海洋静力触探在海上平台桩基承载力计算中的应用*

宋玉鹏 宋丙辉 孙永福 周其坤

(①自然资源部第一海洋研究所， 青岛 266061， 中国) (②国家深海基地管理中心， 青岛 266237， 中国) (③青岛海洋科学与技术试点国家实验室， 海洋地质过程与环境功能实验室， 青岛 266235， 中国)

0 引 言

海上平台是海洋油气开发的重要基础设施，滩浅海区海上平台多采用桩基础。准确估算桩基的承载力，设计合理的桩基入泥深度，对于保障海上平台安全具有重要意义(安永宁等， 2013)。目前海上平台桩基承载力计算主要依据美国石油协会API规范进行，该方法综合了理论分析与实践经验，本文称为钻探规范法，其中最关键的土力学参数为粒状土的内摩擦角及黏性土的不排水抗剪强度。常规获取土体力学参数的方式是钻探取样并开展室内土工试验，由于海洋工程环境和海底土的特殊性，海上取样并保持原状土的应力状态十分困难，使得桩基承载力计算结果有时较实际情况偏差较大(朱剑锋， 2011； 李守定等， 2019)。海洋静力触探属海底原位测试技术，可快速连续探测土体原位强度，获取锥尖阻力、侧壁摩擦力及孔隙水压力等参数，并用于土层划分、土体力学参数换算及桩基承载力计算等工程地质分析评价中，近年来在海上石油平台、海底管缆路由、海上风电等海洋工程勘察中得到了较为广泛的应用(郭绍曾等， 2015； 贾沼霖等， 2016； 楚立鹏等， 2017； 胡越等， 2020)。

国外学者最早将CPT探测资料用于单桩承载力的计算，并提出了两类计算方法：一类是通过数学拟合分析建立静力触探测试数据与土体强度指标(如不排水抗剪强度、内摩擦角)间的经验关系，然后依据传统土力学理论计算桩基承载力，本文简称为静探间接法(Kuiter et al.，1979)； 另一类是借助试桩资料将静力触探得到的锥尖阻力、侧壁摩擦力直接与桩端阻力、侧摩阻力建立半经验、半理论相关关系，进而获得桩基承载力，本文简称为静探直接法(Bustamante et al.，1982)。其中静探间接法和钻探规范法一样受限于传统土力学理论假设，往往带有较明显的主观性，而静探直接法虽然在确定锥尖阻力的取值影响范围、经验修正系数等方面也存在一定的经验偏好，但计算原理简单直接，相对更加客观，应用也更加广泛。

国内贾沼霖等(2016)利用LCPC法(直接法)计算了南海某平台桩基的桩端阻力和桩侧摩阻力，为桩基施工中的溜桩问题提供了设计依据； 耿功巧(2016)评价了多种基于CPT/CPTU单桩承载力计算方法对于开口管桩的适用性，并提出了计算开口管桩承载力的改进方法； 邹海峰(2018)结合可靠度理论评估了4种基于CPTU的桩基极限承载力预测方法，分别给出了相应的安全系数建议。

以往研究多关注静力触探在陆地单桩承载力计算中的应用，由于海底软土分布广泛，且多处于饱和状态，特别适合采用孔压静力触探技术进行原位勘察，因此，开展静力触探在海上平台桩基承载力计算方面的应用研究是十分必要的。本文拟将海洋静力触探探测技术应用于胜利油田埕岛海域某平台工程地质勘察，以常规钻探取样测试并开展桩基承载力计算结果为参考，对比讨论不同桩基承载力计算方法之间的异同，具有一定的科学意义与应用价值。

1 工程概况

平台场址位于胜利油田埕岛海域，如图 1所示，该区域是黄河多期次改道形成的快速沉积体系，海底沉积物分布不均，发育多种海底地质灾害，工程地质条件极为复杂。

图 1 平台场址示意图Fig. 1 Schematic diagram of platform site

胜利油田埕岛海域某海上平台采用4根钢桩支撑，钢桩尺寸φ=2500 mm，由于建成时间较久，后期开展延寿评估时需重新估算平台各桩的承载力。为查明地基土分层特征及其土力学参数，基于平台周边实际情况(图 2)，在1#、3#和4#桩腿附近共布置勘探点4个，其中静力触探孔3个，设计孔深20 m，工程地质钻探孔1个，设计孔深50 m。静力触探采用ROSON100重型海床式静力触探设备(图 3)，适用于海底管线路由、钻井平台、沉管隧道、跨海桥梁等海洋工程勘察，触探探头技术指标如表 1所示。通过钻孔采集海底原状土样开展室内土工参数测试，同时作为静力触探土层划分的检验依据。

图 2 平台周边勘探点平面布置图Fig. 2 Layout of exploration sites around platform

图 3 ROSON 100重型海床式静力触探仪Fig. 3 ROSON 100 CPT

表 1 ROSON 100静力触探仪主要技术指标Table 1 Major technical indices of ROSON 100 CPT

2 静探成果应用及讨论

2.1 土层划分

依据我国土木工程学会标准《孔压静力触探测试技术规程》(T/CCES 1-2017)，采用静力触探测试参数划分土层时，分层界面一般为锥尖阻力超前深度与滞后深度的中点位置。本次探测获取的3组静力触探贯入曲线如图 4所示，需要注意的是根据各个静探孔处实测水深数据，以水深最深的1#静探孔处海底标高为基准，对3#和4#静探曲线进行了海底地形修正，略去了海底表层以浅约1 m的探测结果。依据前述土层分层原则，对平台区21 m以浅地层进行了分层，同时结合相邻位置处钻孔柱状图检验了土层分层精度。

图 4 静力触探贯入曲线及工程地质剖面图Fig. 4 Cone penetration testing curves and soil profile

由图 4可知，经过地形修正后的3组静力触探贯入曲线彼此吻合良好，尤其是锥尖阻力曲线基本吻合一致，体现了此次海洋静力触探探测技术的可靠性。平台区21 m以浅海底土由上至下可依次划分为粉土、粉质黏土、粉砂、粉质黏土、粉土等5组土层，通过比对钻孔柱状图可知，静力触探与地质钻孔在标定土层底界深度上最大差值约0.5 m，出现在海底15 m埋深粉质黏土层与粉砂层界面处，其余土层界面处两者标定的分层深度基本一致，表明静力触探贯入曲线可以较好地反映平台所在海区海底主要土层分界面，为静力触探在相关海域推广应用奠定了工作基础(蔡国军等， 2009； 刘松玉等， 2013)。另外，值得注意的是第二层厚约8.0 m的粉质黏土层通过地质钻孔可细分为软塑和可塑两个亚层，而相应分层在静力触探锥尖阻力曲线上表征不甚明显，但通过结合侧摩阻力曲线可以对其进行区分，表现为可塑粉质黏土层的侧摩阻力较软塑粉质黏土层增大明显。以距离地质钻孔最近的3#静探孔为例，各土层静力触探参数代表值(孔压静力触探测试技术规程(T/CCES 1-2017))列于表 2中。

表 2 各层土静力触探参数代表值Table 2 Representative indices of CPT for every soil stratum

2.2 单桩承载力计算

2.2.1 平台桩基承载力计算方法

滩浅海区平台多采用钢管桩基础，利用打桩或振动沉桩的方式将桩贯入至预设深度以获取足够承载力。静荷载条件下，钢管桩承载力计算方法如下：

Qd=Qf+Qp=f·As+q·Ap

(1)

式中：Qf为桩侧摩阻力(kN)；Qp为桩端承载力(kN)；f为单位桩侧摩阻力(kPa)；As为桩侧表面积(m2)；q为单位桩端承载力(kPa)；Ap为桩端总面积(m2)。

2.2.1.1 钻探规范法

由式(1)可知，在桩的尺寸及贯入深度确定的前提下，计算桩基承载力的关键取决于单位桩侧摩阻力f及单位桩端承载力q。基于大量试桩资料以及物模试验结果，美国石油协会API规范给出了单位桩侧摩阻力f及单位桩端承载力q的经验计算方法(Dennis et al.， 1983； Randolph， 2003)：

对于黏性土：

f=aCu

(2)

q=9Cu

(3)

式中：a为无量纲系数，与计算点处土的不排水抗剪强度及有效上覆土压力有关(海上平台场址工程地质勘察规范(GB/T 17503-2009))；Cu为计算点处室内测试得到的土体不排水抗剪强度(kPa)。

对于粒状土：

f=Kσ′v0tanδ

(4)

q=σ′v0Nq

(5)

式中：K为横向地基压力系数，对于开口无土塞打入桩，取0.8，形成土塞或端部封闭桩，取1.0；σ′v0为计算点处的有效上覆土压力(kPa)；δ为桩-土间的摩擦角(°)，一般约为0.6～0.7倍室内砂土的内摩擦角(Randolph et al.， 1994)；Nq为无量纲承载力系数，与粒状土类别及密实程度有关(中华人民共和国国家标准编写组，2009)。

2.2.1.2 静探间接法

静探间接法是在钻探规范法的基础上采用静力触探探测结果估算土体的抗剪强度参数。目前广泛用于黏性土不排水抗剪强度Cu计算的经验公式(孔压静力触探测试技术规程(T/CCES 1-2017))为：

(6)

式中：Cu为黏性土不排水抗剪强度(kPa)；qc为实测锥尖阻力(kPa)；σv0为总上覆土压力(kPa)；Nkt为经验圆锥系数，具体取值根据地区经验确定， 若无地区经验，取值范围宜为11～19。韩猛等(2020)对埕岛油田海域9个典型钻孔中UU不排水抗剪强度与其相对应深度CPT锥尖阻力进行了线性回归分析，反推得到埋深0～5 m、5～10 m以及10～20 m土体的经验圆锥系数分别为17.54、16.89和19.05，虽然参与统计的数据量相对较少，但相关性良好，因此本文后续推算黏性土不排水抗剪强度时参考了该研究成果。

粒状土有效内摩擦角可按下式计算：

(7)

式中：φ′为有效内摩擦角(°)；qc为实测锥尖阻力(kPa)；pa为标准大气压，取100 kPa；σ′v0为有效上覆土压力(kPa)。

2.2.1.3 静探直接法

相较于间接法，利用静力触探探测得到的锥尖阻力直接估算桩端阻力和桩侧摩阻力显然更切合实际，其中应用最广泛的是由Bustamante et al.(1982)提出的LCPC法，预制桩的单位桩端极限阻力可按下式计算：

qp=ξc·qca

(8)

单位桩侧极限摩阻力fp可按下式计算：

(9)

式中：qc为实测锥尖阻力(kPa)；ξf为摩阻力系数。

2.2.2 桩基承载力计算结果及讨论

基于钻探取样与室内土工试验结果以及原位静力触探探测成果，分别运用钻探规范法、静探间接法和静探直接法对胜利油田埕岛海域某平台3#桩腿(φ=2500 mm)开展桩基承载力计算，相关计算参数如表 3～表 5所示，其中表 5中插桩深度分别对应层-层界面以及每层土的中间部位，另外最下部粉土层由于缺乏后续土层的CPT贯入阻力数据，故桩端附近等价平均锥尖阻力qca出现了空缺。桩基承载力计算结果如图 5所示，其中图 5b和图 5c中钻探规范法和静探间接法对应的桩端阻力和单桩极限承载力经过了修正，修正原则是承载力在粒状土层顶和底部3倍桩径范围内线性变化过渡至相邻黏性土层(李大展等， 1982)。

表 3 3#桩腿钻探规范法计算参数表Table 3 Calculating parameters for drilling method(3# pile)

表 4 3#桩腿静探间接法计算参数表Table 4 Calculating parameters for CPT indirect method(3#pile)

表 5 3#桩腿静探直接法计算参数表Table 5 Calculating parameters for CPT direct method(3#pile)

由图 5a可知，虽然0～12 m埋深静探直接法得到的桩侧摩阻力稍大于钻探规范法和静探间接法的计算结果，而12～21 m埋深静探间接法对应的桩侧摩阻力相对钻探规范法和静探直接法的计算结果又有所偏小，但3种方法得到的桩侧摩阻力随埋深变化整体趋势是基本一致的。

图 5b给出了3种不同方法得到的桩端阻力随埋深的变化趋势，整体来看钻探规范法和静探间接法得到的桩端阻力基本吻合，这与本文选取用于推算土体强度参数的经验公式和经验系数有关，体现了一定的区域工程经验，而静探直接法得到的桩端阻力相较前两者明显偏大，揭示了原位和室内、直接和间接桩端阻力计算方法之间的差异。

图 5 桩基承载力计算结果Fig. 5 Calculation results of pile bearing capacity

图 5c展示了3种不同方法得到的单桩极限承载力计算结果，与桩端阻力随埋深的变化趋势类似，钻探规范法和静探间接法得到的单桩极限承载力也基本吻合，而静探直接法得到的单桩极限承载力相较前两者明显偏大，由于缺乏相应的试桩资料，尚无法进一步评估不同计算方法的准确性。值得注意的是埋深约13 m处3种方法计算得到的单桩极限承载力彼此非常接近，而依据钻探调查结果可知，平台各桩腿均设计插入埋深11.6～15.4 m的海底粉砂层中，因此以粉砂作为持力层的前提来看此3种桩基极限承载力计算方法具有较好的兼容性。

3 结 论

本文从土层划分和桩基承载力计算两方面探讨了海洋静力触探探测技术在胜利油田埕岛海域的应用，结合钻探取样和室内土工测试成果，对比分析了不同桩基承载力计算方法之间的异同，得出了如下结论：

(1)以钻探地质剖面为基准，海洋静力触探贯入曲线可以较好地反映平台海底主要地层分界面。

(2)3种桩基承载力计算方法对应的桩侧摩阻力随埋深变化整体趋势基本一致，但埋深较浅时静探直接法得到的桩侧摩阻力稍大于钻探规范法和静探间接法的计算结果，而埋深较深时静探间接法得到的桩侧摩阻力稍小于钻探规范法和静探直接法的计算结果。

(3)基于一定的区域工程经验，钻探规范法和静探间接法得到的桩端阻力和单桩极限承载力基本吻合，而静探直接法得到的桩端阻力和单桩极限承载力相较前两者明显偏大。

(4)考虑以粉砂作为持力层的前提下3种桩基极限承载力计算方法彼此间表现出较好的兼容性。

(5)限于缺乏试桩数据，本文仅从定性角度探讨了海上平台3种桩基承载力计算结果的异同，后续随着资料的积累将开展定量化的对比研究。