渤海灣海上動(dòng)力沉樁監(jiān)測及分析

李 春，劉振紋，祁 磊

（1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；2.中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451）

渤海灣海上動(dòng)力沉樁監(jiān)測及分析

李 春1，2，劉振紋1，2，祁 磊1，2

（1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451；2.中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451）

PDA（動(dòng)態(tài)打樁分析儀）系統(tǒng)是由美國PDI專用傳感器 （美國樁基動(dòng)力公司）研制的專用于樁基施工數(shù)據(jù)信號(hào)采集和處理的設(shè)備，它采用了專用傳感器和Case法計(jì)算分析原理。這套設(shè)備在海上打樁作業(yè)中應(yīng)用較少，本文介紹了使用動(dòng)態(tài)打樁分析儀在渤海灣遼河灘海油田海上打樁作業(yè)中的應(yīng)用情況，評估了停錘復(fù)打時(shí)樁的阻力。

導(dǎo)管架平臺(tái)；海上打樁；動(dòng)態(tài)打樁分析儀；凱斯法

0 引言

導(dǎo)管架平臺(tái)是渤海灣油氣田開發(fā)工程中應(yīng)用最為廣泛的一種海洋平臺(tái)，由上部甲扳、下部導(dǎo)管架和穿過導(dǎo)管架腿柱并打入海底的鋼管樁組成。導(dǎo)管架平臺(tái)樁基礎(chǔ)最常用的是開口鋼管樁，通常采用柴油、蒸汽或液壓為動(dòng)力的沖擊錘將鋼樁打入海底，海上打樁作業(yè)流程如圖1所示。

海上打樁是導(dǎo)管架平臺(tái)建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)，打樁的質(zhì)量會(huì)直接影響導(dǎo)管架平臺(tái)的安全。受到地質(zhì)條件、勘察數(shù)據(jù)誤差、海上惡劣天氣、潮汐、船只調(diào)度配合等方面影響，經(jīng)常造成打樁過程中的停錘，停錘期間土體強(qiáng)度恢復(fù)，造成續(xù)打困難甚至拒錘，對海上作業(yè)造成非常嚴(yán)重的影響。

美國樁基動(dòng)力公司 （PDI）生產(chǎn)的PDA打樁分析系統(tǒng)，通過監(jiān)測樁身某一位置應(yīng)變和加速度的變化，運(yùn)用波動(dòng)方程法分析得出每一錘的打樁能量、樁身拉壓應(yīng)力、極限承載力以及樁身完整性等信息，幫助合理安排海上打樁作業(yè)施工，確保沉樁過程安全、可控[1]。

1 PDA系統(tǒng)組成

中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)了PAX-4型打樁分析儀。該設(shè)備由主機(jī)、無線智能傳感器盒、無線智能傳感器、配套軟件及線纜組成，如圖2所示。主機(jī)尺寸150 mm×220 mm×290 mm，質(zhì)量為5kg，可在0～40℃的溫度下工作；有4個(gè)通道，即2個(gè)應(yīng)變傳感器通道和2個(gè)加速度傳感器通道；傳感器信號(hào)數(shù)字化記錄，數(shù)據(jù)長度1 k、2 k或4 k；具有自動(dòng)信號(hào)調(diào)零和信號(hào)調(diào)節(jié)，可自動(dòng)觸發(fā)任何一個(gè)已安裝的傳感器；錘擊信號(hào)可保存并隨后從內(nèi)存中回放，主機(jī)與傳感器之間通過無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)連接。

2 PDA系統(tǒng)的應(yīng)用

2.1 工程概況

渤海灣遼河灘海油田區(qū)塊某三腿柱平臺(tái)所處海域海底土大致可分為5層，土層特性如表1所示。平臺(tái)樁長39.8 m，分兩節(jié)，第一節(jié)長21 m（其中切割余量1m），第二節(jié)長20.8m （其中切割余量1m），樁徑850 mm，壁厚36 mm。首先采用振動(dòng)錘將第一節(jié)樁打入到一定入泥深度，進(jìn)行接樁作業(yè)，再用沖擊錘將樁打入到設(shè)計(jì)深度 （入泥30 m）。

表1 渤海灣遼河灘海油田區(qū)塊海底土層分布

2.2 傳感器的安裝

海上打樁施工風(fēng)險(xiǎn)高，要采取嚴(yán)格且完善的措施確保施工人員和設(shè)備安全?？紤]在打樁過程中避免樁錘對傳感器造成損傷，無線傳感器安裝在距離樁頂3.12 m的位置，加速度傳感器和應(yīng)變傳感器之間的距離為83 mm，如圖3所示。為了不影響海上打樁作業(yè)的進(jìn)行，需要減少在現(xiàn)場安裝傳感器的時(shí)間，傳感器安裝孔位置的確定以及傳感器支架的焊接事先在輔助船上做好，等待接樁工作完成后，再由技術(shù)人員乘坐吊籠到鋼樁頂部完成傳感器的安裝和線路的連接。

打樁采用的是D128柴油錘 （如圖4所示），樁錘質(zhì)量54 t，上活塞質(zhì)量12.8 t，每次最大錘擊能量426.5 kJ，錘擊效率40%，錘擊頻次45次/分。

2.3 打樁過程監(jiān)測

PAX-4型打樁分析儀具有無線數(shù)據(jù)采集功能。將主機(jī)的位置選擇在空曠無遮擋且距離傳感器100m距離之內(nèi)即可采集到信號(hào)。在實(shí)測過程中，對于一根樁，記錄了10錘完整的波形信號(hào)。打樁過程中D128柴油樁錘采用2檔，錘擊力為2200～2300kN，實(shí)測錘擊力為2 120 kN。實(shí)測單樁承載力3 207 kN，樁身最大拉應(yīng)力55.1 MPa，波形如圖5所示。通過對錘擊力、單樁承載能力、樁身應(yīng)力等參數(shù)的監(jiān)測，為打樁施工作業(yè)及時(shí)提供了數(shù)據(jù)支持。

3 動(dòng)態(tài)監(jiān)測結(jié)果分析

PDA系統(tǒng)是一套基于Case法的專用數(shù)據(jù)信號(hào)采集處理系統(tǒng)，系統(tǒng)使用了專門的Case法計(jì)算公式，配備了基于Case法的計(jì)算軟件CAPWAP，可用于打樁過程的詳細(xì)分析。

3.1 Case法基本原理

Case法從行波理論出發(fā)，導(dǎo)出了一整套簡捷的分析計(jì)算公式，通過PDA系統(tǒng)能夠在打樁現(xiàn)場立即得到關(guān)于承載力、錘擊能量、樁身應(yīng)力和樁身質(zhì)量等許多分析結(jié)果，Case法的優(yōu)點(diǎn)就是具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)分析功能。Case法是以確定單樁極限承載力為主的一種高應(yīng)變動(dòng)力試樁方法，它把樁體作為連續(xù)的彈性桿件，根據(jù)實(shí)測到的樁體上部某截面的應(yīng)變和加速度時(shí)程曲線，經(jīng)過一定的簡化，并引進(jìn)其他有關(guān)參數(shù)，由式 （1）～（3）確定單樁的極限承載力[2]:

式中Rc——Case法確定的單樁極限承載力；

Jc——阻尼系數(shù)，由CAPWAP程序算得；

t1——速度第一峰對應(yīng)的時(shí)刻；

t2——速度第二峰對應(yīng)的時(shí)刻；

F（t1）——t1時(shí)刻測點(diǎn)處實(shí)測的錘擊力；

F（t2）——t2時(shí)刻測點(diǎn)處實(shí)測的錘擊力；

V（t1）——t1時(shí)刻測點(diǎn)處實(shí)測的速度；

V（t2）——t2時(shí)刻測點(diǎn)處實(shí)測的速度；

Z——樁身截面力學(xué)阻抗；

A——樁身截面積；

E——樁彈性模量；

L——測點(diǎn)以下樁長；

C——樁身應(yīng)力波速度。

3.2 CAPWAP法基本原理

CAPWAP方法以行波理論為基礎(chǔ)，以實(shí)測樁頂力和速度的時(shí)程曲線作為輸入數(shù)據(jù)，通過不斷修改樁土模型參數(shù)，求解波動(dòng)方程，直至計(jì)算得到的速度（或力）時(shí)程曲線和實(shí)測速度 （或力）時(shí)程曲線的吻合程度滿足要求，從而得到單樁承載力、樁身應(yīng)力等分析結(jié)果。程序計(jì)算過程如圖6所示[3]。

圖6CAPWAP程序計(jì)算框圖

3.3 監(jiān)測結(jié)果分析

本次打樁動(dòng)態(tài)監(jiān)測包括錘擊力、樁身應(yīng)力、土阻力等信息，獲取的數(shù)據(jù)如表2所示。通過監(jiān)測可知，樁錘傳遞給樁的能量未超過樁錘額定能量（426.5×40%=170.6 kJ），且樁身拉應(yīng)力未超過普通鋼材抗拉強(qiáng)度，打樁過程可以順利進(jìn)行。

使用CAPWAP程序?qū)γ看五N擊進(jìn)行了分析，得出JC值，可用于Case法對樁基承載力的評估，實(shí)測曲線及通過分析給出的結(jié)果如圖7所示。

表2 打樁監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.4 停錘復(fù)打阻力評估

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 （4）、（5）可計(jì)算出打樁間斷不同時(shí)間后土的總阻力：

式中Qmax、Qmin——分別為t時(shí)刻最大、最小的土阻力；

QEOD——打樁完成時(shí)的瞬時(shí)承載能力，通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測得到。

計(jì)算得到打樁間斷一段時(shí)間后土阻力的恢復(fù)如圖8所示。

柴油樁錘傳遞給樁的能量完全用來克服沉樁阻力Qt而做功，即：

式中S——貫入度；

E——樁錘傳遞給樁的能量，可以通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測得到。

通過計(jì)算得出貫入度S為30 cm時(shí)所需的錘擊能量，進(jìn)而計(jì)算出錘擊數(shù)，如圖9所示。取打樁完成時(shí)的瞬時(shí)承載力為2 769 kN，打樁間斷5 d后，重新開始打樁，每0.3 m的錘擊數(shù)為14錘，遠(yuǎn)小于規(guī)范對拒錘的規(guī)定，不會(huì)發(fā)生續(xù)打困難。

4 結(jié)束語

本文介紹了在遼河灘海油田海上動(dòng)力沉樁過程中使用打樁分析儀進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測的過程，并對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了分析。在打樁過程中，PDA能監(jiān)視到每一錘的打樁能量、樁身拉壓應(yīng)力、貫入度、極限承載力以及樁身完整性等信息。通過這些信息就能了解到整個(gè)打樁過程的沉樁情況。海上打樁作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高，施工過程容易受到海底地層條件、潮汐、天氣以及周圍其他作業(yè)的影響，采用PDA對海上打樁進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，可有效地為打樁施工提供及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。打樁間斷一段時(shí)間后，土體強(qiáng)度得到提高，通過對停錘復(fù)打時(shí)樁阻力的評估，打樁間斷5 d后，重新打樁時(shí)貫入0.3 m所需錘擊數(shù)約為14錘，遠(yuǎn)未超過規(guī)范對拒錘的規(guī)定 （300錘/0.3 m），不會(huì)發(fā)生拒錘情況。

[1]潘學(xué)光.固定平臺(tái)打樁的動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測[J].中國科技縱橫，2010，（5）：25.

[2]JTJ 249-2001，港口工程樁基動(dòng)力檢測規(guī)程[S].

[3]徐攸在.樁的動(dòng)測新技術(shù)（第二版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

Piling Monitoring and Analysis in Bohai Bay

LI Chun（CNPC Research Institute of Engineering Technology,Tianjin 300451,China），LIU Zhen-wen,QI Lei

Pile dynamic analyzer （PDA）is produced by American PDI company,which is specially used to collect and process data from piling.It uses Case calculation method and special sensors.This device is seldom used in marine piling.This article describes the application of PDA in marine piling in Liaohe beach oilfield of Bohai Bay,and evaluates the pile resistance when restarting piling operation.

jacket platform;marine piling;pile dynamic analyzer;Case method

TE951

B

1001－2206（2011）增刊－0069－04

李 春 （1981-），男，工程師，2004年畢業(yè)于天津大學(xué)船舶與海洋工程系海洋工程專業(yè)，主要從事海洋工程技術(shù)研究。

2011-08-23