂土相对密度 的估计 。砂 土地 基有效土容 重 可以由下式计算 ： ， ( G 51 ) y 1 ， = 1 4 - e 一D ， ( e 一e ) 式 中G 土粒密度 ，k g m ； 水的容重 ，k N m ； e 、e m i n 土体最大、最小孔隙比。 砂土的内摩擦角可 以通过相对密度及初始平均 有效应力来计算 ，如公式 ( 4 )所示 。 咖 = 0 + 3 D - 0 一 n p 。 ( 一 鼍 ) ) 一 3 ( 4 ) 式中 土体的临界摩擦角，( 。 ) ； p 。 土体的初始平均有效应力 ，k P a 。 1 2 冲刷后桩基周围土体应力及相对密度 冲刷前桩基周 围土体的相对密度可 以通过现场 测量或室 内试验来获得 ，这又称为土体 的初始 状 态。冲刷后土体相对密度的变化可以基于桩基周围 冲刷坑的深度来计算。冲刷作用下砂土地基剖面图 如图 1 所示。 初 始泥面 r 冲刷 后泥 面 J 人 b 图 1 冲刷 作 用 下砂 土地 基 剖 面 图 Fig 1 Pr o f ile o f s a n d s o il f o un d a t i o n u n d e r t h e e f f e ct o f e r o s io n 相对密度的变化本质上等价于孔 隙比的变化。 孔隙比的变化可以用下式表示 J ： A e=e 一e 。 =一 ln ( p p i ) ( 5 ) 式中e i 、e s c冲刷前 、后关键 点处 土体 孑 L 隙 比： 卸载系数 ，k= 0 4 3 4 C ； P i P 冲刷前 、后关键点处土体的平 均有效应力 ，k P a 。 P 。 及 P 对 应于公式 ( 4 ) 中应力 P 。 。冲刷 前后土体的平均有效应力可由下列公式计算 。 冲刷前 ： P n 1= H_ n f ( 32 s in 4,) 3 ( 6 ) 冲刷后 ： P 。= Hs 1+2 ( 1一s in 4, ) O cR “ 3 ( 7 ) 式中 i 、 。 冲刷前 、后 关键点处 的有效 土容重 ，k N m ； H 。 、日 冲刷前 、后关键 点处的深 度 ， mO ( 3 ) 超 固结率的定义表达式如下 s 一 5 6一 石 油机械 2 0 1 2年第 4 O卷第 6期 0 C R= i H ( 。 ) ( 8 ) 土层相对密度的变化表达式为 j ： A D =A e ( e 一 e i ) 圳 e m ax - e m i n1 2 1 si n 4,0 ， 【 + ( 一 ) r 呻 J 式 中 D 冲刷前关键点处的相对密度 ， ； D 冲刷后关键点处 的相对密度 ， 。 即有 ： D 。：D i 一A D ( 1 0 ) 需要特别说 明的是 ，公式 中的 采用 的是 冲 刷前正常固结条件下土体 的内摩擦角。 冲刷后土体 的相对密度 D 可 以由公式 ( 3 ) 、 ( 8 ) 、( 9 ) 、( 1 0 )迭代计算 ，有效容重 y 。 取决于 D 的值 。在得到 D 。 和 A D 之后 ，特定深 度 ( 关 键点)处有效土容重 内摩擦角 和 0 。 值都 可 以通过相应公式计算 出来。 1 3 考虑冲刷影响的桩侧极 限土抗力计算公 式的 修 正 R e e s e L C等l8 基 于现场试验 提出了砂土 中横 向受载桩 的 p - y曲线。在计算 砂土 的极 限土抗力 时 ，认为泥面附近土体 ( 浅层土)发生楔形破坏 ， 泥面以下土体 ( 深层土)发生平 面应变破坏。 浅层土和深层土的极 限土抗力转折深度 按 下式计算 J ： ( 1 1 ) 当 一 _一_ 羽一 J - ， 窨 n d = 2HI =6m d =1 2 m d =2 2m 图 2 横向受载桩假定冲刷状 态示意图 F ig 2 D ia g r a m o f a s s u me d e r o s io n s t a t e o f la t e r a l lo a d e d p ile 桩的类 型为单桩 ，长度 为 4 0 0 13 3 ，桩外 径 2 0 1 2年 第 4 0卷第 6期 马殿滨等 ：冲刷后地基土体特性及 平台桩基 承载力研 究 一 5 7一 图 3冲刷 后 土体“ 修 正 的 P Y曲 线 ” F ig 3 Mo d if ie d P Y u iv e o f s o il ma s s a f t e r e r o s io n 图 4给 出了 2种深度 土体 ( d =2 m，d ：= 6 m)在冲刷前 的 p - y曲线 、冲刷后未修正及修正 的 p - y曲线 。从 图4可以看出 ，桩基周围土体冲刷 掉 3 m后 ，Y= 0 0 3 m时在邻近泥面位置 ，土体的 横向土抗力降低 了 8 0 。深度 为 d =2 m处 的土 层 Y= 0 0 3 m时 ，修正的 p - y曲线显示的土体抗力 值比未修正的p - y曲线相应值大约要高出 1 7 。这 表明直接将桩基周围土层移去且认为冲刷后土体特 性不变的简化方法会在一定程度上低估桩基周 围土 体的横向土抗力。 3 2 2 巨 1 邑 1 Y i n a d、 =2m V ， I n b d =6m 图 4不 同 P Y曲 线 的 比较 F ig 4 C o mp a r is o n o f d if f e r e n t P Y cu r v e s 2 3桩的动力响应分析 为了研究冲刷对横 向受载桩 的影响 ，将 修正 及未修正 的P Y曲线输入 到 S A C S 5 2软件 中以计 算特定 载荷下桩 的动力 响应 。 笔者在此计 算 了在 一 一 二 l 、 一 l l 一 一 l rM =l I= ， 1儿 ， l 二 一一 _【 一 9 8 7 6 5 4 3 2 1 一 gz 一 5 8一 石 油机械 2 0 1 2年第 4 0卷第 6期 F=1 5 0 k N的载荷作用下冲刷后泥面 以下桩身 的横 向位移及弯矩 ，计算结果如 图 5所示。其 中，0 m 深度为冲刷后泥面位置 。由图 5 a可见 ，在 0 I l l 深 度附近 ，基于修正的p - y曲线计算得到 的桩的横 向 位移 比利用未修正的p - y曲线计算 的位移值减小 了 2 5 。从 图 5 b可 以看 出，利用修 正的 p - y曲线计 算得到的桩身最大反弯矩值更大 ，最大反弯矩点所 处的深度也更浅 。图 5所显示 的结果进一步证明当 考虑冲刷后土体特性 的变化时，一定深度范围内桩 基横向土抗力将增大 。 1 三1 z 2 3 3 横 向位移 cm a 横 向位移 O 一 2 00 0 20 0 40 0 60 0 80 0 1 00 01 2 0 0 1 4 0 0 弯5 g ( k N m) b 弯矩 图 5 桩身横 向位移和 弯矩 随深度 的变化 曲线 F ig 5 C h a n g e o f la t e r a l d is p la ce me n t a n d b e n d ing mo me nt o f p ile f ou n da t io n wit h d e pt h 3 结 论 ( 1 )冲刷后桩 基周 围土体 的相对 密度 、有效 土容重略有减小 ；在靠近冲刷后泥面的位置 ，对桩 基土抗力具有显著影响的内摩擦角值及超固结率增 加的较 为明显。 ( 2 )冲刷会显著 降低 桩基周 围土体 的横 向土 抗力。与未考虑土体特性变化的情况相 比，考虑桩 基周围土体物理特性的变化时 ，冲刷后桩基横向土 抗力会更大。因此 ，考虑冲刷后土体特性 的变化横 向受载桩的动力响应深度会减小。 ( 3 )忽略冲刷后砂 土地基土体特性 的变化可 能会导致近海桩基工程设计偏于保守。提出的桩基 土体 P Y曲线修正方法对于桩基工程设计及海上结 构物安全评估具有较为重要的指导意义。 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 参考文献 J a k y J T h e co e ffi ci e n t o f e a r t h p r e s s u r e a t r e s t J S o c Hun g a r ia n Ar ch it e ct s En g in e e r in g，1 9 4 4，3 5：58 Ma y n e P W ， Ku lh a wy F H K o OC R r e la t io n s h ip s in s o il J J G e o t e ch E n g D i v ，A S C E，1 9 8 2 ，1 0 8 ( 6) ：8 5 18 7 2 Kulha wy F H ，Ma yn e P W Ma nu a l o n e s t ima t in g s o il p r o p e r t i e s f o r fo u n d a t i o n d e s i g n MP a lo A lt o ：E le e t r ic Po we r Re s e a r ch I n s t it ut e， 1 99 0 Re e s e L C， Va n I mpe W FSin g le pile s a n d p ile g r o u p s u n d e r la t e r a l lo a d i n g M R o t t e r d a m：A A B a lk e ma ，2 0 0 1 Ch e n L in， C a r o lin e B，Ro b e rt L e t a 1 S co u r e f f e ct s o n t h e r e s po n s e o f la t e r a lly lo a d e d p ile s co n s ide r in g s t r e s s h i s t o r y o f s a n d J C o m p u t e r s a n d G e o t e ch n ics ， 2 01 0， 3 7： 1 0081 01 4 Ya n g J 。Mu F Us e o f s t a t e d e p e n d e n t s t r e n g t h in e s t i m a t in g e n d b e a r in g ca p a ci t y o f p i le s in s a n d J J G e o t e ch G e o e n v i r o n E n g ，2 0 0 8 ，1 3 4 ( 7) ：1 0 1 0 1 01 4 B u d h u MS o i l me ch a n ics a n d fou n d a t i o n s M 1 3 r d e d Ne w Yo r k：J o h n Wil e y& S o n s ，I n c ，2 0 0 7 R e e s e L C， C o