（岩土工程专业论文）正压冲固平台地基加固及承载机理研究.pdf

摘要 海上软主蟪基燕基狰国乎惫毅攮念，是平螽技本数重要毯毅，歪压挣露平套 地基加固机理研究及承载机瑗研究愚正压冲圊平台课题要解决的关键技术之 一。本文将针对浅海越区兹软牯建蒸，对正莲冲固乎台邋蘩搬圈瓿理积复合 基础承载机理进行研究，形成以下成聚： l 结合魅利油田媳基土质特惑对在胜剩濑爨建造平台豹麓葶申可行方寨进行 技术比较，提出了正压冲固平台地基加阈方案，提出了复合基础的破坏模式，针 对破坏模式进行了加固枫理的研究。 2 科学的选择了地基加固材料及添加剂，搽讨了水泥土的围化机瑶、力学分 板及海水对水泥土的侵蚀，进行水泥的配方试验砺究， 3 进行了复合基础骚向承载机理分丰斤及水平承载丰几璎分析，优选了承载力计 算公式，并为承载力计算软件开发打下了基础。 4 进行了雁压冲固平台复合基础承簸力计算软件的开发，介绍了较件的基本 功能与原理，提供了程序框图以及界颟演示，并用实际算例检验了软件的科学 往。 5 进行了正压冲固平台地基承载力计算，研究了土性参数对正压冲周平台地 基承载力的敏戆性分轿。 关键词：正压冲固平台水泥土复合基础地基承载力敏感性分析 a b s t r a c t i t i s i m p o r t a n t t o i m p r o v et h e s o f ts u b s o i li ns e a b e di no r d e rt ou s ea st h e f o u n d a t i o no ft h ep l a t f o r m t h oc o n c e p to ft h ep o s i t i v ep r e s s u r ep l a t f o r mt r e a t e db y j e a i n gi s a l li n n o v a t i o no ft h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo f p l a t f o r m s t h em e c h a n i s m o f t h ei m p r o v e m e n t b yj e t t i n ga n db e a r i n go f t h ep o s i t i v ep r e s s u r ep l a t f o r mf o u n d a t i o ni s o n eo ft h ec r u c i a lt e c h n i q u e st h a th a v et ob es o l v e da ss o o na sp o s s i b l e t h i sp a p e r c a r r i e so u tar e s e a r c ho nt h em e c h a n i s mf o rt h es o f tc l a ys u b s o i li nt h es h a l t o ws e aa n d f o l l o w i n g c o n c l u s i o n sa r er e a c h e d ： 。b yc o m p a r i n ga l l t h ef e a s i b l ep l a n sb a s e d0 1 1t h es o i l p r o p e r t i e si n t h e s h e n g l io i lf i e l d ，t h et r e a t m e n ts c h e m eo f t h ep l a t f o r mf o u n d a t i o ni sp r o p o s e d t h a ti s t op e n e t r a t et h es h o r tr i g i dp i l e st ot h er e q u i r e dd e p t hb y j e u i n ga n df o r mc o m p o s i t e f o u n d a t i o nw i t hc e m e n ts o i l f u r t h e r m o r et h ef a i l u r em o d eo ft h e c o m p o s i t e f o u n d a t i o ni s r e p r e s e n t e da n dt h ei m p r o v e m e n tm e c h a n i s mf o c u s i n go i lt h i sf a i l u r e m o d ei ss t u d i e d 2 t h em a t e r i a tf o rt h ef c ) u n d a t i o nt r e a t m e n ta n dt h ea d d i t i v e sa r es e l e c t e d r a t i o n a l l y t h e nt h es o l i d i f i c a t i o nm e c h a n i s mo fc e m e n ts o i l i sd i s c u s s e da n dt h e m e c h a n i c a lf e a t u r e sa n dt h ec o r r o s i o no nt h ec e m e n ts o i l b yt h es e aw a t e ra r e a n a l y z e d 。a t s ot h ec o m p o u n d i n gt e s t so f c e m e n ts o i la r ec a r r i e do u t 3 n l em e c h a n i s m so ft h ev e r t i c a la n dl a t e r a l b e a r i n g o ft h e c o m p o s i t e f o u n d a t i o na 糟a n a l y z e da n dt h ef o r m u l at oc a l c u l a t et h e b e a r i n gc a p a c i t yo ft h e t r e a t e df o u n d a t i o ni ss e l e c t e d ，w h i c hp r o v i d eab a s i sf o rt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to f t h ec a p a c i t yc a l c u l a t i o n 4 t h es o f t w a r et oc o m p u t et h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o n t r e a t e d b yj e t t i n go ft h ep o s i t i v ep r e s s u r ep l a t f o r mi sd e v e l o p e d ，t h e nt h eb a s i c f u n c t i o na n dp r i n c i p l eo ft h es o f t w a r ea r e d e s c r i b e d ，p r o g r a m f l o wd i a g r a ma n d i n t e r f a c ed e m o n s t r a t i o na r ep r o v i d e d i na d d i t i o n ，t h ea c c u r a c yo ft h es o f t w a r ei s v e r i f i e dw i t ha c t u a le x a m p l e 。 5 t h eb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ec o m p o s i t ef o u n d a t i o nt r e a t e db y j e t t i n go f t h e p o s i t i v ep r e s s u r ep l a t f o r mi sc a l c u l a t e d 。t h es e n s i t i v i t ya n a l y s i si si m p l e m e n t e dt o d i s c o v e rt h ei n f l u e n c eo ft h es o i lp r o p e r t i e so nt h eb e a r i n g c a p a c i t y k e y w o r d ：t h ep o s i t i v ep r e s s u r ep l a t f o r m ，c e m e n ts o i l ，c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ， c a p a c i t y ，s e n s i t i v i t ya n a l y s i s 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，也不包含为获得丞连盘芏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己在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：毅戍 签字目期： 9 。牛年f 月宁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞基堂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：锄茨 导师签名 签字f 1 期：年月同签字日期：年月同 第一章绪论 第一章缝论 1 1 正压冲圈平台的发展背景 正雁冲固平台技术课题是圜家8 6 3 资源与环境技术领域海洋资源开发技术课 题。该漩题还楚国家8 6 3 重大专项( 澎海大油嬲勘探开发关链技术) 静蓬要课题 之一。正压冲固平台是种新型的海洋采油平台，它聚用短桩熬础代替常规导管 袈平台的打入掇，通过摭周土俸鸯蟊固的方法满足短槛基锻豹承裁力及乎台整体稳 定性要求。 海洋平台技术是开发海洋瓷源的一项关键技术。出于海洋平台处于个特戥 的环境中，工作运行中所受的葡载有：上部结构和自熏，风荷裁，波浪和海流荷 载，冰蒋载以及地震荷泼等，其中上部结构和纂础及设备自重是以静赫载方式作 用子基础上，荚它荷载般以循环荷载方式作用于基础上。这璺作用在平台上的 荷载将会通过平台基础传递到地基体，使地基体应力状态发生变化，导致地 基发生变形，健平台基础产生倾斜和滑移，从丽影响到平台基础的稳定性，严黧 的造成灾害性攀放 1 】。因此，凇确评价平台的地基稳定性是一个重要课题，也是 平台设计和建浚的基磷。 人们首先搬在陆地上成功使用的爨力式基础或桩撼础应用于海洋平台的建 设中，撬离了平台稳定瞧。僵爨，随着海洋石滴工监向深永和潍涂的笈装，这蕊 种形式旗础的缺点就暴露出来，受到了以下几个方面的制约： l 。海洋平台常常窿落在较土地基上，并且层较厚。尤萁辫海琏区静浅表露 地基内，多为近代沉积形成的淤泥质软粘土，这种土质具有含水量高、可压缩性 蔫、渗透性低、抗赘强凌羝等褥往。在这样豹场圭鬯上使瓣柱基磷，要穿透徭1 | 事懿 软土层，从而造成很大的工程擞。 2 海洋气绞条律复杂多变，丈丈璎耱了平台建逢稻安装瓣藤工难蜜，这静瑟 劣的气候条件要求现场施工时间尽可能短。 3 。遮羞海洋平台 趣深海发袋，重力式基穑熬建造难度越囊越大，榱蒸整平台 的造价也随水深增加而大幅度提高。 海上嫒形慕磴受题蝗平台袋蠲短拣蒸萋塞，是嚣上端鸷阉、下装开口豹镪瘊 桶形结构，并且在桶顶丌有连接泵系统的水孔【2 】。沉放就位时，先靠桶本身及上 帮结构夔量将掇体压入混中一定豹深度，使援内承体呈封溺状态，然后偿韵予夏 第一章绪论 系统抽吸桶内的水形成负压，当桶内外负压差足够大可以克服土体的阻力时，桶 体就被不断的压入士中，直至预定的深度。海上桶型基础负压平台采用短桩基础， 用钢量小，海上旌工周期短，适用浅层地基条件较好且冲刷较小的稳定海底地基 环境【3 - 1 ”，如遇到海底浅层地基土质较软，承载力较低的情况，则不适于使用此 类平台。胜利油田埕北海域部分地区如果不使用弹性长桩基础的导管架桩基平 台，采用桶型基础负压平台，则会由于浅层天然地基强度条件差不能满足平台承 载力的要求，为此，就需要研究采用短桩基础并适合上述地基条件的新型采油平 台。 正压冲固新型采油平台正是为解决这一难题提出来的采用短桩基础的新型 平台。正压冲固平台是在软弱地基上，利用喷冲和吸、排泥将刚性短桩下沉到海 底一定深度，再通过灌浆形成复合基础针对基础附近的地基进行局部加固，用扩 充的复合基础代替导管架平台的桩基础。这种平台的核心思想就是改变平台基础 的受力形式，对海底浅层地基进行局部加固，以满足平台总体稳性的要求。“正 压”、“冲”、“固”是这种平台的主要特点。“正压”既是相对负压桩而言，又是 平台下沉就位和短桩基础加固的必要条件。“冲”即喷冲下沉，利用喷冲技术， 使平台快速下沉到预定深度。“固”即加固地基稳固基础，利用各种地基加固方 法，对平台地基进行加固，以满足平台总体稳性要求，因而可以利用短桩作为平 台基础，既减少用钢量，又缩短海上施工时问，从而降低平台造价，这是该平台 的主要特点，也是该平台的优点。 图卜1 正压冲固平台的三维效果图 2 第一章绪论 。2 委涯渖黧平台的发展慧义 海上较她基正压羚露平惫糖壤念，是平螽援术兹蓬要翅获，正压 孛器平台 举身是种创新思维，蕻技术原理是科学的。 海上敦避基正垂独霉平台慰海洋工程设谚秘麓工方法具考重大改进。平螽 从加强与地基的结合及有效降i f e # i - 荷作用入手，改变了主要通过增加结构尺度簿 方式获墩安全保障的传统敬法，对海洋王程设计鞠建设憋具有长远的影蟪；平台 就位后撙进行地基加固处理，而不是通常的先处理地基再建设上部构筑物，对海 上地基处理技术的发展其有带动和示范作用。 此种平台的开发主黉针对浅海且海底浅层为软土地基的情况，经过核算在邋 当地基祭件下可节省平台建造投瓷3 0 发右。该类平台在深海地区可以取消过长 的导管内桩腿藏取消水下打桩作业，具有良好的经济效益。课题研究完成后可阻 在我国渤海较大范围内应用，也可向其它海区接广，具有广阔的推广前景。海上 平台建设在海洋资源开发中占肖十分重要的位鬣，降低平台造价，使效益差的边 际油田的开发成为可能。在我尉石油资源缺口越来越大的现实情况下，具有重要 战略意义。 海上平台安全一直烂海上资源开发的关键问题，而迄今平台重大失攀事故多 与工程圭| 亟质有关。正压冲匿平台敌交了平台斡受力获态和基硝豹承载丰凡瑾，是海 上平台的新型式，也是地基处理的新途径，是减少该类事故的艇要方式。 1 3 地基承载力计算方法研究现状 地耩承载力计算包括地基极限承载力计算和水平承载力计算。地基极限承载 力豹理论公式蓠先是出潮骞予1 8 5 7 年提出豹。嚣普錾特尔予1 9 2 0 年投撂塑牲理 论，导出了刚性基础压入无重鬣土中滑动面的形状及其相应的极限承载力公式。 瑞籀诺予1 9 2 4 年在普耀特尔的基础上，把基磁嚣测埋援深度肉的重以连续均 布的超载来代瞥，得到基础有蠼深的地基极限承载力公式。但娥，由于公式没有 考虑到地基持力层土的藏量，导致放在砂土地基表瑶上的极限承载力等予0 的不 合理性。为了弥补这一缺陷，不少学者在普朗特尔的基础上对承载力理论进行了 研究和发展“。 计辫竖向承载力的方法有太沙基法、梅耶震夫法、汉森法、魏西克法等。4 0 年代太沙基根搬普朗特尔的基本原理，提出了考虑地基重量的极限承泼力计算 公式：5 0 年代梅耶霍夫提出了考虑基底以上两侧土体抗剪强度影响的极限承载 公式，以及后来又提出了在斜坡和成层她基上的极限承载力公式等；6 0 年代汉 森提出了中心镢瓣并考虑至t 其能些因索的裰黻承载力公式；7 0 年彳弋魏西克在 第一章绪论 藤天豹纂磕上，除了零l 入了一熬修正系数癸，逐考虑囊壹| 釜基斡压缩瞧翁影琏， 把整体剪切破坏条件下的极限承载力公式推广应用于局部或冲剪破坏时的承载 力 卡算。 桩的水平承载力的计算基本上有三种分析方法：极限地基反力法，弹性地熬 芨力法，复会蟪蕊反力法( p y 塑线浚) 。怼予大壹经剿蛙短梭来说，囊专二不产 生挠度，不适合使用弹性地基反力法和复合地熬反力法，所以采用极限地基反力 法。土壤疆获态髓魏缝慕反力分毒形状楚按经验瑕定懿，邀基菠力只是深度x 黪 函数，与桩的挠度没有随接关系。对此，有假怒按二次曲线分布的e n g e l 物部 法；也蠢接壹线分毒的r a e s 法；对于簸越，逐钶b r o m s 法，等等。 分析计算荷载作用下，正压冲固平台的地耩承载力的确定是其设计和应用 麴基础王 乍。幽予目兹对正压渖国平台的设计遥没有现成的规范可供参考，著巍 其承载力受到诸多因素影响，如地基土的特性、潦础的几何尺寸以及作用荷载等。 因此设计者在厩压冲固乎台的设计研制中，往往根据具体情况，参考一魑其它豹 采油平台规范( 如a p i 等) ，结合刚性短桩和深基础的设计方法，并通过模拟或 试验来确定一些技术参数，在练台运用比较各驰现有计算承载力的方法基础上， 形成对正压冲网平台地基承载力的佶算 1 3 - 1 4 】。 4 谍题的醑究意义帮本文的主娶研究誓作 爱歪 孛露平台接术谍题是黧家8 6 3 资源与环境技术领蠛海洋资源开发援术 课题。浚课题还是国家8 6 3 重大专项( 渤海大油田勘探开发关键技术) 的重要课 题之一。币压渖强平台蟪基热霞橇理磁究及承载稷| 理磅究是该谖题要解决的关键 技术之一。 本谍题疆究在乎台麓趱加黢技术、海上复合基疆承载援理疆究等都敬褥突破 课题开发的新烈加固材料及计算软件，具有自主知识产权。 漾题辑磅究技术翁科学性、先进链鞠剑薮犍在于以下几个方瑟： 1 承载机理方面：正压冲固平台用短桩基石出敷代常规导管架平台的细长桩基 毯，承裁极理蠢甥显差菇。正曩；孛基平台短桩撼铡被动土撬力翱犍底横囱抗剪力 均可提供横向抗滑力和抗倾力，而普通细长桩由于自身变形，械底通常提供与外 力相同方囊豹力；该类平台竖囱承载力以桩端承载为主，普通撼以侧向潦阻力为 主，在浅层存在次持力朦时效聚明显；上覆士熏登、剪切力、底端吸附力均可撬 供竖向抗拔力，这对短桩平台的抗倾尤其重要。 2 加固技术方面：灌浆加圆周围地基，形成笈合基础，增加了有效桩径，可 显著提麓桩的竖向、横向承载能力；只加固周围地基，霄效利用加固材料；平台 就位后辩进行地基加固处理，丽不是通常的先处理地基褥建设上部构筑物，便予 第一章绪论 海土藏工，镬予形或紧密缀合，施工嚣较茯这到最谴强凌；短犍肉穸 霸麓，毫效 增加短桩本体与加固体的结合强度。 3 。攘霾秘瓣方瑟：耪耨适簿海上拳下篌矮，鬟寿承中不扩教、适应海永纯学 成分等特性；适合快速灌注施工，从凝结时间控制、流动性、强度等方面满足海 上环攮簧求。 4 设计计算方面：粮据地熬加固和平台承栽机理，确定了计算模式，开发了 媲基承羧力计舞坎舞：嗣嚣应髑了平台建数建造技本避行平螽投诗。 本文主要的研究内容包括： 1 主要结合胜剩浊疆地基厦特点，对在黢利浊舞建造平蠢毂冬秘可零亍方嶷 进行技术比较，提出正腿冲固平台地基加固方案，提出复台基础的破坏模式，针 对破坏模式进行加固极理的磅究。正聪冲固平螽基础加固枫理以水泥承化 乍髑、 置换作用为主，通过二次注浆的挤密作用，使加固体与地基紧密结合。周围土体 通过按密作用掇高抗剪强度指标，使体承载熊力增强，从丽使土体褥到加固。 2 避行地基加固材料的配方研究。介绍常用的灌浆材料及其分类，讨论灌浆 材料的评价方法；选择地基加围材料及涤加剂；探讨水泥土的固化机理、力学分 析及海水对水漉土强度的影响，针对胜剿油田正压冲圃平台地旗加固谦题，进行 水泥土的配方试验研究，研究灌浆所用材料水泥土的技术参数、强度特，怔。 为实际工程摄供试验和理论的依据。 3 进行正压冲固平台复合基础承载机理研究。进行地基破坏模式分析，进行 复合基础竖向承载辊嚣分析及水平承载税理分析，优选了承载力计算公式，并为 承载力计算软件开发打下了基础。承裁机理试验表明，在扩底后，不仅可以根据 植端面积扩大瓣高竖两承载力，显在短继条俸下，底部貌剪力可良参与抵抗水平 荷载的作用，改变了平台承载机理，对平台抗倾、抗滑稳定性均发挥了爨要作用。 4 疆压冲圈平台复合基磕承载力诗算软件开发。套缨v b 缡程环境及文传缝 织结构，介绍软件的基本功能与原理，提供程序框图以及界面演示，并用实际簿 鲷检验软件静辩学性。软件主要攫据楚萋承载税理骚究袋栗逶幸亍开发，软 牛内 含各种加固模式、破坏模式的承载力计算模块。 5 爱压狰弱乎套镳蓬零载力诗冀，磷究熄参数对歪压冲弱平台遗鏊零载力 的敏感性分析。 第二章正压冲露i 平台地基加固方案选择及加固机理研究 第置章正蘧镩国孚套她基加固方案选撵及加霾棍爨耢究 正压冲固平台首先要解决的关键技术之一是平台基础的形式以殿地基承裁 力的问题。对软地基必须对地基进行加固，才可满足平台总体稳定性要求，在 对平台地基的加固方式，基础的结构形式迸行了多方案的比较论证后，对试验平 台地基加固方案进行分析研究，并从理论上分卡斤了试验平台地基加固的机理，为 试验平台的设计提供了理论依镞。 2 软翡置程注矮及墟蒸糯固处瑾方法 2 。 辕熬王程蠛覆 软一般指在咸水箴淡水中沉积形成的纫粒土，在我国沿海带有广泛的分 布，在内陆平原和山区也有分布。它包括淤泥及淤泥质。通常将天然含水量大 于液限，天然孔隙比大于1 ，5 的土称为淤泥：丽将天然含水量大于液隈，天然孔 隙比介子1 0 与1 5 之间的土称为淤泥族土。撩工程地质的观点认为，士的成分、 结构和性质与地质成因有关，也与其形成后经历的物理、化学过程有关 1 5 1 。 软土具有孔隙窿大、天然含水量高、压缩住高、强度低、渗透性小和灵敏结 构性的特点，袭2 1 为我国某魑地区软土物理力学性质指标的统计值。 觚袭中可以看出这些较的主要物理力学经质特点如下： 1 液限变化在3 4 , 5 8 之间，大部分在3 4 4 3 的范围内，塑蚀指数变化 在1 3 3 0 之闻，大部分在1 5 2 0 的菠誉内，在塑淫鬻上位予a 线之上僵接近 a 线，并主要位于b 线附近，耩于高液限或低液限粘土。 2 + 天然含承整处予3 4 7 3 之闯，均太子液鞭，瘸手流魂、拔态；天然孔陈院 均在1 0 1 9 之间，全都属于淤泥和淤泥质土，其中淤泥质土占多数。 3 压缩经窝压缩系数在5 2m p a - 1 之阗，疆予麓压缩陵。 4 渗透性小，渗透系数大部分为1 0 1 1 0 - 8 c m s e t 之间，所以在荷道作用下 滏维缀漫，强度不易握凌。当主中有橇矮含量较大霹可缝产生气泡，壤慧渗流邋 路，降低其渗透性。对兴薄砂展的粘土，其水平渗透性可显著增大。水平渗透鬃 数可达1 0 1 0 。c m s e t 。 5 抗剪强鹰低，表中列出了部分地区软土抗剪强度的试验统计值，袭中数据 表暖了摭剪强度驹变纯莲疆，一般懿抉剪黏络力e 在1 0k p a 发右，肉瘴擦角舻 6 第二章难压冲固平台地基加固方寨选择及翻阉视理研究 交动在0 5 8 之阗，匿跨廉蘩凝结力较浚葵差翔不太，凌摩擦懿妒一般程1 5 2 0 。之间。 另终，软其有皴变缝，鄹髂受到撬裁冀擐毒静缝狡型式皱酸嚣，毽嚣鬟 一定时间后又可恢复。据不完企统计，其灵敏度一般变化在3 5 之间，说明扰 动爱土瓣强凄蹲低爨覆狻主强度豹2 0 3 0 ，大部分媾予灵敏壤粘。应采取搂 施尽量减小对土的扰动，以利用土的天然强度。 款主一般其有流变矬，馨在磐应力 筝用下，主髂发生缓馒露长期豹爨甥变形， 剪应力愈大此变形性质愈明显，当剪应力大到定数值，在荷裁的长期作用下士 体可能被剪坏，她时的势应力小于一般渡验方法褥到的抗剪强度，穆之为长袭抗 剪强度，它只商一般抗翦强度的o 4 o 8 倍，土的塑性愈大其值愈小。考虑土的 流变性，一般可姆试验褥割的抗剪强度馑适当鼯低，但出于实际工程地基在惹黧 作用下的固结可以抵消其降低使，因而具体设计中也常不考虑土的流变性质。 软具有较大的吸力，或穆吸附力。安放予软土上的活动建筑物如活动式钻 井平台簿，在升高时必须克服这种吸力。试验樽知软土对建筑物的吸力由三部分 组成，即软土与建筑物底面的拳占结力、真空负滕( 即负的孔隙水应力) 和软土对 建筑耪侧面的边阻力。其中真空负压题滠主要的。因而菪能向建筑物底蕊通水戏 通气，就可大大减小软土对建筑物的吸力。 2 1 2 软土地基的加固方法 由于软土燕有天然含水量商、天然孑l 隙眈大、抗剪强度低、压缩系数高、渗 透系数小的特性，在荷裁作用下，软土地基的承载力低，沉降变形大。因此，为 使建筑物能够满足正常使用的要求，就必须采取适当酶措施，对地基运行加固处 理。 软主疆萋的照理方法分为： 1 鼹换法，即用物理力学性质较好的岩土材料置换天然地基中的部分或全部 软土，以达虱蔽善地萋的工耩往质的疆静。氛括：换垫层法、挤淤簧换法、 褥垫法、振冲置换法、强夯置换法、砂石桩置换法、石灰桩法等。适用于饱和软 土圭| 盘羹。 2 摊水预压法，在软土地基中设置排水通道，通过施加在地基上的正压或负 压蔫载，使软主中懿孔豫隶澄撵求逶逶撵窭，逮翻热逮_ 主体国络酶鑫的。餐捂： 堆载预胜法、真空预压法、井点降水法等。适用于各种饱和软粘土地基。 3 + 纯学藤器法，将纯学浆液( 或荻续耪籽) 掺a 到主俸中，镬其与中懿承 及土颗粒发生物理化学反应，形成增强体，以改善软土工程性质。包括：深层搅 拌法、藏匿喷射注浆法、渗入瞧灌浆法、劈裂滋浆法、压密灌装法、茂秘纯学瀵 ， 第二章正压冲固平台地基加固方案选择及加固机理研究 浆法等。其中深层搅拌法和高压喷射注浆法可用于淤泥、淤泥质土等软弱地基的 加固处理，其他各种方法则适用于土的渗透性较好的无粘性土或粘性土地基。 4 振动挤密法，依靠冲击力和振动力使未饱和土密实，再通过打入士中的砂 桩或碎石桩等将土中的水排出，在孔隙压力消散的同时，地基土的强度得到提高。 此种方法包括强夯法、振冲桩法、爆破挤密法、夯实水泥土桩法等。适用于土的 渗透性较高的粘性土或无粘性土地基的处理。 5 珈筋法，通过在土中埋置强度高、模量大的土工合成材料筋材或其他锚固 措施，来提高地基的承载力和稳定性。加筋土法、树根桩法、水泥土复合地基法 等均属于此类加固方法。它适用于堤坝软土地基和各类深厚软弱地基的处理。 此外，冷热处理法、托换及纠倾技术等也常用于各种不良地基的处理中。 争 援一 蜒。 ? o 世 h u r 勺 吣 蟠星 ? 蒋 h 蠢| 重 呷 o oo蠢言 一 h 一 冀薹 x 一 q h 鼎 翌呈 掣 剥 毯录 剥 、 毪 疑 丑 釜 m p 型 1 ；丑| 1 量 掣墓 妊 ? 耋霎 ? 隧 呻 萎茎 _ 6 一 王 量呈 茎 惹互 ? f 卜 n i 睦是坦 嫩享翅辜襄 l蒙求辨 u 螺 ， ：叶骠赡 磷盎螺蜷靼蟋赳扑r斟s凶捌州餐矾州匦祥_【由懈 蹑器刚暑匣器越站蝴雠惶匣嚣蜊舞姐睁叵鸯邕嘲料躲 第二章正压冲固平台地基加固方案选择及加固机理研究 2 2 正压冲固试验平台地基加固方案选择 2 2 1 试验平台概况 拟建试验平台为6 井组采油平台，工作水深1 4 5 m ( 平潮时) 。该平台为正 压冲固平台，平台到海上井位就位后，采用吸排泥下沉到预定深度，进行平台基 础的加固，以满足平台抗倾、抗滑和承载力要求。为防止基础被冲刷掏空，将桩 基顶部下沉到泥面以下一定深度。平台单桩尺寸为中2 5 0 0 m m ，高度1 0 m ，平台导 管架支撑上部结构的每个立柱下端与桩顶联结。桩基顶部下沉到泥面以下0 5 m 桩的跨距为1 5 1 m 。平台设计了增加桩的外壁粗糙度的措施，以提高桩土结合强 度。 2 2 2 正压冲固试验平台海洋环境及海底地基条件 工作水深：1 4 5 m ； 波高：6 7 m ，波周期9 秒： 流速：设计流速l _ 0 3 m s ； 风速：设计风速2 8 m s ，校核风速4 5 m s ； 海冰：单层冰设计冰厚为3 2 a m ，极限抗压强度为2 0 8 5 k p a 。 拟建试验平台的工程地质条件参照了胜利油田c b 3 0 b 平台的工程地质条件。 表2 2 为c b 3 0 b 平台的设计参数表。 通过对地质情况的分析，可以得到以下的结论： 1 该平台海区海底地形平坦，水深大多在1 4 2 1 5 0 m ，井组处的水深为1 4 5 m ， 井场区海底地形平坦。 2 c b 3 0 b 井场区实测海流为往复流型。涨潮流流向偏e s e 向，落潮期间的流 向偏w n w 向，实测最大涨潮流流速为1 0 0 c m s ，最大落潮流流速为1 4 0 c m s 。 潮流的最大可能流速表层为1 6 4 c m s ，方向盘1 1 9 。；中层为1 2 9 c m s ，方向3 0 5 。： 底层为1 l l c m s ，方向1 1 6 。观测海域靠近黄河口m 2 无潮点，因而潮差较小，而 海流流速较大，为强流区。 3 通过工程地质钻探及土工测试，井区6 0 m 以内地层共分7 层，该井位海底 以下1 1 5 m 深度范围内的土质主要为非常软到硬的中塑性粉质粘土。其中，海 底表层2 6 m 为非常软的粉质粘土，该表层土呈流塑状，强度极低，按我国岩土 工程勘察规范划分，这类土属淤泥质粉质粘土，其不排水抗剪强度范围为5 0 k p a 。 承载力标准f = 6 0 k p a ；2 6 1 1 5 m 为非常软到稍硬的粉质粘土，抗剪强度为 9 4 0 k p a 。1 1 5 2 3 0 m 深度范围内主要为细砂，央有少数粉砂细层或薄层，其相 l o 篷三兰垂至翌塑王鱼垫蔓垫墅查塞垄堡墨麴望篓壅蟹壅 辩密度舞中蜜戮密实。2 3 冁潋下震较驽。 4 海底土液化试验分析结果表明，井区海底土层在地震烈魔为7 度、8 度时， 海底不其滚纯褥疰。 5 ，该井区表层海底土( 2 6 m ) 为力学性质软弱的淤泥质粘性土，承绒力标准 蓬f = 6 0 k p a 。辍墓施工孵瘟设鬟爨沉扳，薯对骑演扳承载力及抗瀑移瓣力送行诗 算。 轰2 - 2c b 3 0 b 设诗参数表 深度，m 单位 有效单位桩端 设 抗势强度表蕊 r 乇矮撼述重度承竣力 层顶层底 k p a 摩擦力 k n l m 3m p a k p a 0o84 s u r f 0000 0 4 卜 非常软的粉斌粘土 2 68 4s u = 1 0 07 00 0 9 2688s u = 1 9 01 0 00 ”00 6 6 28 8s u m l 9 l 。1 6 oo 1 7 6 28 5s u = 9 0900 ，0 8 2非常软到稍硬的粉质粘土 8 58 ，5s u = 9 ，09 00 0 s 854s u = 4 0 02 7 0 o 3 6 0 2 9 1 1 51 0 0s u = 3 0 02 7 o0 2 7 1 1 51 0 0 和l ；叫7 8 k p a 2 2 ，o0 9 i 0 6 0 3中密到密变的绷眇 2 3 01 0 5 n q = 8 ，q 。= 19 m p a 4 7 0i7 5 2 3 o】0 0s u = 6 0 05 7 00 5 4 4 碳的粉质粘t 炎粉质粘土 3 5 01 00s u = 8 508 5 00 7 7 3 5 01 0 0 扣2 5 ：f m 。产g l0 k p a 8 l048 0 5锵实的粉砂质细砂 4 2 01 0 o n q = 2 0 ，q m n = 4 8 m p a 8 l048 0 4 23 01 0 8$ u = 9 0 09 0 0o 8 l 6碰到略碰的粉质粘土 5 0 ，51 0 0s u m l 2 0 012 0010 8 5 059 ；5 牌0 0 ，= 6 7 0 k p a 6 7 02 。9 0 7榭实的粉砂、细砂 5 9 595 n q 2 1 2 ，q m a x = 2 9 m p a 6 702 9 0 羧建试验平台恣基夔工程圭| 亟质条件蟊表2 - 3 掰示。 第二章难压冲围平台地鏊加固方案选择及加固机理研究 表2 - 3 毅建试验警台建蕊靛工程遣屡条佟 加固前加固厥 深度洙) e 译 eo s 。 ( k n m 3 )( k p a )( 。)( k n m 3 )( k p a )( 。)( k v a ) 0 27 5 01 0 ，0 05 0 07 5 0l o 0 05 。o es 2 68 8 01 9 0 05 o o8 8 01 9 。o o5 0 01 9 6 1 08 。5 02 0 o o5 o o9 o o2 5 0 05 o o1 0 1 0 1 38 + o o1 5 0 08 ，0 09 。5 02 0 o o1 5 。o o4 0 1 3 1 69 0 02 0 0 01 5 0 09 5 02 0 o o2 0 0 04 0 2 2 3 试验平台地基加固方案的选择 针对撅建试验平台并位的魄基条律，对试验平台酶地基鸯霹蠢方案遴行了 t 较 分析，确定采用联合加固的方法，即：采取喷冲的方式，将桩内及桩底一定范 围内的地基清岛，劳磺注浆翁办法将桩内置换隽强度较高懿浆体牵| 瓣，鑫提麓 桩的端阻力。在桩的侧向，邋过高压灌浆的方式，对桩周围土体进行挤密，以 堙热摭体懿铡溪疆力。校据藏孤刘，爨舞班下三释蘧熬热霾方索。 2 2 3 1 加固方案1 - 桩端涟浆方案 平台准确就位后，通过平台桩底的喷冲设施在桩底冲扩出赢径接迢预定的扩 底桩端孑l 径和深度，通过水力方法，将注浆管囱桩内压入桩底，进行灌浆，使水 泥浆造续充满憝个桩孔，且灌注蓟高于桩底1 5 m 的僚置。为增加桩端及桩体与 周围土体的连接，在扩底端水泥浆灌泼前，通过桩内在桩底预埋二次注浆管，程 土体与桩的臻触面闯遂行二次渡浆。 拟建试验平台的地基加固方案1 示惫图如阁2 1 。 承淀砂浆将一部分软弱土黉挟出皋，加强了基础底部毒零的强度。求淀颥粒 经水化作用与桩底沉淡或周围土体胶结为一体，形成强度较高的水泥土，大大改 善了静力学德质，增大了穰静端承力。桩端被求滋浆胶缩成一个扩大头，灞 大桩端持力层的接触面积。并在灌浆区附近形成类似球形的浆泡挤压附近的土 俸，後主体受挤压并撬离体强度。琵终，注入瓣浆液霄部分会沿控嗣海上扩敲， 从而增加了桩端附近的桩侧阻力。施工简单易行，单桩承载力一般可提高5 0 左 右 f 7 - 2 0 。 1 2 第二章正压冲固平台地基加同方案选择及加固机理研究 图2 一1 拟建试验平台的地基加固方案1 示意图 1 试验平台钢桩基础2 水泥浆扩底基础3 注浆管 2 2 3 2 加固方案2 桩侧灌浆方案 沿桩侧周围自底部向上设置3 层灌浆管，其长度大约o 7 5 米，每层设置8 根灌 浆管，成对称排列。在高压下，水泥浆沿灌浆管被挤入到桩体周边土层中，随着 土体压密将在灌浆管周围形成浆泡或网状浆脉，并使桩周土与水泥浆胶结，通过 压密和置换改善地基性能。同时，在高压水泥浆的作用下，桩身有局部扩径和长 “瘤子”的现象，增大了桩径。在压力作用下，水泥浆液环绕在桩身四周，向上 渗透、劈裂、挤密桩身四周泥皮，在一定范围内上增大桩侧尺寸。采用此方案可 以有效的改善桩侧桩一土的相互作用，增大桩侧摩阻力，大幅度的提高单桩极限 承载力。 拟建试验平台的地基加固方案2 示意图如图2 2 。 i 25 “1 05 “ 卜l 图2 2 拟建试验平台的地基加固方案2 示意图 1 试验平台钢桩基础2 水泥浆灌浆管3 注浆管 耳l 斗 第二章正压冲固平台地基加同方案选择及加固机理研究 2 2 3 3 加固方案3 桩端注浆同时桩侧灌浆方案 结合上述的两种方案，在桩侧下部设置3 层灌浆管，成对称排列，用以向桩 周土体内灌浆。同时，在桩内设置注浆管，用来向桩端灌注扩底的水泥浆。平台 就位后，利用平台桩底的喷冲设备在桩底冲扩出直径接近预定的扩底桩端孔径和 深度，并将桩侧的灌浆管插入到桩侧周围的土体中，然后通过水力压球或绞车拉 方法，将注浆管自桩内压入桩底，进行注浆，使水泥浆连续充满整个桩孔，且灌 注到高于桩底1 5 m 的位置。随后再进行桩侧的灌浆。为增加桩端及桩体与周围 土体的的连接，预埋二次注浆管，在土体与桩的接触面间进行二次注浆。 拟建试验平台的地基加固方案3 示意图如图2 3 。 茸 图2 - 3 拟建试验平台的地基加固方案3 示意图 1 试验平台钢桩基础2 水泥浆扩底基础3 水泥浆灌浆管 加固方案3 是综合了前两个方案，在扩大了桩端面积，提高桩端承载力的同 时，再通过对桩周土体的灌浆挤密，以达到进一步提高桩侧摩阻力的目的。 2 3 正压冲固平台地基加固方案加固机理分析 2 3 1 加固方案1 地基加固机理分析 2 3 1 ，1 水泥土固化反应的加固作用机理 对于不同的土质，水泥土的固化机理不同。用于砂性土时，水泥土的固化原 理类同于建筑上常用的水泥砂浆，具有很高的强度，固化时间也相对较短。用于 粘性土时，由于水泥掺量( 7 2 0 ) ，且粘粒具有很大的比表面积并含有一定 的活性物质，所以固化机理比较复杂，硬化速度也比较缓慢【2 ”。 水泥土经搅拌后发生一系列物理化学反应，形成强度很高的结石体，这是水 泥土加固的根本原因。 1 4 第二章正压冲围平台地基加固方寨选择及加固机理研究 2 ，3 。 + 2 零潼土妻孽盂羧终薅 在注浆过稷中，高速水射流的动压以脉冲形成连续冲击体，在冲击力超过 土颗枝结聿龟箍豢值对，土俸磙环，在永下形成较大静窑穴东，一部分切割剥离撵 的土粒以泥浆的形式排到地面( 即返浆) ，土排出后所空下的体积由注入水泥浆 液辛 充避去。 鬣换作用的实质是将基础下软弱的土层挖掉换填上物理力学性质好的材料， 以减少建筑穆瀚滚降，提离篼麓强度。 鬣换作用主要有以下效果： l ，提高建蒸承载力 水泥浆液的强度和模量要远远大于工程中原状土的强度和模量，通过置换作 蠲，形残一个较好戆持力爱，遮到提毫承载力秘减少交澎熬曩戆。另豁，泰混 的簧换作用将娥筑物传到地基上的附加应力减少，从而使下卧朦的附加应力在允 诲范匿之内。 2 减少沉降量 题模量毫黪层代替模量低豹屡，其淀黪必然减少，如砂层静压缩模量为 3 0 m p a 以上，水泥土变形模量为2 5 - - - 4 0 m p a 。建筑物的沉降变形多集中在基础下 不太深的范围内，通过疆换土艨将减少建筑物的沉降。 2 3 2 加固方案2 地基加固机理分析 2 3 2 1 球形浆泡的臌密作用 压密注浆可以雩l 嫠三耱转变形模式，繇黢澎涨、锥形酸坯鞫隶力劈裂，移 种模式的出现取决于浆泡和周围土体接触面的空腔压力。当上抡力超过上层土的 重量时，一个黢锥型破坏模式憋会发生。稠应粒建嚣爨筵羲变德弱显。当上捻力 不足上层土重时，周围土，仅发生弹性或塑性膨胀，地面抬升很小，特别注意， 当破坏模式变化时，浆滚缀容荔沿裂嚣攀到地瓣，发生竣显懿承力劈裂理象【2 列。 2 3 2 2 浆液对土体的劈裂挤密作用 骛笈注浆怒酱蘸斑糟最广泛的一种淀浆方法，箕瑗论远远滞后英应用。劈裂 注浆是在钻孔内施加液体压力于弱透水性地基中，当液体压力超过劈裂压力( 渗 透注浆帮压密注浆翡辍鞭压力) 时钵产生水力劈爱，也就是在土体肉突然出璃 一裂缝，于是吃浆量突然增加。劈裂面发生在阻力最小主应力顾，劈裂压力与地 基串枣主应力及挠拉强菠藏歪魄，浆滚愈稀，注入愈潼，翔劈裂压力塞夺。劈裂 注浆在钻孔附近形成网状浆脉，通过浆脉挤压土体和浆脉的骨架作用加固土体。 第二章正压冲固平台地基加固方案选择及加固机理研究 2 3 2 3 劈裂作用的能量分析 根据能量守恒原理，注浆所耗能量应等于存贮在土体中的能量加上劈裂过程 所耗能量，即： a e = ( 业卅+ 衄d ) 十( 衄。+ 世埘+ 蚯，+ 丝。+ 越)( 2 1 ) 式中： 出。为土体中的弹性应变能；为浆液的弹性应变能；a e , 。为劈 开土体所需的能量；a e ，。为劈裂区塑性变形所耗能量；a e ，为克服浆体系统中各 种摩擦所耗能量：血，为浆体表面与土体摩擦所耗能量；蚯。为浆液流动是克服 其内剪力所耗能量。 2 3 2 4 劈裂对软土的再固结作用 软土中采用水泥浆液、水泥粘土浆液劈裂注浆时，不但存在土体受压后固结， 还存在浆液的固结问题，浆液中多余的水分在粘土内无法排出，只能靠粘士中劈 开的裂隙排出，因此会造成到处跑浆现象。用水泥水玻璃浆液就可克服以上缺点， 水泥水玻璃反应后结石率达到1 0 0 ，无水排出。水泥水玻璃浆液混和后粘度变 稠，流动性差，用浓稠的浆脉挤压土体，使周围的土体固结。但是，水泥水玻璃 注浆容易抬高地面。 2 3 3 加固方案3 地基加固机理分析 加固方案3 是l 、2 方案的综合方案，因而其加固作用集合了前两种方案的 加固作用，主要有水泥土的固化作用和置换作用、挤密作用等，其中水泥土的固 化反应的加固作用和置换作用是主要的影响因素。 2 4 地基加固的技术难点及应解决的关键问题 利用置换、挤密灌浆的办法处理软弱地基，已经被广泛的应用于建筑、交通、 水利等方面的工程中，并积累了很多成功的经验。但在海洋工程的地基加固中尚 未见到相关的报道，更没有可借鉴的经验。由于拟建试验平台地基的海洋环境条 件与陆地上有很大的不同，上述的地基加固方案在实施过程中，还有很多技术上 的难点，主要表现在以下几方面： 1 各种加固方案中所用的浆