海洋平台钢桩可打入性分析方法及适用性研究

刘明，侯金林，孙友义，陶敬华

中海油研究总院，北京100027

海洋平台钢桩可打入性分析方法及适用性研究

刘明，侯金林，孙友义，陶敬华

中海油研究总院，北京100027

打桩是海洋桩基平台海上安装的关键环节之一，在钢桩设计阶段进行可打入性校核是保证顺利打桩的重要技术手段。文章介绍了当前海洋工程领域的打桩系统和打桩分析方法，并结合工程实例对不同打桩工况所采用的按土壤性质和按阻力性质进行阻力折减的方法、相关参数的取值及影响，以及方法的适用性进行了对比研究。最后结合国内海洋工程经验与现状，给出了进行钢桩可打入性校核与施工的一些结论和建议。

海洋桩基平台；钢桩；打桩；可打入性校核；工况分析；打桩系统

0 引言

钢桩是海洋桩基平台的重要组成部分，它作为基础结构为整个平台提供固定和支撑（抗压和抗拉）。近年来，随着平台规模的不断增大，海洋环境的进一步恶化，海洋结构物安全性要求的提高，钢桩尺寸及设计入土深度相比以前有了很大增加，打桩难度也相应提高。在海上安装作业时，由于钢桩的施工需要浮吊、打桩锤、驳船等大型船舶、机具，如果打桩作业未能顺利进行，不仅会造成施工投资的大幅增加，而且还会拖延油气田的投产。有的平台在打桩施工中出现拒锤现象，被迫采取重新评估桩基承载能力、增设后期监测设施或实施掏土塞再打桩等措施，也会进一步造成投资增加和投产推迟。为了降低施工风险，保证顺利打桩，钢桩的可打入性分析已经成为钢桩设计阶段的一项重要内容。

1 打桩系统

海洋工程领域的打桩系统主要包括三个部分：打桩锤、桩和土壤。

打桩锤是用于打桩作业的机具，海洋工程施工领域通常使用液压锤（见图1，为IHC Hydrohammer B.V.和MENCK公司生产的液压锤）。液压锤性能稳定，易于操控并可即时调整击打能量，而且能够进行水下打桩。打桩锤通常按能量级别分为不同型号，有不同的性能和参数。除了标称最大能力外，在进行打桩分析时应注意不同作业公司及不同配套机具可以达到的最大实际能力。国内海洋工程领域液压锤打桩的最大使用效率通常为90%。

图1 海洋工程常用的液压打桩锤

海洋工程领域通常需要进行海上打桩作业的为钢管桩，该桩由多截卷制钢质圆管焊接组成，不同截段管外径相同，壁厚根据不同位置的受力不同而存在差异。由于构造简单，材质单一，在打桩分析中通常视为标准的弹性体，在进行可打入性校核的同时进行钢桩强度校核。

土壤作为打桩系统中最复杂的组成部分，其复杂性主要体现在土壤构成、土质性质的差异以及打桩过程中土壤的动态属性上。在力学性质上，土体材料为非线弹性，应力-应变关系为曲线关系。鉴于土体材料的复杂性，在进行打桩分析时，往往将其简化为刚塑性材料，见图2。

图2 土体材料应力-应变关系的简化

在海洋工程领域，一般预先进行平台场址钻孔取样，并通过实验得到土壤的静态属性。对于打桩分析，重要的土壤参数包括：摩擦力系数、压力系数（用于计算桩端阻），阻尼系数和临塑变形等。到目前为止，对于土壤对打桩产生阻力的机理还不够清楚，一般通过选取动态参数来等效模拟土壤的动阻力。选用动态参数带有经验性，这也是进行准确打桩预测的最大难点。

2 打桩分析方法

对于海洋平台钢管桩，打桩过程需要克服的阻力有：桩侧摩阻和桩端阻（见图3）。

图3 打桩阻力示意

打桩计算分析所使用的基本理论为波动理论，其一般形式为：

式中u——位移；

E——弹性模量；

ρ——密度；

t——时间；

χ——纵向坐标；

R——土阻力。

使用数值方法求解波动方程是进行打桩计算的基本方法。使用波动方程将打桩系统离散成系列质量、弹簧和阻尼器，模拟应力在桩内传播。土壤阻力及其非线性分别由弹簧、摩擦键及阻尼器模拟施加到桩的离散质量上。并将逐次锤击过程在时间上离散成为微小的时间间隔，计算从已知的锤击初速开始，逐个单元进行反复迭代，直到桩底单元不再贯入。打桩离散单元模型见图4。

图4 打桩离散单元模型

波动方程式（1）应用到离散单元模型的差分方程为：

式中D、d——位移；

n——迭代次数；

m——离散单元编号；

Δt——时间间隔；

W——质量；

K——弹性系数；

g——重力加速度；

R——土阻力。

式（2）适用于计算机数值计算，用于海洋工程领域打桩计算分析的软件（如GRLWEAP 2005）大多应用这一方法。

3 打桩工况定义与设置

3.1 打桩工况定义

海洋工程是高风险的行业，海上打桩作业过程复杂，风险因素多，可即时备用的大型打桩机具数量少，而且费用高昂。为使钢桩可打入性校核能够科学、有效地反映现实情况，定义打桩工况时不仅要考虑钢桩海上施工程序，还要考虑钢桩设计、打桩机具，并且要适当考虑环境等风险。按照这样的原则，在进行打桩分析时，可以对打桩工况进行如下分类和定义。

（1）连续打桩工况。表示打桩作业连续进行，打桩锤持续击打钢桩，钢桩影响范围内的土壤处于持续的扰动状态，打桩阻力（动阻）最小。常见于较深水平台的水下裙桩，整根桩设计成一节，单节桩段的设计使得打桩过程可以连续进行。

（2）短间歇打桩工况。表示因为接桩（见图5）、打桩机具更换等情况而短时间停止打桩后，钢桩影响范围内的土壤扰动状态经历短时间恢复后，继续进行打桩的状况。打桩阻力（动阻）大于连续打桩工况。常见于较浅水域（渤海、涠洲湾等）平台的主腿桩（整根桩分成多节）的施工。

（3）长间歇打桩工况。表示因为天气突变时间较长，打桩机具因故障而无法及时修复或更换等意外情况，而被迫长时间停止打桩，土壤扰动状态经历更长时间的恢复后继续打桩的状况。此工况下打桩阻力最大，并因此发生过钢桩不能打到设计深度而拒锤的情况。

在海洋工程领域，按照安全施工的原则，长间歇打桩工况是在制订结构物海上施工方案和实施海上打桩程序中应该尽量采取防范措施加以避免的工况。

图5 渤海某导管架接桩作业

3.2 打桩工况设置

基于打桩过程中土壤动阻力（土壤被扰动后的桩侧摩擦阻力和桩端阻力）小于土壤静阻力的事实（在后文连续打桩实例分析中得到验证），针对不同的打桩校核工况，设置不同的动阻系数用于获得等效的土壤动阻力，见式（3）。

式中f动——土壤动阻力；

k——动阻系数；

f静——土壤静阻力。

根据打桩过程中土壤阻力性质和土壤构成的不同，可以把打桩工况的动阻系数设置分成两类，见表1。

表1 钢桩可打入性校核工况动阻系数设置应用示例

（1）一类方法按土壤性质进行摩阻折减，考虑到砂土的易恢复性质，只对黏土进行折减；对于端阻，考虑到土壤在与桩端接触之前的不完全动员状态，不进行折减。

（2）二类方法按阻力性质的不同而分别对摩阻和端阻进行折减，不考虑土壤的不同构成。

4 打桩分析参数设置

对于打桩分析，除去阻力、钢桩材料特性、桩锤参数这些可以明确标定的基础数据外，还有两个重要的经验参数：临塑变形和阻尼系数。临塑变形表示桩土之间达到极限作用力的相对位移，阻尼系数反映了桩土之间因相对速度而引起的阻力增加。基于EAL史密斯的推荐，有一套现行的基本通用的计算参数，见表2和表3。

表2 临塑变形参考

表3 阻尼系数参考

临塑变形和阻尼系数均与锤击数呈正相关关系，系数取值越大，锤击数越高。

5 适用性分析

为论证海洋平台钢桩可打入性分析方法及工况设置的适用性，收集整理了多个导管架平台的海上打桩施工记录，与打桩校核的计算结果进行对比、分析，选取了典型的对比结果和分析结论摘录如下。本文钢桩可打入性分析均使用GRLWEAP 2005软件完成计算。

5.1 连续打桩

图6为节选的南海西部某井口平台裙桩（桩径为2 134 mm，设计入土深度为85.5 m）的打桩记录与可打入性校核计算结果的对比。图7为节选的珠江口某综合平台裙桩（桩径2 438 mm，设计入土深度99 m）的打桩记录与可打入性校核计算结果的对比。两个平台的钢桩均为单节钢桩，打桩过程连续进行。

图6 南海西部某井口平台打桩对比

图7 珠江口某综合平台打桩对比

结果表明，其一，对于连续打桩工况，两类打桩动阻设置方法均保守地预测了钢桩的可打入性，均可以作为钢桩可打入性的判定依据；其二，由于工况参数设置及平台场址土壤构成的差异，两类打桩动阻设置方法校核结果的保守程度不尽相同。

5.2 短间歇打桩

图8为节选的渤海北部某井口平台钢桩（桩径1 829 mm，设计入土深度93 m）的打桩记录与可打入性校核计算结果的对比，钢桩为多节桩，在入土深度约67 m处进行了接桩，打桩间歇时间约为78 h。图9为节选的渤海中部某中心平台钢桩（桩径1 829 mm，设计入土深度76 m）的打桩记录与可打入性校核计算结果的对比，钢桩为多节桩，在入土深度约41 m处进行了接桩，打桩间歇时间约为131 h。

图8 渤海北部某井口平台打桩对比

图9 渤海中部某中心平台打桩对比

结果表明，其一，对于短间歇打桩工况，两类打桩动阻设置方法均保守地预测了钢桩的可打入性，均可以作为钢桩可打入性的判定依据；其二，由于工况参数设置及平台场址土壤构成的差异，两类打桩动阻设置方法校核结果的保守程度不尽相同；其三，间歇时间影响了钢桩的可打入性，间歇之后的锤击数明显增加，而且间歇时间越长，锤击数的增加越明显。

6 结论与建议

根据大量海样桩基平台打桩作业的施工经验，并结合以上分析，给出了以下结论与建议：

（1）用于钢桩可入性分析的两类动阻设置方法，均能保守地进行钢桩可打入性校核，均能保障钢桩打入到设计深度。但由于第二类方法更偏向人为的经验性设置，缺乏足够的理论依据；而第一类方法，从土壤类型上进行了区分，更符合土壤类型的状态性质，桩-土作用的描述在理论上更加合理，因此建议首选第一类方法作为钢桩可打入性校核方法，进一步的研究工作也应围绕第一类方法展开。

（2）对于可以实施连续打桩作业的单节钢桩，打桩记录锤击数往往远小于使用连续打桩工况进行可打入性校核所得的锤击数，使用连续打桩工况校核可以较好地预测钢桩的可打入性。另一方面，在工程实践中，通常无需增加或仅增加少量钢材用以加强钢桩壁厚就可以满足短间歇打桩工况，实现桩锤故障更换等短期意外发生时仍能顺利完成打桩作业。因此，综合考虑减少施工风险和并不过多增加工程投资两个方面，建议设计单节钢桩达到满足短间歇打桩工况的校核要求。

（3）对于不能实施连续打桩作业的多节钢桩，在正常施工程序下，打桩记录的锤击数小于使用短间歇打桩工况进行可打入性校核所得的锤击数。间歇时间的长短直接影响打桩效果。基于目前掌握的资料，5 d以内的打桩间歇时间均取得了较好的打桩效果。

（4）对于更长时间的打桩间歇，土壤状态得到了更大程度的恢复，甚至形成钢桩堵塞，造成打桩难度大幅提高，以致出现拒锤风险。对于此类风险，基于目前的工程技术，在进行钢桩设计时，可以使用钢桩堵塞或土壤静阻等最保守的工况进行可打入性校核。这种最保守工况的校核通常导致钢桩截面尺寸的大幅增加，从而使钢材用量和工程投资相应增长。因此，综合考虑合理控制工程投资和控制施工风险，建议将连续打桩和短间歇打桩作为钢桩可打入性校核的判定工况，而将长间歇打桩工况作为参考工况，并在钢桩施工方案中侧重采用优化打桩顺序、关注施工气候窗、使用备用锤等多种手段，以避免长间歇打桩工况的发生。

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SteelPile DriveabilityAnalysis Method and Applicabilityfor Installation of Offshore Platform

Liu Ming，Hou Jinlin，Sun Youyi，Tao Jinghua
CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China

Piling is one of the most important steps for installation of offshore pile supported platform.Pile driveability analysis in pile design is crucial for successful offshore piling.The piling systems and piling analysis methods used in current offshore engineering are presented.Two kinds of resistance reduction methods，i.e.by soil property and by resistance property according to different piling cases，the relevant parameter values taken and their influences as well as applicability of the methods are comparatively studied.In the end，some conclusions and suggestions on steel pile driveability check and piling construction are given based on domestic offshore engineering experience and current status.

offshore pile supported platform；steelpile；piling；driveability check；case analysis；piling system

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.002

刘明（1977-），男，河北保定人，工程师，2006年毕业于赫尔辛基理工大学（芬兰，Helsingin teknillinen reaalikoulu），硕士，现从事海洋工程研究与设计工作。

2014-03-25