渤海湾海上动力沉桩监测及分析

李 春，刘振纹，祁 磊

（1.中国石油集团工程技术研究院，天津 300451；2.中国石油集团海洋工程重点实验室，天津 300451）

渤海湾海上动力沉桩监测及分析

李 春1，2，刘振纹1，2，祁 磊1，2

（1.中国石油集团工程技术研究院，天津 300451；2.中国石油集团海洋工程重点实验室，天津 300451）

PDA（动态打桩分析仪）系统是由美国PDI专用传感器 （美国桩基动力公司）研制的专用于桩基施工数据信号采集和处理的设备，它采用了专用传感器和Case法计算分析原理。这套设备在海上打桩作业中应用较少，本文介绍了使用动态打桩分析仪在渤海湾辽河滩海油田海上打桩作业中的应用情况，评估了停锤复打时桩的阻力。

导管架平台；海上打桩；动态打桩分析仪；凯斯法

0 引言

导管架平台是渤海湾油气田开发工程中应用最为广泛的一种海洋平台，由上部甲扳、下部导管架和穿过导管架腿柱并打入海底的钢管桩组成。导管架平台桩基础最常用的是开口钢管桩，通常采用柴油、蒸汽或液压为动力的冲击锤将钢桩打入海底，海上打桩作业流程如图1所示。

海上打桩是导管架平台建设中的重要环节，打桩的质量会直接影响导管架平台的安全。受到地质条件、勘察数据误差、海上恶劣天气、潮汐、船只调度配合等方面影响，经常造成打桩过程中的停锤，停锤期间土体强度恢复，造成续打困难甚至拒锤，对海上作业造成非常严重的影响。

美国桩基动力公司 （PDI）生产的PDA打桩分析系统，通过监测桩身某一位置应变和加速度的变化，运用波动方程法分析得出每一锤的打桩能量、桩身拉压应力、极限承载力以及桩身完整性等信息，帮助合理安排海上打桩作业施工，确保沉桩过程安全、可控[1]。

1 PDA系统组成

中国石油集团海洋工程重点实验室引进了PAX-4型打桩分析仪。该设备由主机、无线智能传感器盒、无线智能传感器、配套软件及线缆组成，如图2所示。主机尺寸150 mm×220 mm×290 mm，质量为5kg，可在0～40℃的温度下工作；有4个通道，即2个应变传感器通道和2个加速度传感器通道；传感器信号数字化记录，数据长度1 k、2 k或4 k；具有自动信号调零和信号调节，可自动触发任何一个已安装的传感器；锤击信号可保存并随后从内存中回放，主机与传感器之间通过无线技术实现连接。

2 PDA系统的应用

2.1 工程概况

渤海湾辽河滩海油田区块某三腿柱平台所处海域海底土大致可分为5层，土层特性如表1所示。平台桩长39.8 m，分两节，第一节长21 m（其中切割余量1m），第二节长20.8m （其中切割余量1m），桩径850 mm，壁厚36 mm。首先采用振动锤将第一节桩打入到一定入泥深度，进行接桩作业，再用冲击锤将桩打入到设计深度 （入泥30 m）。

表1 渤海湾辽河滩海油田区块海底土层分布

2.2 传感器的安装

海上打桩施工风险高，要采取严格且完善的措施确保施工人员和设备安全。考虑在打桩过程中避免桩锤对传感器造成损伤，无线传感器安装在距离桩顶3.12 m的位置，加速度传感器和应变传感器之间的距离为83 mm，如图3所示。为了不影响海上打桩作业的进行，需要减少在现场安装传感器的时间，传感器安装孔位置的确定以及传感器支架的焊接事先在辅助船上做好，等待接桩工作完成后，再由技术人员乘坐吊笼到钢桩顶部完成传感器的安装和线路的连接。

打桩采用的是D128柴油锤 （如图4所示），桩锤质量54 t，上活塞质量12.8 t，每次最大锤击能量426.5 kJ，锤击效率40%，锤击频次45次/分。

2.3 打桩过程监测

PAX-4型打桩分析仪具有无线数据采集功能。将主机的位置选择在空旷无遮挡且距离传感器100m距离之内即可采集到信号。在实测过程中，对于一根桩，记录了10锤完整的波形信号。打桩过程中D128柴油桩锤采用2档，锤击力为2200～2300kN，实测锤击力为2 120 kN。实测单桩承载力3 207 kN，桩身最大拉应力55.1 MPa，波形如图5所示。通过对锤击力、单桩承载能力、桩身应力等参数的监测，为打桩施工作业及时提供了数据支持。

3 动态监测结果分析

PDA系统是一套基于Case法的专用数据信号采集处理系统，系统使用了专门的Case法计算公式，配备了基于Case法的计算软件CAPWAP，可用于打桩过程的详细分析。

3.1 Case法基本原理

Case法从行波理论出发，导出了一整套简捷的分析计算公式，通过PDA系统能够在打桩现场立即得到关于承载力、锤击能量、桩身应力和桩身质量等许多分析结果，Case法的优点就是具有较强的实时分析功能。Case法是以确定单桩极限承载力为主的一种高应变动力试桩方法，它把桩体作为连续的弹性杆件，根据实测到的桩体上部某截面的应变和加速度时程曲线，经过一定的简化，并引进其他有关参数，由式 （1）～（3）确定单桩的极限承载力[2]:

式中Rc——Case法确定的单桩极限承载力；

Jc——阻尼系数，由CAPWAP程序算得；

t1——速度第一峰对应的时刻；

t2——速度第二峰对应的时刻；

F（t1）——t1时刻测点处实测的锤击力；

F（t2）——t2时刻测点处实测的锤击力；

V（t1）——t1时刻测点处实测的速度；

V（t2）——t2时刻测点处实测的速度；

Z——桩身截面力学阻抗；

A——桩身截面积；

E——桩弹性模量；

L——测点以下桩长；

C——桩身应力波速度。

3.2 CAPWAP法基本原理

CAPWAP方法以行波理论为基础，以实测桩顶力和速度的时程曲线作为输入数据，通过不断修改桩土模型参数，求解波动方程，直至计算得到的速度（或力）时程曲线和实测速度 （或力）时程曲线的吻合程度满足要求，从而得到单桩承载力、桩身应力等分析结果。程序计算过程如图6所示[3]。

图6CAPWAP程序计算框图

3.3 监测结果分析

本次打桩动态监测包括锤击力、桩身应力、土阻力等信息，获取的数据如表2所示。通过监测可知，桩锤传递给桩的能量未超过桩锤额定能量（426.5×40%=170.6 kJ），且桩身拉应力未超过普通钢材抗拉强度，打桩过程可以顺利进行。

使用CAPWAP程序对每次锤击进行了分析，得出JC值，可用于Case法对桩基承载力的评估，实测曲线及通过分析给出的结果如图7所示。

表2 打桩监测数据

3.4 停锤复打阻力评估

根据经验公式 （4）、（5）可计算出打桩间断不同时间后土的总阻力：

式中Qmax、Qmin——分别为t时刻最大、最小的土阻力；

QEOD——打桩完成时的瞬时承载能力，通过动态监测得到。

计算得到打桩间断一段时间后土阻力的恢复如图8所示。

柴油桩锤传递给桩的能量完全用来克服沉桩阻力Qt而做功，即：

式中S——贯入度；

E——桩锤传递给桩的能量，可以通过动态监测得到。

通过计算得出贯入度S为30 cm时所需的锤击能量，进而计算出锤击数，如图9所示。取打桩完成时的瞬时承载力为2 769 kN，打桩间断5 d后，重新开始打桩，每0.3 m的锤击数为14锤，远小于规范对拒锤的规定，不会发生续打困难。

4 结束语

本文介绍了在辽河滩海油田海上动力沉桩过程中使用打桩分析仪进行动态监测的过程，并对监测结果进行了分析。在打桩过程中，PDA能监视到每一锤的打桩能量、桩身拉压应力、贯入度、极限承载力以及桩身完整性等信息。通过这些信息就能了解到整个打桩过程的沉桩情况。海上打桩作业风险高，施工过程容易受到海底地层条件、潮汐、天气以及周围其他作业的影响，采用PDA对海上打桩进行动态监测，可有效地为打桩施工提供及时准确的数据支持。打桩间断一段时间后，土体强度得到提高，通过对停锤复打时桩阻力的评估，打桩间断5 d后，重新打桩时贯入0.3 m所需锤击数约为14锤，远未超过规范对拒锤的规定 （300锤/0.3 m），不会发生拒锤情况。

[1]潘学光.固定平台打桩的动应力监测[J].中国科技纵横，2010，（5）：25.

[2]JTJ 249-2001，港口工程桩基动力检测规程[S].

[3]徐攸在.桩的动测新技术（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，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，工程师，2004年毕业于天津大学船舶与海洋工程系海洋工程专业，主要从事海洋工程技术研究。

2011-08-23