黏土中打桩动力过程对桩基的影响

　中海石油上海分公司

黏土中打桩动力过程对桩基的影响

张树德中海石油上海分公司

大直径超长钢管桩被越来越多地应用于海洋工程中，准确预测桩的可打入性是保证海上安全施工的重要条件。根据我国某平台打桩的实测数据，对黏土中打桩过程土阻力的衰减和承载力的恢复进行了研究。根据现场打桩记录，采用波动方程计算打桩过程中的土阻力。在打桩过程中，黏土的土阻力可衰减至其承载力的10%左右，虽然黏土强度在打桩过程中产生了明显的衰减，但其同时又具有较高的恢复能力。现有的经验公式无法真实反映现场实际情况，在进行桩的可打入性分析以及桩基承载力评估时，要充分考虑黏土的特点，慎重使用经验公式，按照当地的实际工程经验选取合理的计算参数。在条件允许的情况下，应该采用复打的方法对桩基承载力进行进一步评估。

黏土；打桩；土阻力；柱基承载力；评估

海洋工程大直径、超长钢管桩的可打入性以及打桩后桩基承载力的评估，是影响工程建设的重要因素[1]。

工程实践表明，打桩过程中周围土体会发生较为明显的变化[2-3]。在黏土层中进行打桩时，桩周原状土体结构受到一定程度的破坏。打桩结束后，土体强度渐渐恢复，恢复的过程具有时效性。为此，根据我国某平台打桩的实测数据对黏土中打桩过程土阻力的衰减和承载力的恢复进行了研究。

1　打桩过程中土阻力的计算

在对桩的可打入性进行分析时，需要计算打桩过程中的土阻力。大直径管桩在打桩过程中，往往认为不发生闭塞，在黏土层中连续打桩时采用Semple和Gemeinhardt等人提出的方法[4]确定单位侧阻力

式中 fdr为打桩时单位侧阻力（kN）； f为桩基承载力中的单位侧阻力（kN）；Fp为经验系数。

根据工程经验，Fp由式（2）确定

式中OCR为土体的超固结比。

对于正常固结黏土，即OCR=1.0时，打桩过程中的土阻力可表示为

式中Sunc为黏性土正常固结条件下的不排水抗剪强度（kPa）；Su为黏性土实际不排水抗剪强度（kPa）；As为桩体侧表面积（m2）； AP为桩端面积（m2）。

在打桩过程中考虑黏土强度的弱化，其折减系数一般取为0.5。

2　工程背景

某工程平台区水深约63m；桩基采用开口钢管桩，直径2.134m，共8根，分布在四个角；桩长115.5m；最终入泥93m；桩最大壁厚65mm，最小壁厚45mm；在入泥深度范围内黏土厚度达到85m。

从现场打桩记录及打桩所用总能量可以看出，现场打桩最后1m的锤击数在20击左右，打桩所用的总能量不超过500MJ。打桩总能量见图1。

图1　打桩总能量

3　利用波动方程计算打桩阻力

根据现场打桩记录，采用波动方程计算打桩过程中的土阻力。图2为计算得到的本工程锤击数与土阻力的关系曲线，根据图2曲线以及现场打桩记录可以得到打桩土阻力沿深度的分布。

图2　捶击数与土阻力关系曲线

由土阻力与深度关系曲线可以看出，打桩过程中的土阻力要远小于桩基的承载力。当黏土的折减系数选择为0.5时，其预测结果与计算结果有较大的差异；当选择0.1的折减系数时则与实际情况相符合。

4　桩基承载力的恢复

目前对于桩基承载力的恢复有很多经验公式，其中最为常用的为Skov和Denver等人提出的以下经验公式[5]

式中 A和 t0为经验参数，在黏土中t0一般取1.0， A取0.6（Skov和Denver等人在黏土中的推荐值）；Q0为打桩结束时的承载力；Qt为打桩结束后时间为t时的承载力。

按照上述公式以及参数推荐值计算得到的打桩结束后90天的承载力仅能达到17.4MN，远远不能满足设计要求。

为了进一步评估桩基承载力，对其中两根桩在打桩结束后9.5、48、86h以及打桩结束后90天，分别进行了复打。同样采用波动方程对复打记录进行分析，得到了复打时间点的土阻力的均值，分别为16、33、32、42MN。从以上数值可以看出，在打桩结束后不到10个小时，桩基承载力的恢复已接近公式预测打桩结束后90天的承载力预测值。

根据打桩结束时各个桩的土阻力以及复打得到的土阻力，可以得到桩基承载力随时间的变化关系，见图3。如果按照Skov和Denver等人提出的公式进行拟合，在t0=1.0的条件下， A取值为1.2，是Skov和Denver推荐值的2倍，且其变化趋势与经验公式也有明显的差异。

图3　承载力随时间的变化关系

5　结论

打桩过程中的土阻力以及桩基承载力的评估是海上安全施工以及保证平台安全运行的关键。在以黏土为主的土层当中进行打桩，土体强度会发生明显的弱化，在打桩结束后的一段时间其强度又会明显恢复。

目前常用的有关考虑黏土强度折减的土阻力预测公式以及考虑桩基时间效应的承载力恢复公式，在本项目中均与实际结果存在较大的差异，无法真实反映现场的实际情况。

实际工程表明，在打桩过程中，土阻力中黏土强度的发挥仅为设计值的10%；在打桩结束后10个小时内，桩基承载力即有明显的恢复；在打桩结束后90天，桩基承载力接近其设计值。因此在实际工程中应该考虑黏土特点，慎重使用经验公式，按照当地的实际工程经验选取合理的计算参数。在条件允许的情况下，应该采用复打的方法对桩基承载力进行进一步评估。

[1]陈宝洁，海洋平台安全建造管理[J]．油气田地面工程，2013，32（9）：13-14.

[2]姜龙，预制桩的沉桩阻力分析[J]．油气田地面工程，2007，26 （8）：48-50.

[3]李飒，韩志强，杨清侠，等．海洋平台大直径超长桩成桩机理研究[J]．工程力学，2010，27（8）：241-245.

[4]SempleRM，GemeinhardtJP．Stresshistoryapproachtoanalysis ofsoilresistancetopiledriving[C]//OffshoreTechnologyConference．Houston：OTC，1981：11-21.

[5]SkovR，DenverH．Time-dependenceofbearingcapacityofpiles [C]//Proc3rdIntConfAppStress-waveTheorytoPiles．Ottawa：BiTechPublishers，1988：879-888.

13920746863、lisa@tju.edu.cn

（栏目主持樊韶华）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.036

张树德：高级工程师，主要从事海洋建筑物的设计及建造等方面的工作。

2015-04-21