渤海導管架平臺鋼樁的設(shè)計與工程實踐

周健狀

中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司設(shè)計研發(fā)中心，天津300452

海上油田的生產(chǎn)一般以固定設(shè)施為基地。鋼制固定平臺是目前海上油氣田生產(chǎn)中應(yīng)用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，其中又以導管架式平臺居多。導管架平臺依靠樁固定于海底[1]，樁基礎(chǔ)支撐上部組塊和導管架的重量，同時抵抗環(huán)境荷載對平臺的作用[2]，對平臺的安全性至關(guān)重要。

樁的設(shè)計是平臺設(shè)計的重要內(nèi)容之一，主要包括以下參數(shù)：樁的直徑、入泥深度、壁厚、斜度、分段長度、間距、數(shù)量等[3]，以上參數(shù)的確定需要綜合考慮上部組塊的重心、土質(zhì)信息、環(huán)境荷載作用、樁的可打入性、樁的自由站立、海上施工資源能力以及樁的構(gòu)造要求等因素。

具體到鋼樁的設(shè)計，需結(jié)合工程實際情況，落實規(guī)范的各種要求。因項目具體情況的不同，設(shè)計理念和理解的不同，工程實踐中針對具體問題的做法各不相同。廣泛結(jié)合項目經(jīng)驗，遵循規(guī)范的要求，關(guān)注設(shè)計方法的可操作性，總結(jié)和梳理渤海導管架平臺鋼樁的設(shè)計要點，為鋼樁的設(shè)計與優(yōu)化提供借鑒。

1 設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

樁設(shè)計的輸入數(shù)據(jù)包括：第一，上部組塊的重量重心；第二，土壤參數(shù)，包括但不限于軸向樁承載力設(shè)計參數(shù)表、極限樁承載力曲線；第三，環(huán)境條件數(shù)據(jù)，風、浪、流、冰、地震參數(shù)等；第四，海上施工資源，浮吊、駁船等；第五，樁錘資料；第六，結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)格書；第七，設(shè)計依據(jù)的規(guī)范。其中，上部組塊的重量重心直接關(guān)系到樁的規(guī)格，而土壤參數(shù)則作為打樁工況的輸入條件直接影響打樁計算結(jié)果。上述兩項作為樁設(shè)計的關(guān)鍵輸入數(shù)據(jù)，需在樁設(shè)計前明確。環(huán)境條件數(shù)據(jù)主要影響樁的在位計算結(jié)果。海上施工資源中，浮吊的吊高能力往往成為樁分段長度的控制因素。

2 設(shè)計內(nèi)容與接收標準

導管架平臺的樁設(shè)計日漸成熟，逐漸發(fā)展為一套系統(tǒng)的分析和校核方法，在工程實踐中應(yīng)用廣泛。主要包括如下內(nèi)容：

（1）在位分析——靜力分析。靜力分析中，重點關(guān)注樁基承載力和樁身應(yīng)力。對于操作工況，樁基承載力安全系數(shù)應(yīng)大于2.0；對于極端工況，樁基承載力安全系數(shù)應(yīng)大于1.5。另外，樁的設(shè)計應(yīng)具備足夠的抗拉承載力，考慮最小的上部荷載的拔樁工況，樁基承載力安全系數(shù)應(yīng)大于1.5。在靜力分析各工況中，樁身應(yīng)力UC值應(yīng)小于1.0。需要說明的是，對于極端工況，桿件的容許應(yīng)力可放大1.33倍。

（2）在位分析——地震分析。地震分析中，類似靜力分析，重點關(guān)注樁基承載力和樁身應(yīng)力。對于強度地震工況，樁基承載力安全系數(shù)應(yīng)大于1.2；對于韌性地震工況，樁基承載力安全系數(shù)應(yīng)大于1.0。在韌性地震工況中，樁身應(yīng)力UC值應(yīng)小于1.0。需要說明的是，在地震工況樁身應(yīng)力校核時，容許應(yīng)力可放大1.70倍。

（3）樁的自由站立分析。樁的自由站立分析是要考慮接樁的長度必須保證當樁錘放在頂端時樁的應(yīng)力要滿足要求[4]。即樁的懸臂端在樁錘重力、樁自身重力的聯(lián)合作用下，截面受壓和受彎的組合UC值小于1.0。

（4）樁的可打入性分析。樁的可打入性分析重點關(guān)注打樁過程中的樁身應(yīng)力和錘擊數(shù)。打樁過程中，樁身應(yīng)力應(yīng)小于0.9 Fy（屈服強度）。錘擊數(shù)則用來判斷是否拒錘。拒錘標準為：連續(xù)1.5 m范圍內(nèi)錘擊數(shù)超過300/0.3 m，或0.15 m范圍內(nèi)錘擊數(shù)超過800/0.3 m。

（5）樁腿連接強度校核。對于渤海海域的平臺，樁與導管架腿之間多采用灌漿方式，且在導管架腿的頂部設(shè)置皇冠板與樁連接。工程實踐中，考慮皇冠板為主要的傳力構(gòu)件，在設(shè)計中單獨校核?；使诎宓暮缚p連接在靜力工況和地震工況時均應(yīng)具有足夠的強度，能可靠傳遞樁腿間的荷載。

必要時，還需要進行樁的起吊分析、疲勞分析等。

3 鋼樁設(shè)計要點與工程實踐

3.1 入泥深度設(shè)計

（1）適當?shù)臉痘休d力。鋼樁的樁徑和入泥深度連同土壤信息，直接決定了樁的軸向承載力。選定合適的入泥深度，保證鋼樁可提供足夠的承載力。入泥深度的確定應(yīng)與樁徑的確定綜合考慮。所需入泥深度過大時，樁拒錘的風險明顯增加，可考慮增大樁徑，適當減小入泥深度[5]。表1給出了渤海區(qū)域現(xiàn)有平臺的樁徑和與其匹配的入泥深度，可作為入泥深度設(shè)計的參考。具體的入泥深度選取應(yīng)以計算結(jié)果為準。

表1 渤海海域部分平臺樁徑與匹配的入泥深度

（2）樁尖所在土層位置。根據(jù)API RP 2A的規(guī)范要求[3]，樁尖貫入所在土層的深度應(yīng)大于2～3倍的樁徑，樁尖距離所在土層底面的距離應(yīng)大于3倍樁徑。若樁尖所在層的下一層土壤具有相當?shù)膹姸龋敲淳涂梢圆豢紤]是否臨近交接面。

實際項目中，土層往往很薄。入泥深度設(shè)計在兼顧承載力、可打入性、自由站立和經(jīng)濟性的前提下，尤其對于大直徑鋼樁，很難完全符合上述樁尖距離土層上下表面的距離要求[1]。

《海洋石油工程平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計》解讀如下：在考慮樁的入泥深度時，樁端所在層土的強度不應(yīng)明顯地高于下一層，即不應(yīng)有下臥軟土層。在有下臥軟土層的情況下，很容易出現(xiàn)樁突然穿過硬層而到軟土層，從而引起沖剪破壞。樁端越接近軟土層、兩層土的強度相差越大，這種潛在的危險就越容易發(fā)生[1]。

在位工況下，樁的安全系數(shù)大于1.5，上述樁突然穿過硬層導致沖剪破壞的情況僅可能發(fā)生在打樁工況。打樁時，樁錘錘擊動力大于土壤抗力，樁逐漸下沉。樁端位于強土層時，樁錘需要的能效大，當樁端接近強土層的下邊緣時，土壤抗力減小，若仍采用大能效，則有可能發(fā)生上述土層間的沖剪破壞。基于上述分析，設(shè)計入泥深度可基于極限承載能力曲線，令樁尖所在位置距離與之強度相當處的土壤位置大于3倍樁徑，避免沖剪破壞。推薦的備選樁尖位置見圖1（此圖來自某海洋平臺工程廠址勘察資料）。

圖1 基于極限承載能力的樁尖備選位置

3.2 分段設(shè)計

渤海海域的平臺，單樁的長度約在60～150 m。工程實踐中，往往需要將樁劃分為2～4段，逐段插入導管架，進行海上連接并打入到預(yù)定深度。樁的分段設(shè)計，需要適應(yīng)海上浮吊吊高能力，滿足樁的自由站立分析，且兼顧接樁位置要求。

3.2.1 浮吊吊高能力

渤海海域的導管架整體質(zhì)量在200～2 000 t，其中又以1 000 t以下的居多。對于中小型的導管架，設(shè)計中常選取1 700 t及以下的浮吊。浮吊噸級越小，吊高能力也相應(yīng)越小，浮吊的吊高能力往往成為樁的分段長度的決定性因素。

（1）樁的吊裝高度。

對于首段樁，樁的吊裝高度：

對于非首段樁，樁的吊裝高度：

式中：htop為導管架頂標高；Δ為凈距，一般取3 m；I1為首段樁長；c1為首段樁切割余量；Ieq為起樁器高度；Isk為索具高度；b為上一節(jié)鋼樁樁頭長度；In為核實段樁長；cn為核實段樁切割余量；Ihm為打樁錘高度。

（2）浮吊的吊裝半徑。浮吊的吊裝半徑與浮吊的吊高能力具有一一對應(yīng)關(guān)系。浮吊吊裝導管架至預(yù)定位置就位后，起吊首段樁，插入導管架并進行打樁等作業(yè)。若非極特殊情況，浮吊自起吊導管架至打樁作業(yè)完成期間不移船。因此，浮吊吊裝半徑的核實，需綜合考慮導管架的拖拉裝船方向、導管架與駁船的相對位置、駁船與浮吊的相對位置，見圖2。

圖2 浮吊吊裝半徑核實

吊裝半徑：

式中：B為導管架水上水平層沿浮吊長度方向跨距；rleg為導管架主腿半徑；X為碰球直徑，一般取3～4 m；rcn為浮吊起吊臂的旋轉(zhuǎn)中心至船邊緣的距離；L為導管架水上水平層垂直浮吊長度方向跨距；y為導管架與駁船邊到邊的距離，根據(jù)實際情況考慮。

計算得到最大吊裝半徑r，根據(jù)吊高能力與吊裝半徑的對應(yīng)關(guān)系，查得浮吊的吊高能力H。若H>max（h1，h2，…，hn），則吊高設(shè)計滿足規(guī)范要求。

3.2.2 自由站立分析

鋼樁的分段長度直接影響置錘時懸臂端的長度，進而影響自由站立結(jié)果。鋼樁的分段長度越長，對自由站立的計算結(jié)果越不利。在自由站立計算應(yīng)力過大時，可考慮減小分段長度，或局部加大懸臂樁段根部的壁厚，減小應(yīng)力UC值。

3.2.3 接樁位置

樁段劃分完成后接樁位置基本確定。工程實踐中，傾向于在相對薄弱的黏土層中接樁。海上接樁作業(yè)，需要4～5 h甚至更長。長時間的接樁作業(yè)極易發(fā)生土塞。若土塞發(fā)生在高強度的沙土中，那么接樁完成后的打樁作業(yè)難度極高，這也是需在工程實踐中極力避免的。具體接樁位置的可行性要以打樁計算結(jié)果為準，并不完全取決于黏土或沙土的性質(zhì)。

3.3 壁厚設(shè)計

3.3.1 在位分析

樁的壁厚設(shè)置首先要滿足在位工況下的強度要求。在靜力工況和地震工況下，樁身應(yīng)力UC值須小于1.0，且應(yīng)留有一定的余量。

渤海海域的導管架平臺樁的壁厚設(shè)置一般特征如下：樁的低端一般設(shè)置1.5 m長的加厚段，以對抗打樁過程的土壤阻力；樁頂至泥面以下至少20 m的范圍內(nèi)設(shè)置為加厚段，其中水面以下約10 m至樁頂還需要使用EH36的材質(zhì)滿足低溫韌性的要求。樁的下部入泥深度大，受力小，設(shè)置為薄壁段。

3.3.2 自由站立分析

樁的壁厚設(shè)置直接影響自由站立計算結(jié)果。需要說明的是，對于自由站立段存在變截面的情況，危險截面數(shù)量可能不止一個，需要分別校核。危險截面位于懸臂樁端的根部以及壁厚變薄處[4]。

3.3.3 可打入性分析

樁的可打入性分析，目的是確定在選定的樁錘作用下，樁能夠被打入到預(yù)定的深度，與此同時，樁身動應(yīng)力不超過屈服強度的90%，滿足規(guī)范要求。樁的壁厚設(shè)置應(yīng)滿足可打入性的要求[7]。

應(yīng)當采用波動理論的分析方法來確定動應(yīng)力的大小。工程實踐中，通常采用GRLWEAP程序做可打入性分析。該程序基于史密斯1960年提出的波動方程理論，分析打樁時應(yīng)力沿樁身的運動，計算樁身各點錘擊應(yīng)力及不同錘擊數(shù)可克服的土阻力[7-8]。

需要注意樁的自沉深度（即溜樁）問題。樁的自沉深度即是在自由站立時，僅靠樁身自重進入海底泥面以下的初始入泥深度[9-10]。通常可根據(jù)GRLWEAP的打樁計算結(jié)果做判斷，找到初始有錘擊數(shù)時的對應(yīng)入泥深度，此深度即為樁的自沉深度。該方法找到的是帶樁錘的自沉深度。無土塞連續(xù)打樁工況，對應(yīng)于自沉深度的上限，有土塞長時間停錘工況時，對應(yīng)于自沉深度的下限。通常要求自沉深度的上限要小于首段樁停打時的預(yù)計入泥深度，否則有溜樁風險。若上述方法計算結(jié)果表明首段樁有溜樁風險，可考慮找到不帶錘條件下的初始入泥深度。具體方法為：對比首段樁的重量與樁的極限承載力，找到對應(yīng)的入泥深度。同樣，要求此深度要小于首段樁停打時的預(yù)計入泥深度。

3.3.4 自由站立與可打入性的聯(lián)合分析

根據(jù)API規(guī)范，由樁錘沖擊造成的應(yīng)力（動應(yīng)力）和由軸向力與彎曲引起的應(yīng)力（靜應(yīng)力）的合成不應(yīng)超過鋼材的最小的屈服強度。對于渤海海域平臺的鋼樁，自由站立和可打入性分析的組合應(yīng)力往往高達300 MPa，甚至更高，這也是樁的壁厚、分段長度設(shè)計的關(guān)鍵控制因素。

樁的設(shè)計中，常用的方法之一是找到打樁計算中的最大樁身應(yīng)力，以及自由站立計算中每一分段的最大軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，將上述三項應(yīng)力求和，得到每一分段的最大應(yīng)力。若每一分段的最大應(yīng)力都小于鋼材的屈服強度（355 MPa），則設(shè)計滿足規(guī)范要求。

上述設(shè)計方法所采用的分項應(yīng)力考慮了自由站立的分段情況，卻沒有考慮樁身應(yīng)力隨著打樁時刻、樁長度范圍的變化。這在工程上是一種保守設(shè)計，考慮到自由站立與可打入性的組合應(yīng)力是樁設(shè)計的控制因素，因此不可避免造成了鋼材的浪費。為改善上述問題，近年來采用的如下改進做法：自由站立的最大軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力仍以樁段做區(qū)分，提取到2～3組應(yīng)力和（一般樁劃分為2～3段）；打樁計算的應(yīng)力，也對應(yīng)樁段劃分情況，提取在特定2～3個入泥范圍內(nèi)，自由站立段對應(yīng)的2～3組最大打樁應(yīng)力。將上述自由站立的2～3組應(yīng)力和與2～3組最大打樁應(yīng)力進行組合，得到相應(yīng)的2～3組最大應(yīng)力。每項最大應(yīng)力都小于355 MPa，則設(shè)計滿足規(guī)范要求。

上述改進做法，將組合應(yīng)力的計算具體到自由站立樁段上，在一定程度上減小了設(shè)計冗余造成的鋼材浪費。缺點是，提取每一段樁自由站立部分的打樁計算應(yīng)力時的數(shù)據(jù)量大。

3.4 構(gòu)造要求

（1）最小壁厚。在樁的全長范圍，直徑與壁厚比值D/t應(yīng)足夠小，以防止應(yīng)力在達到屈服強度前樁體發(fā)生局部屈曲。對于打入樁，預(yù)計打樁困難時，采用的最小樁壁厚不應(yīng)小于參考文獻[3]中公式的計算結(jié)果：

式中：t為壁厚，mm；D為直徑，m。

（2）泥面處加厚段，是樁已經(jīng)打入到預(yù)計深度后位于泥面附近的樁做加厚段，這個位置長期來看，樁的受力較大，常設(shè)置加厚的樁段。樁的設(shè)計中需考慮超打和欠打[11]，因此應(yīng)在泥面附近額外設(shè)置一定長度的加厚段。一般可考慮欠打時不超過6 m，超打時不超過3 m，據(jù)此相應(yīng)調(diào)整泥面附近加厚段的設(shè)置長度。

（3）對稱結(jié)構(gòu)。工程經(jīng)驗表明，合理對稱的平臺設(shè)計，不但能適應(yīng)歷史的操作和風暴條件，也能更好地適應(yīng)常規(guī)在位工況的偶然荷載。樁的設(shè)計亦然，基于有著相同壁厚、材料等級和貫入深度的對稱基礎(chǔ)，有較好的可靠性和強度儲備[3]。不建議考慮方向性設(shè)計條件對樁進行非對稱設(shè)計。

4 結(jié)束語

樁的設(shè)計是海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容之一。系統(tǒng)總結(jié)了渤海導管架平臺鋼樁的設(shè)計要點，結(jié)合規(guī)范與工程經(jīng)驗，針對工程實踐中的具體問題（樁尖所在土層位置的備選方案、樁的吊裝高度與吊裝半徑核實、溜樁分析和自由站立與可打入性的組合應(yīng)力校核）進行總結(jié)與分析，并提出了具有可操作性的具體建議做法，對類似的工程實踐具有借鑒意義。

其中，關(guān)于自由站立與可打入性的組合應(yīng)力校核，工程上的改進做法是將組合應(yīng)力的計算具體到自由站立樁段上，這在一定程度上減小了設(shè)計冗余造成的鋼材浪費。缺點是，提取每一段樁自由站立部分的打樁計算應(yīng)力時的數(shù)據(jù)量大。