自升式海上平臺樁靴入泥深度預(yù)測

楊蘇春

(1. 天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津港航工程有限公司，天津 300457)

0 引 言

海上風(fēng)電與海上油氣開采離不開自升式海上平臺的使用，自升式海上平臺樁腿駐位情況直接影響自升式海上平臺的安全性。自升式海上平臺樁靴多為擴(kuò)展型，樁靴投影面積遠(yuǎn)大于樁腿外徑，樁靴下壓過程會排擠樁靴下的土體，樁靴達(dá)到持力層后樁腿處于淘空狀態(tài)或被回淤后的土體包裹，回淤后的土體側(cè)摩阻力較低。因此，自升式海上平臺駐位時(shí)承載力絕大部分由樁靴提供。

隨著我國海上風(fēng)電的興起，合理計(jì)算樁靴承載力預(yù)測入泥深度成為亟需解決的問題。國內(nèi)部分學(xué)者采用土層參數(shù)平均值代替土層參數(shù)峰值進(jìn)行有限元模擬或者理論計(jì)算[1–4]。而自升式海上平臺駐位土層多為土層參數(shù)峰值處，原有方法很難準(zhǔn)確預(yù)測樁靴入泥深度。這使得準(zhǔn)確的評估持力層承載力與持力層深度顯得尤為重要，在實(shí)際工程中，持力層存在刺穿的危險(xiǎn)，這將直接影響自升式海上平臺作業(yè)安全性與作業(yè)效率[5]。其中的難點(diǎn)有二，一是擴(kuò)展型樁靴多為異形且承載力無專門的計(jì)算方法，多數(shù)時(shí)候需借助單樁承載力方法進(jìn)行推算，但很少有對這種方法進(jìn)行有效的驗(yàn)證；二是復(fù)雜的理論推導(dǎo)需多種土層參數(shù)，土層參數(shù)又多以平均值體現(xiàn)，參數(shù)的變化將極大的影響持力層承載力的估算且也很難滿足工程實(shí)踐的需求。缺少一種通過少量參數(shù)可以快速合理推斷持力層性質(zhì)的方法。

本文通過自升式海上平臺擴(kuò)展型樁靴在多個(gè)實(shí)際工程中的駐位數(shù)據(jù)結(jié)合地質(zhì)勘察資料，對多種樁端承載力理論與基礎(chǔ)承載力理論進(jìn)行檢驗(yàn)，并提出適宜的計(jì)算方法應(yīng)用于計(jì)算擴(kuò)展型樁靴承載力并準(zhǔn)確預(yù)測樁靴入泥深度，經(jīng)過多個(gè)海上風(fēng)場的檢驗(yàn)效果良好，可供相關(guān)工程使用。

1 樁端承載力計(jì)算

常用的單樁非擴(kuò)展樁端承載力計(jì)算方法主要分為規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式法、原位測試法（靜力觸探法[6]、標(biāo)準(zhǔn)貫入法）、古典經(jīng)驗(yàn)公式法（α法、β法、λ法、極限平衡法[7]）以及基于以上一種或多種方法的有限元計(jì)算[8]。

1.1 規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式法

式中：Qpk為樁端豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值；Ab為樁端面積；qpk為經(jīng)驗(yàn)預(yù)估的樁端土極限端阻標(biāo)準(zhǔn)值。

1.2 原位測試法（靜力觸探法[6]）

式中：α為樁端阻力修正系數(shù)；qc為靜力觸探加權(quán)平之值。

1.3 古典經(jīng)驗(yàn)公式法（極限平衡法[7]）

式中：Nc、Nq分別為黏聚力、樁端平面上土體自重；ζc、ζq均為形狀系數(shù)；h為樁端底寬與如土深度。

擴(kuò)展樁端與獨(dú)立基礎(chǔ)型式一致，其承載力特征值計(jì)算可采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的方法。

1.4 地基承載力特征值

式中：fa為修正的地基承載力特征值；fak為地基承載力特征值；ηb為基礎(chǔ)寬度的修正系數(shù)；γ為浮重度；b為基礎(chǔ)寬度。

規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式法、原位測試法、極限平衡法、地基承載力特征值法計(jì)算的準(zhǔn)確性取決于參數(shù)的選取。除原位測試法外，其他幾種方法的參數(shù)主要來源于以往的經(jīng)驗(yàn)以及室內(nèi)試驗(yàn)獲取的土層參數(shù)。樁靴下插過程較為迅速，不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度較為貼近駐位過程中土體的抗剪強(qiáng)度。地質(zhì)勘察實(shí)踐中往往采用固結(jié)快剪試驗(yàn)獲取土體參數(shù)，部分參數(shù)可通過固結(jié)快剪試驗(yàn)進(jìn)行推算，但也影響精準(zhǔn)度。固結(jié)快剪試驗(yàn)往往進(jìn)行多組，以平均值的形式體現(xiàn)。利用平均值可對承載力進(jìn)行大致估算，但很難做到精確評估真實(shí)的承載力。原位測試法對土層進(jìn)行靜力觸探，可直觀反應(yīng)各深度土層的錐尖阻力。靜力觸探的錐尖阻力波動峰值對樁端承載力的估算具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

2 工程原位試驗(yàn)

平臺船駐位需對樁腿進(jìn)行預(yù)壓載，壓載保持15 min樁腿無下沉即完成駐位。試驗(yàn)所用平臺船“港航平7”“港航平9”，單樁預(yù)壓載力分別為4 800 t、5 600 t，樁靴類型如圖1 所示，樁靴面積106 m2、113 m2。

圖1 試驗(yàn)用平臺船“港航平9”Fig. 1 Test platform ship "Ganghangping 9"

圖2 樁靴類型Fig. 2 Types of spud-can

大多數(shù)自升式海上平臺船長一百米左右，樁腿間距接近百米，地質(zhì)參數(shù)的獲取也僅能通過風(fēng)機(jī)位置的地勘鉆孔進(jìn)行均質(zhì)的推定，因此有必要探討地質(zhì)差異對樁靴入泥深度的影響。

2.1 基礎(chǔ)周邊地質(zhì)變化對樁靴入泥深度的影響

為探討海上風(fēng)電基礎(chǔ)周邊地質(zhì)變化對樁靴入泥深度的影響，較淺的持力層可較為準(zhǔn)確的評估風(fēng)機(jī)周圍地質(zhì)差異對樁靴入泥深度的影響。我國江蘇海域表層土多為粉砂層，大豐海上風(fēng)電項(xiàng)目、如東海上風(fēng)電場、竹根沙海上風(fēng)電場均為此特征，具體表層土層特征如下：

大豐海上風(fēng)電項(xiàng)目位于鹽城市大豐區(qū)東側(cè)的毛竹沙海域，表層為粉砂層，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)實(shí)測錘擊數(shù)N為8～9 擊/30 cm，平均值為8.3 擊，層厚3.00～4.50 m。“港航平9”駐位時(shí)樁靴具體入泥深度如表1 所示。

表1 大豐海上風(fēng)電項(xiàng)目“港航平9”樁靴入泥深度Tab. 1 Spud-can penetration depth of "Ganghangping 9"in Dafeng offshore wind farm

如東海上風(fēng)電場位于如東海域的東北部，表層為粉砂夾粉土，以粉砂為主夾粉土。靜探錐尖阻力qc=0.03～6.86 MPa，平均值qc=2.94 MPa。實(shí)測標(biāo)貫錘擊數(shù)N=5～15 擊/30 cm，平均值為11.5 擊/30 cm，層厚0.50～12.00 m?！案酆狡?”駐位時(shí)樁靴具體入泥深度如表2 所示。

表2 如東H2 海上風(fēng)電項(xiàng)目“港航平9”樁靴入泥深度Tab. 2 Spud-can penetration depth of "Ganghangping 9" in Rudong H2 offshore wind farm

竹根沙海上風(fēng)電場位于竹根沙及北條子泥附近海域，表層為粉砂夾粉土且全場分布，靜探錐尖阻力qc=0.50～2.85 MPa，平均值為1.32 MPa；標(biāo)貫實(shí)測錘擊數(shù)N=9～10 擊/30 cm，平均值為9.5 擊/30 cm；層厚2.50～4.00 m。“港航平9”駐位時(shí)樁靴具體入泥深度如表3 所示。

表3 竹根沙海上風(fēng)電場項(xiàng)目“港航平9”樁靴入泥深度Tab. 3 Spud-can penetration depth of "Ganghangping 9" in Zhugensha offshore wind farm

利用“港航平9”自升式海上平臺在以上3 個(gè)海上風(fēng)場的駐位數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。樁靴在表層的粉砂或粉砂夾粉土層內(nèi)的駐位需要一定的下壓行程。表1～表3 數(shù)據(jù)顯示持力層本層土體內(nèi)最小下壓行程0.4 m，持力層本層土體內(nèi)最大下壓行程2.6 m。這說明，持力土層厚度大于2.6 m 時(shí)具有較高的安全保障。換言之，預(yù)估“鐵板砂”地層入泥深度在2.6 m 誤差范圍內(nèi)準(zhǔn)確率達(dá)到100%。下壓行程的差異也是距離風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)百米范圍內(nèi)地質(zhì)變化的體現(xiàn)，明確這一數(shù)據(jù)可有效防止刺穿的發(fā)生，確保土層可提供樁靴足夠的駐位厚度。

2.2 計(jì)算方法的驗(yàn)證

規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式法依賴于經(jīng)驗(yàn)預(yù)估的樁端土極限端阻標(biāo)準(zhǔn)值，海上施工的風(fēng)場多為無施工經(jīng)驗(yàn)區(qū)域，規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式法很難應(yīng)用于實(shí)際工程中。且受到拔樁力的限制，大多數(shù)海上平臺的樁靴駐位在入泥30 m 以內(nèi)。海上風(fēng)電基礎(chǔ)的持力層大大超過該深度，地勘資料里不會針對30 m 以內(nèi)的地質(zhì)進(jìn)行端阻力的詳勘，因此較難獲得準(zhǔn)確的端阻力建議值。

極限平衡法受限于過多的計(jì)算參數(shù)與實(shí)際工程中樁靴的特殊形狀而無具體的參數(shù)，導(dǎo)致計(jì)算較為繁瑣，很難取得較好的應(yīng)用效果。

地基承載力特征值計(jì)算局限于淺基礎(chǔ)、小面積基礎(chǔ)，也無法應(yīng)用于樁靴承載力評估。根據(jù)大豐海上風(fēng)電項(xiàng)目、如東海上風(fēng)電場、竹根沙海上風(fēng)電場地勘報(bào)告提供的粉砂地基承載力特征值fak=90 kPa，修正后的地基承載力特征值fa=138 kPa 計(jì)算114 m2樁靴的地層承載力為1 573 t，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單樁預(yù)壓荷載5 800 t。這種計(jì)算結(jié)果表明地層承載力過低無法滿足駐位需求，與實(shí)際情況不符，說明該方法并不適用于計(jì)算樁靴承載力。

較為合適與直接的方法是原位測試法，其根據(jù)原位靜力觸探試驗(yàn)值推算樁靴承載力，根據(jù)地勘報(bào)告靜力觸探數(shù)據(jù)可方便獲取，僅需準(zhǔn)確界定樁端阻力修正系數(shù)，即可使用。為驗(yàn)證該方法的準(zhǔn)確性，在2.1 節(jié)對單一持力層分析的基礎(chǔ)上選取多土層地質(zhì)進(jìn)行相關(guān)的驗(yàn)證，山東半島南4 海上風(fēng)電項(xiàng)目具有該種地質(zhì)，靜力觸探結(jié)果如表4 所示。

表4 山東半島南4 海上風(fēng)電項(xiàng)目部分機(jī)位靜力觸探Tab. 4 Static cone penetration testing of some positions of the offshore wind farm in south 4 of Shandong Peninsula

根據(jù)原位測試法Qpk=αqcAb，α=0.05 的情況下，4 800 t 預(yù)加載力需要qc值不小于9.0 MPa；α=0.06 的情況下，4 800 t 預(yù)加載力需要qc值不小于7.5 MPa，根據(jù)此結(jié)果推算駐位位置如表4 中箭頭所示。選取“港航平7”在山東半島南4 海上風(fēng)電項(xiàng)目駐位時(shí)，較為典型的駐位數(shù)據(jù)進(jìn)行原位測試法入泥預(yù)估與誤差分析，如表5 所示。

表5 “港航平7”在山東半島南4 海上風(fēng)電項(xiàng)目樁腿入泥深度Tab. 5 Spud-can penetration depth of "Ganghangping 7" offshore wind farmt in South 4 of Shandong Peninsula

由表5 的誤差數(shù)據(jù)結(jié)合表4 的地勘詳圖可知，根據(jù)原位測試法推測的入泥深度對2、3、4 機(jī)位較為準(zhǔn)確，推測的入泥深度與實(shí)際入泥深度誤差在1.0 m內(nèi)，這種誤差主要來源于地層在安裝平臺范圍內(nèi)微量的起伏；9 機(jī)位推測入泥深度18 m，而實(shí)際入泥深度在8～15 m，誤差在3～10 m，造成這種較大誤差的原因有二，一是根據(jù)原位測試法預(yù)估的持力層為18 m 處的②-夾2 粉砂夾粉土，而樁腿1、樁腿2、樁腿3 的駐位為13 m、8 m、12 m 處的②-1 粉質(zhì)粘土（8 機(jī)位樁腿1 為同種情況），說明②-1 粉質(zhì)粘土層靜力觸探值在安裝平臺范圍內(nèi)并不均勻；二是來源于②-夾2 粉砂夾粉土層在安裝平臺范圍內(nèi)的起伏，使得樁腿4 的實(shí)際入泥深度為15 m；53 機(jī)位實(shí)際入泥深度較為統(tǒng)一，四樁退間高差僅0.5 m，但與預(yù)估入泥深度9 m 存在2～3.5 m的誤差，這種誤差也主要來源于地層在平臺船范圍內(nèi)起伏。

根據(jù)“港航平7”在山東半島南4 海上風(fēng)電項(xiàng)目施工的20 個(gè)機(jī)位駐位時(shí)80 個(gè)樁腿入泥數(shù)據(jù)匯總來看，原位測試法估算誤差在3 m 以內(nèi)的樁位占比65%。誤差主要來源于安裝平臺范圍內(nèi)地層的起伏，這種誤差很難通過精準(zhǔn)的計(jì)算得到有效的預(yù)測數(shù)據(jù)，原位測試法已經(jīng)是現(xiàn)有方法中較高準(zhǔn)確率的評估方法。該風(fēng)場α 值在0.05～0.06 范圍內(nèi)具有一定的可信度。在實(shí)際工程中，α 會隨風(fēng)場土質(zhì)條件而變化，需根據(jù)已駐位地質(zhì)情況與原位測試數(shù)據(jù)對α 進(jìn)行修正，找出本風(fēng)場地質(zhì)合理的α 取值范圍并推廣到整個(gè)作業(yè)海域。

3 結(jié) 語

原位測試法在合理界定樁靴阻力修正系數(shù)的前提下，可較為準(zhǔn)確地預(yù)測擴(kuò)展型樁靴的入泥深度。樁靴入泥處無詳勘資料，常以風(fēng)機(jī)位置的地質(zhì)鉆孔資料進(jìn)行均質(zhì)的推定，實(shí)際工程中海上平臺所在的百米范圍內(nèi)土層常有起伏，這對準(zhǔn)確預(yù)測樁靴入泥深度產(chǎn)生較大影響。在考慮這種影響因素的情況下，原位測試法在山東半島南4 海上風(fēng)電項(xiàng)目仍有65%的準(zhǔn)確度。該項(xiàng)目粉土與粉質(zhì)粘土地質(zhì)樁靴阻力修正系數(shù)在0.05～0.06 之間，可供相關(guān)工程參考。