導(dǎo)管架平臺(tái)樁打樁過(guò)程中樁身自由沉降分析

導(dǎo)管架平臺(tái)樁打樁過(guò)程中樁身自由沉降分析

1樁承載體及樁數(shù)、長(zhǎng)度和樁徑在海洋石油開(kāi)發(fā)中，導(dǎo)管架固定平臺(tái)是最常用的樁基平臺(tái)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在300m水深條件下超過(guò)90%的平臺(tái)采用了導(dǎo)管結(jié)構(gòu)。導(dǎo)管架平臺(tái)下部基礎(chǔ)包括導(dǎo)管架和樁兩部分,樁支承全部荷載并固定平臺(tái)位置。樁數(shù)、長(zhǎng)度和樁徑由海底地質(zhì)條件及荷載決定。通常情況下樁沿導(dǎo)管架主導(dǎo)管打入海底,打樁完畢后,在兩者的環(huán)形空隙內(nèi)用水泥漿等膠結(jié)材料固結(jié),使樁與導(dǎo)管架形成一個(gè)整體,以承受巨大的豎向和水平荷載。導(dǎo)管架平臺(tái)樁的可打入性和穩(wěn)定性計(jì)算分析是樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容,本文結(jié)合勝利埕島油田某導(dǎo)管架平臺(tái),對(duì)該平臺(tái)鋼管樁采用簡(jiǎn)化的壓桿穩(wěn)定方法進(jìn)行海上打樁過(guò)程中樁身自由站立分析,同時(shí),采用基于Smith波動(dòng)方程差分?jǐn)?shù)值解法的GRLWEAP打樁分析軟件,在給定的樁錘系統(tǒng)下,精確模擬打樁過(guò)程,依據(jù)所得錘擊數(shù)、打樁阻力和樁身動(dòng)應(yīng)力對(duì)給定的樁錘系統(tǒng)進(jìn)行判斷。2吊臂長(zhǎng)度的影響導(dǎo)管架平臺(tái)樁基總長(zhǎng)度一般在數(shù)十米至上百米,樁基海上安裝時(shí)需要分成幾段,采用打樁錘打入海底。第一節(jié)樁的長(zhǎng)度由水深和浮吊吊臂的長(zhǎng)度決定。在打樁過(guò)程中,打樁作業(yè)停置會(huì)使打樁阻力增加,因此打一節(jié)樁應(yīng)盡可能減少中斷,以減少阻力,由此可知樁的分段越少越好。一般情況下樁的分段應(yīng)考慮下列因素綜合確定:(1)起吊設(shè)備提升、下放和插接樁段的能力;(2)起吊設(shè)備在被打樁段頂部放置打樁錘的能力;(3)為接樁而中斷打樁時(shí)樁端所處位置土壤類型;(4)泥面以下第一道焊縫的位置。3采取下門樁方案2該導(dǎo)管架平臺(tái)位于埕島油田水深11.1m處,導(dǎo)管架腿在立面上有10∶1的傾斜度,樁通過(guò)導(dǎo)管架腿以7.07∶1的空間斜度打入海底泥中。樁采用直徑為1500mm開(kāi)口變壁厚鋼管樁,通過(guò)主導(dǎo)管架腿打入梅花泥中,入泥深度90m。由導(dǎo)管架工作點(diǎn)的位置和入泥深度可以確定每根樁的總長(zhǎng)度為108.372m。海上打樁時(shí)計(jì)劃采用分4段樁打入方案(圖1)。此方案滿足浮吊吊高要求,接樁停打的土層相對(duì)較好,為中密-密實(shí)的粉土;泥面以下6～8倍樁徑內(nèi)無(wú)現(xiàn)場(chǎng)接樁焊縫且樁端持力層滿足要求。4管道鋼架的更換樁身自由站立穩(wěn)定性是指在打樁施工前和施工過(guò)程中更換打樁錘時(shí),伸出導(dǎo)管架的接樁段在錘重和接樁段的重量作用下能否保持穩(wěn)定性的問(wèn)題。因此需要對(duì)鋼樁的自由站立強(qiáng)度進(jìn)行校核,使其滿足規(guī)范的要求。4.1理論分析的基礎(chǔ)海上打樁施工中,伸出導(dǎo)管架的接樁段可按懸臂梁來(lái)進(jìn)行分析,理論分析模型見(jiàn)圖2。樁的自由站立穩(wěn)定性實(shí)質(zhì)就是壓桿穩(wěn)定問(wèn)題。4.2自由站立分析和計(jì)算依據(jù)參考文獻(xiàn),對(duì)該平臺(tái)鋼管樁進(jìn)行自由站立穩(wěn)定性分析。4.2.1入泥深度為2.2mn打樁錘選用IHCS-500,參數(shù):打樁錘的重力為900.74kN,長(zhǎng)度為10.8m,錘套長(zhǎng)度為3.7m。自由入泥深度2m。樁的截面特性、鋼材材質(zhì)分別見(jiàn)表1-2。4.2.2自由站立長(zhǎng)度的分段計(jì)算依據(jù)計(jì)算模型,考慮每段樁的接樁剩余量為:樁的自由長(zhǎng)度+錘套的長(zhǎng)度。每段樁的自由站立長(zhǎng)度見(jiàn)表3。4.2.3自由變電站強(qiáng)度校核樁的分段情況見(jiàn)圖1,根據(jù)上述分析步驟,分別對(duì)每段樁進(jìn)行自由站立強(qiáng)度校核,結(jié)果見(jiàn)表4。由表4中的計(jì)算結(jié)果可知,每段樁的應(yīng)力比值都小于1,因此樁的自由站立強(qiáng)度滿足要求。5錘擊機(jī)的沖擊及對(duì)策樁的可打入性分析是通過(guò)兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的分析來(lái)確定在選定錘的情況下樁的可打入性深度。首先估計(jì)在打樁期間土的動(dòng)阻力,其次應(yīng)用波動(dòng)方程原理分析計(jì)算錘-樁組合系統(tǒng)可克服的阻力,然后對(duì)錘-樁-土組合系統(tǒng)進(jìn)行分析,預(yù)測(cè)打樁深度和錘擊數(shù)與貫入深度的關(guān)系。同時(shí)要知道打樁過(guò)程中的幾個(gè)問(wèn)題:(1)應(yīng)用何種樁錘才可以將樁打到設(shè)計(jì)深度;(2)在用選定的樁錘打樁時(shí),其打樁速度如何;(3)打樁時(shí)最大的阻力是多大;(4)打樁時(shí)樁的最大應(yīng)力是多大。5.1種數(shù)值分析方法20世紀(jì)60年代初期,E.A.L.Smith提出用一維波動(dòng)方程理論解決打樁問(wèn)題,為預(yù)測(cè)打樁性能和估算樁的承載能力提供了一種合理的分析方法。Smith提出了一個(gè)描述樁錘-墊層-樁-土系統(tǒng)的離散數(shù)學(xué)模型,用有限差分法求得相應(yīng)解答。這種數(shù)值分析方法將整個(gè)打樁系統(tǒng)抽象為由許多分離單元所組成。樁錘、樁帽、錘墊和樁墊以及樁身部分由無(wú)質(zhì)量的彈簧連接,而各部分的質(zhì)量則由不可壓縮性的剛性塊體模擬;樁身周圍土的阻力和樁端阻力由一系列側(cè)向彈簧和阻尼器模擬。計(jì)算模型如圖3所示,其實(shí)質(zhì)就是以“多質(zhì)點(diǎn)-彈簧系統(tǒng)”當(dāng)作實(shí)際的“錘-樁-土系統(tǒng)”的簡(jiǎn)化物理模型進(jìn)行分析。對(duì)于這樣一個(gè)物理模型,用有限差分形式列出一系列運(yùn)動(dòng)方程,采用計(jì)算機(jī)迭代求解。GRLWEAP軟件是目前國(guó)內(nèi)外知名的打樁分析軟件,可進(jìn)行承載力分析、檢查曲線分析和可打性分析。GRLWEAP打樁分析基于波動(dòng)方程理論,考慮接樁、錘效改變、墊層損壞及打樁過(guò)程中土阻力的硬化和軟化。得到的可打入性分析圖為承載力、錘擊數(shù)、動(dòng)應(yīng)力極值與深度的關(guān)系曲線,同時(shí)還可根據(jù)計(jì)算和實(shí)測(cè)錘擊數(shù)估算打樁時(shí)間。5.2基本數(shù)據(jù)5.2.1單位表面土壤力和樁端阻力計(jì)算根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探揭露、室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果,將該場(chǎng)區(qū)90m以下的地基土自上而下劃分為16層,并依據(jù)土層地質(zhì)參數(shù)計(jì)算單位表面摩擦力和單位樁端阻力。5.2.2接樁段數(shù)據(jù)樁的分段情況見(jiàn)圖1,入泥深度90m,樁徑1500mm,打樁過(guò)程中每段樁的資料見(jiàn)表3,且接樁過(guò)程中應(yīng)考慮切割余量。5.2.3錘的特性選用IHCS-500錘進(jìn)行可打入性分析,打樁錘的能量為496.544kJ,錘效為85%,沖程為2.03m。5.3樁側(cè)摩擦阻力的測(cè)定影響打樁過(guò)程中打樁阻力的因素比較多且復(fù)雜,樁的側(cè)摩阻系數(shù)以及端阻系數(shù)的取值和土的性質(zhì)有關(guān),目前在進(jìn)行打樁分析時(shí),常用以下簡(jiǎn)化方式來(lái)處理打樁時(shí)的動(dòng)阻力:打樁作業(yè)過(guò)程中,樁端阻力不減少,為100%靜樁端阻力,樁側(cè)摩擦阻力不區(qū)分砂土層和黏土層,統(tǒng)一取為靜樁側(cè)摩擦阻力的50%～70%,即:打樁動(dòng)阻力=100%靜樁端阻力+(50%～70%)靜樁側(cè)摩擦阻力。因此在打樁過(guò)程中,可以考慮表5中所列工況時(shí)樁的可打入性分析。5.4錘擊機(jī)打樁設(shè)計(jì)方案利用GRLWEAP軟件對(duì)樁的可打入性進(jìn)行分析計(jì)算,錘擊數(shù)及打樁應(yīng)力分析結(jié)果見(jiàn)圖4-7。(1)圖4,5的分析結(jié)果顯示,無(wú)土塞時(shí),樁側(cè)阻力系數(shù)由0.5變化到0.7時(shí),錘擊數(shù)的變化范圍是47～54擊/0.3m;圖6,7的分析結(jié)果顯示,有土塞時(shí),錘擊數(shù)的變化范圍是179～227擊/0.3m;錘擊數(shù)都小于300擊/0.3m的拒錘限度,因此,在選定的樁錘情況下可以將樁打到設(shè)計(jì)深度90m。(2)依據(jù)圖4-7結(jié)果,打樁過(guò)程中各種工況下的最大動(dòng)應(yīng)力為223.58MPa,置錘期間的最大靜應(yīng)力為116.322MPa。打樁期間樁身最大動(dòng)應(yīng)力由樁錘沖擊造成,依據(jù)參考文獻(xiàn)進(jìn)行校核時(shí),動(dòng)應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)屈服強(qiáng)度的80%～90%,即223.583MPa<355MPa×80%=28MPa,同時(shí)也滿足中國(guó)船級(jí)社《淺海固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》中的校核標(biāo)準(zhǔn),即:樁安裝過(guò)程中靜應(yīng)力應(yīng)限制在樁體材料屈服強(qiáng)度的一半以內(nèi),即116.322MPa<355MPa×50%=177.5MPa,因此打樁過(guò)程中樁身最大應(yīng)力滿足規(guī)范要求。(3)由圖4-7結(jié)果顯示,在接樁位置,錘擊數(shù)以及側(cè)摩阻力隨深度變化曲線出現(xiàn)峰值點(diǎn),例如在42.8m處,接樁的等待時(shí)間中土體發(fā)生固結(jié),側(cè)摩阻力的變化為6036.7～6861.4kN,當(dāng)重新打入時(shí),這部分固結(jié)產(chǎn)生的阻力又很快消失。6設(shè)計(jì)入泥深度mIHC