北部湾导管架平台打桩过程高应变动态监测与分析*

骆寒冰 罗 晓 韩延波 谢 芃 李少飞 牛书涛

(1. 天津大学船舶与海洋工程系 天津 300350; 2. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451)

海洋平台钢桩具有大直径和超长特性，如果打入过程中遇到海底土质较硬，易形成土塞出现拒锤风险。由于钢桩一般分为多节，中间需要停锤进行焊接施工，由于停锤期间钢桩贯入海底部分土层孔隙水的消散而引起钢桩周围摩擦力增加，将使得钢桩更加难以打入。拒锤后的掏土作业不仅费用昂贵，而且会延误工期。如果增加打桩锤击能量，桩身应力可能会过大而出现屈服破坏。对钢桩打桩过程进行动态监测，可以实时获取桩身的应力和加速度信息，评估桩基的承载力及完整性，并根据监测数据及时调整打桩作业，防止钢桩出现拒锤和屈服破坏。基于波动理论的高应变动态监测技术可用于判定桩的承载力和评价桩身完整性[1-2]，常用高应变模拟分析方法有CASE法和CAPWAP法[3]。CAPWAP法又称实测波形拟合法，根据假设的桩-土模型，基于实测曲线拟合应力波曲线，求出最佳拟合对应的桩身阻力分布和桩基承载力，合理评估桩身极限承载力；但曲线拟合工作量较大，参数选取不同会导致拟合的差异，须根据工程经验选择参数。CASE法假定桩静阻力模型为刚塑性体，桩身等阻抗、动阻力集中于桩底，与实际情况差异较大，但该方法能快速分析估算桩身最大应力和承载力，适合在打入过程中进行实时监测。总体而言，CAPWAP法较CASE法结果更加准确。

近年来，国内多位学者对海洋平台打桩及其动态监测的理论知识和技术方法进行了研究，桩基动态监测技术逐渐在国内海洋工程中得到了应用[4-8]。赵亮 等[8]首次在国内使用高应变动态监测技术对渤海某海洋石油平台桩基打桩过程进行了全程监控，并开展了桩基承载力评估的复打测试。蒲玉成 等[9]针对东海某气田开发中导管架的桩基安装进行了水下高应变动力监测试验研究。南海北部湾平均水深42 m，涠洲油田某导管架平台所在位置的海底土壤主要是砂性土壤，在打桩过程有形成土塞拒锤的风险。为确保施工顺利进行，须对该导管架平台钢桩贯入过程进行高应变动态监测。尽管在我国渤海、东海的海上平台打桩安装项目都有高应变动态监测的先例，但针对北部湾海域海上平台打桩动态监测的研究资料甚少。因此，本文首次在北部湾海域打桩安装项目进行高应变动态监测研究，并结合CAPWAP方法对桩完整性和承载力进行统计分析，以期为该海域后续的打桩作业提供技术指导。

1 平台钢桩概况及打桩监测系统

1.1 平台钢桩概况

北部湾涠洲油田某导管架平台所在位置水深35.8 m，导管架高度44 m，钢桩总长129 m(含截桩长度)，设计入泥深度80 m。该导管架平台共设计有8根桩腿，每根桩分为P1和P2两节，P1长77 m，位于桩身下部；P2长52 m，位于桩身上部。钢桩外径2 134 mm，P2钢管下段壁厚55 mm，上段壁厚45 mm，屈服强度355 MPa。该平台场址地层以砂性土壤为主，钢桩设计贯入深度范围内的土壤分为16层，各层土壤资料见表1。从表1中可以看出，钢桩在接桩入泥深度22.3～32.0 m、38.6～44.5 m、50.7～68.9 m、75.0～91.0 m范围内侧摩擦力和桩端承载力均较大，考虑到接桩所需停锤时间较长(超过24 h)，且接桩时P1段入泥深度为29 m，在22.3～32 m接完P2桩的后续打桩过程中出现拒锤可能性较大，有必要对第2节P2桩开展动态监测。

表1 北部湾某导管架平台场址土壤参数[10]Table 1 Site soil data of the jacket platform in Beibu gulf[10]

1.2 打桩监测系统

本次监测采用美国PDI公司生产的PAX型四通道打桩动态分析仪、压阻式力传感器和压阻式加速度传感器。传感器和PAX分析仪之间通过无线发射器进行数据传输，有效传输距离为100 m。使用无线发射接收装置可以有效提高工作效率，减小海上布线带来的施工风险。打桩现场锤击采用MENCK液压锤。PAX打桩分析仪频率设置为10 kHz，通过设置桩身材料、截面和长度、锤的类型及额定能量，可实时监测到测点在每次锤击时桩身的最大应力和最大锤击能量，以及测点的最大速度等关键信息。

打桩动态监测分为传感器安装、测试系统调试及数据采集和分析等3个过程。首先根据桩锤套筒长度确定传感器的安装位置，确保传感器位于打桩锤套筒下缘和截桩标记上缘间，从而能有效监测到应力波信息。在安装传感器时避开接桩、焊缝、锤套下缘和桩横截面积变化等干扰位置。采用电磁钻在距离桩顶约5 m的圆周上对称钻孔，分别用于加速度传感器、应力传感器和无线发射器的固定。用于固定应力传感器的A、B孔沿钢管轴线布置，固定加速度的C孔与应力传感器中点平齐(图1),传感器的现场安装如图2所示。

图1 传感器在桩身的布置示意图Fig .1 Layout diagram of sensors on the pile

图2 传感器在桩身的实际安装图Fig .2 Diagram of field arrangement of sensors on the pile

钢桩起吊前，先安装传感器、无线发射器，并采用测试系统进行监测调试。准备工作就绪后，在打桩过程中进行数据采集、分析处理。由于传感器钻孔位置在截桩标记上缘，打桩监测完成后，钻孔部分会随着截桩离开桩腿，不会对整个桩的结构强度造成影响。

2 打桩过程监测及结果分析

2.1 打桩过程监测

现场分别对该导管架平台A4和B1位置的两桩打桩过程进行了监测，两桩的传感器均布置在第2节桩上。两桩第1节桩的初始入泥深度分别为28.5 m和29.0 m时，测得二者的停锤入泥深度均为80 m，并监测到二者的有效锤击数分别为6 065、6 474。钢桩贯入深度与对应锤击次数的关系如图3所示，可以看出，A4桩和B1桩的锤击次数均在入泥深度达到58 m后呈现快速增加趋势，即桩身阻力开始增加，停锤前对应的桩身阻力达到最大值。根据拒锤标准,即连续1.5 m内每贯入0.3 m对应的锤击数不超过300次，换算成连续1.5 m内每贯入1 m锤击数为不超过1 000次。从图3可以看出，A4和B1桩均没有出现拒锤现象，因此后续仅选择B1桩的监测结果进行分析。

B1桩实测锤击能量和桩锤输出能量的对比如图4所示，从统计结果可以看出锤击能量传递效率在95%以上。

图3 北部湾某导管架平台A4及B1桩锤击数随 贯入深度变化曲线Fig .3 Curve of blow counts and different depths of pile A4 and B1 for the jacket platform in Beibu gulf

图4 北部湾某导管架平台B1桩实测锤击能量与 桩锤输出能量的对比Fig .4 Comparison of measuring energy and output striking energy of pile B1 for the jacket platform in Beibu gulf

2.2 完整性分析

桩身完整性判断采用应力水平值Sl来表示，即

Sl=Sc/Fy

(1)

式(1)中:Sc为桩身最大压应力，MPa；Fy为桩身材料屈服应力的0.9倍。应力水平值越低，说明桩身出现破坏的可能性越小；反之，则越大。

不同锤击数下，该导管架平台B1桩身所受拉、压应力统计结果如图5所示，最大拉应力(St)为119.3 MPa，最大压应力(Sc)为217.5 MPa。B1桩身应力水平统计结果如图6所示，可以看出Sl值主要集中在0.62左右，小于1.0。根据应力水平判定依据，说明打桩过程中B1钢桩未出现屈服破坏，桩身完整。

图5 北部湾某导管架平台B1桩身最大拉、压应力 与锤击数关系图Fig .5 Relationship of maximum tension/compression stress and blow counts of the B1 pile for the jacket platform in Beibu gulf

图6 北部湾某导管架平台B1桩身应力水平统计曲线Fig .6 Stress level curve of the pile B1 for the jacket platform in Beibu gulf

2.3 承载力分析

采用CAPWAP方法，选取锤击能量大、桩身阻力激发充分的现场监测数据，进行上行波拟合，通过建立非均匀桩身模型，不断调节桩身阻力分布及黏滞阻尼、弹限、加载系数等参数，使计算曲线尽可能逼近实测曲线，以模拟真实情况，并根据最佳拟合曲线得到钢桩的承载力。

为了研究桩身承载力随入泥深度的变化规律，对该导管架平台B1钢桩第2 500～6 400次锤击以100为间隔的40组锤击数据进行分析。钢桩入泥深度从65 m变化到79 m时，得到桩基承载力与入泥深度的统计结果如图7所示。其中，钢桩的总承载力由桩底承载力Rb和桩侧承载力Rs两部分组成。从图7可以看出，在打桩过程中，桩侧承载力较桩底承载力大,钢桩从入泥深度65 m变化到79 m时，钢桩总承载力由29 604 kN增加到了39 021 kN。

基于B1钢桩监测结果，针对上述最大承载力的第6 400次记录数据进行拟合分析。图8a是实测应力与应力波结果；图8b是CAPWAP法拟合的应力结果，其中L为桩底到传感器的距离，c为应力波传播速度，L/c表明应力波在桩内传输时间过程。从图8b可以看出，拟合的应力结果与实测结果吻合很好，表明采用CAPWAP法拟合的应力结果可用于后续钢桩承载力的拟合分析。图8c为拟合得到的桩身载荷与桩端位移情况，得到的最大承载力为39 021 kN，桩侧阻力为31 994 kN，桩端阻力为7 027 kN，桩顶卸载前后的位移分别为69.0、72.0 mm，可见打桩过程的承载力小于桩设计极限承载力66 900 kN。图8d为拟合得到的沿着桩单元的桩侧阻力分布，横坐标为桩单元数目，0表示为桩顶，50为桩底，可见靠近桩底单元的桩侧阻力大，桩顶附近的阻力很小。

图7 北部湾某导管架平台B1桩身承载力与 贯入深度的关系图Fig .7 Relationship between bearing capacity and drilling depth of B1 pile for the jacket platform in Beibu gulf

图8 北部湾某导管架平台B1桩动态监测CAPWAP分析结果Fig .8 Results of the high strain testing in B1 pile driving by the CAPWAP method for the jacket platform in Beibu gulf

图9展示了本文CASE法、CAPWAP法分析得到的B1桩基承载力统计结果，并与文献[11]中的桩设计极限承载力结果进行了对比。从图9中可以看出： CAPWAP法分析得到的桩基总承载力与设计外摩擦力较为接近，两者随入泥深度变大呈相似增加趋势，对判断打桩现场桩承载力具有一定参考价值；CASE法分析时，阻尼系数取0.5，得到的承载力略大于CAPWAP法结果，不过由于CASE法假设条件与实际差异较大，相比CAPWAP法结果误差更大；CAPWAP法得到的B1桩承载力为39 021 kN，小于桩设计极限承载力66 900 kN。这是由于打桩过程中土壤受到扰动产生疲劳效应，并在钢桩周围产生了超静孔隙水压力，受该压力的影响，土体作用在桩上的有效应力减小，造成现场测得的极限承载力变小。打桩结束后，随着超静孔隙水压力的消散，土体的承载力会逐渐得到恢复，扰动土的强度完全恢复需要几周时间，有的甚至几年后土体强度还在增长。

图9 北部湾某导管架平台B1桩CASE法、CAPWAP法 拟合结果与设计极限承载力对比Fig .9 Comparison between fitting results by CASE/CAPWAP methods and design ultimate bearing capacity results of B1 pile for the jacket platform in Beibu gulf

3 结论

1) 对北部湾某导管架平台A4、B1两根钢桩打桩过程的高应变动态监测显示,钢桩每贯入1 m对应的最大锤击次数小于拒锤标准，打桩过程钢桩没有出现拒锤现象；监测B1桩的应力水平结果显示Sl≈0.6,小于1，钢桩没有出现屈服破坏，桩身完整性有保障。

2) 采用CAPWAP法模拟分析了不同贯入深度下该导管架平台B1桩的承载力，得到了桩极限承载力的范围及变化趋势，比仅分析单次锤击数据得到的结果更为合理可靠。使用CAPWAP法拟合得到的桩承载力与桩设计外摩擦力结果相近，对判断桩承载力有一定技术参考价值。