钢桩自由入泥深度估算探讨

秦一楠

摘 要：本文采用规范法和软件数值模拟的方法估算钢桩自由入泥深度，再与现场实测结果对比，通过对比分析总结各估算方法计算结果的准确性。为了使分析具有广泛性，本文采用不同海域、不同场地地质条件下6个平台钢桩进行分析。

关键词：自由入泥深度;GRLWEAP

中图分类号：P75                文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）07-0137-02

一般海洋固定结构物是需要采用钢桩固定于指定地点。如导管架，管汇（PLEM）及深水区的顺应塔都是采用钢桩将结构物荷载传递给土壤，通过钢桩基础保证结构的稳定。由于承载力要求、施工环境条件的限制，海洋工程所用的钢桩比较大，直径2～3米，长度100多米，一根桩重量400～600吨。同时结构物固定需要几根甚至十几根钢桩，必将推高工程的用钢量。此外，结构物的海上安装，打桩往往占据大部分的安装时间，节省打桩时间可以降低工程费用（工程船的费用一天需要上百万）。综上所述，在桩长、直径满足上部结构物承载力的要求后，合理地设计桩的壁厚对于工程的安全和经济合理是非常必要的。

鋼桩安装分析，需考虑钢桩受到风浪流、锤的冲击力等作用。最危险的工况一般是在刚刚插桩时，此时钢桩相当于一根悬臂杆件，底部固定、顶部自由，计算中考虑欧拉失稳，钢桩悬臂段越长对于钢桩强度越不利。悬臂段的长度由自由入泥深度决定，精确的估算自由入泥深度对于钢桩安装分析的准确性、合理性是十分重要的 。但由于海上环境比陆地复杂，现场场地勘查技术要求高，这些不利于准确估算钢桩自由入泥深度。本文将根据以往的工程经验，结合现行规范和工程常用软件，对钢桩自由入泥深度估算进行探讨。

1 API规范钢桩阻力计算的规定

规范中对钢桩的阻力分为侧摩阻和端阻。根据土壤性质分别按粘性土和非粘性土计算侧摩阻和端阻。

1.1粘性土

海洋工程中用的钢桩都是大直径薄厚钢桩，钢桩插桩过程中端阻远小于侧摩阻，在计算自由入泥深度时可忽略端阻，但计算侧阻时需要同时考虑桩内外侧阻力。当钢桩入泥后下沉某一深度稳定后，土壤对桩的阻力等于钢桩自重，这就可计算桩自由入泥深度。

2 GRLWEAP（打桩软件）钢桩可打入性分析原理介绍

GRLWEAP是采用波动方程进行打桩分析的软件。软件采用动态分析的方法，模拟桩在打桩锤作用下的运动和受力情况，分析过程中考虑土壤受到扰动而降低打桩阻力的影响，其输出结果包括各个贯入深度所对应的桩单位入泥长度所需锤击数，以及各个贯入深度时桩受到的土壤阻力、桩身受到的拉压应力。根据这些结果数据，在考虑土壤受扰动情况下可以预估钢桩的自由入泥深度。情况一，钢桩在某一贯入深度处开始，单位入泥长度所需锤击数由零变为非零，这一贯入深度之前的贯入度可以作为自由入泥深度。情况二，在某一贯入深度处，钢桩所受到的贯入阻力等于桩自重，此时的贯入深度就是自由入泥深度。GRLWEAP软件打桩分析流程如下图：

3 估算自由入泥深度与实测自由入泥深度对比分析

根据上述估算原理，本文将采用规范法和软件数值模拟估算钢桩自由入泥深度，再结合现场实测的施工数据，进行比较分析。为使此次分析具有广泛的代表性，选取不同海域的多个平台进行。平台表层土壤信息和钢桩总体情况如下表：

现场实测数据，规范法和软件数值模拟估算钢桩自由入泥深度列于下表：

注：自由入泥深度软件数值模拟计算中，土壤对桩侧摩阻SCR进行折减。“*”根据地质调查报告中提供折减系数对SCR进行折减，其余数值模拟根据规范采用50%的折减系数对SCR进行折减。

以上计算结果对比总结如下：

（1）规范计算值远小于实测值，估算偏于保守;

（2）相比较数值模拟估算值更接近于实测值;

（3）数值模拟采用地质调查报告中提供折减系数估算结果，相比采用规范规定的折减系数估算结果更接近于真实值;

（4）表层土壤以粘性土为主的场地钢桩自由入泥深度，相比于粘性土与砂土相互叠层的场地要大。

4结语

钢桩自由入泥深度的准确估算，对钢桩打桩施工安全性、工程的经济性有重要的影响。合理地估算钢桩自由入泥深度一直是钢桩设计中的难点。本文结合工程实际，对钢桩自由入泥深度估算进行了有限的探讨，在工程实际中要想准确估算还需结合具体情况进行分析。

参考文献：

[1] API RP 2A WSD 2007 Recommended Practice for Planning， Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms—Working Stress Design.

[2] API RP2 GEO 2011 Geotechnical and Foundation Design Considerations.

[3] GRLWEAP软件说明帮文件.