海洋平台桩基的打桩分析

1、 天津大学硕士学位论文海洋平台桩基的打桩分析姓名：黄建川申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：李飒201006 要 参 数 的选 取方 法 进行了 总 结 。最 后 搜 集 了 渤海 海 域海 洋 石 油 开 发 工 程中的 根钢 管 桩的打 桩记 录， 以 这些实 际 工 程资 料 为依 据 进 行分 析 ， 总 结 了 不同土 层中土 阻 力 的变化 特 点 。根据 实际 的打 桩记 录， 利用 波 动方 程反 分 析 法 确定 了 打 桩时粘 土 层和砂土 层中的土 阻力 ， 并与 用 现 有 方 法 计算 得到的土 阻 力 进 行了 对 比 ， 最 终 对 打 桩过程中土 阻 力

2、的确定 方法 进行了 改 进， 并以 工 程实 例对 该 方法 进行了 验证 。 籶 鷇 他 咖 隩 鏲 甋 鷇舱 订 第 一章绪 论桩 是基 础中 的 柱 形 构件， 它的 作 用在 于 穿 过软 弱 的 压 缩 性 土层 或 水， 把来自目前 设 计 桩 基 础时， 主要 是以 打 桩 前 现 场 试验 和 实 验 室试验 得 到 的 土体 参 数为 依 据， 实 际上 对 于 桩 基 础设 计 来说， 考虑 打 桩 过程对 土体 性 质的 影 响 是更 加 合理 而 且 有 必要 的 。 研 究打 桩 过程中 土体 性 质的 变 化 ， 可以 更 好 的 确定桩 体 的 长 期承载 力

3、， 同时也可以 为 目前 的 设 计 方法 进行 改 进提 供依 据。 在 实 际的 打 桩 过程中 ，常 常 由 于 对 沉 桩 可打 入性 判断 的 失 误， 导致 施 工 中 桩 体 无 法 下 沉 到 设 计 贯 入深度 ； 或 是桩 体 虽 然 达 到 设 计 深度 ， 但 桩 的 实 际承载 力 与 设 计 承载 力 之 间 存 在 较大偏差 。 不 论出 现 何 种情况 ， 都 会延 误 工 期， 增 加 施 工 费 用。 】 调 查 了 卡塔尔 座 海 洋 平 台 桩 基的 施 工 过程， 几 乎 所 有 的 桩 体 在 达 到 设 计 贯 入深度 之 前 都 遭遇到 了 拒锤

4、现 象， 有 的 是发生 在 连 续 打 桩 过程中 ， 有 的 是发生 在 停锤后 继 续 打 桩的 过程中 。 同时， 由 于 海 洋 工 程所 在 的 环 境复杂 ， 对 桩 基 进行 静荷 载 试验 难 度 很大 ， 桩 基 极 限承载 力 的 确定也是一个难 题 。 虽 然 国 内 外 对 打 桩 问题 的 研 究取得 了一定的 进展， 但 由 于 打 桩 过程中 桩 土相 互作 用机 理 的 复杂 性 ， 至今 理 论研 究的 成果 与 工 程实 际应 用之 间 仍存 在 一定的 偏差 。 打桩 机 理 分 析及 打桩 对 周 围土 体 的影 响桩 基的贯 入 过程 是 在 桩 锤

5、 的多 次 锤 击作用下 ，桩 体 不 断向 地 基土 中 深 处 运 动的连续过程 。 在这 一连续过程 中 ，桩 锤 桩 土 已 不 是 一个 固定的体 系 ，而 是 一个不 断变 化 的系 统 ，在 这 个 变 化 的系 统 中 ，桩 锤 、 桩 与 土 体 始 终 保持 着 共 同 作用。实 践 表明 ，沉 桩 过程 中 桩 身主 要受 轴 力 作用，各 点处 于 单向 应力 状 态，应力 与 应变 基本 成 直 线关 系 ，处 于 弹 性 阶段 。 因 此 作沉 桩 分 析时 ，可将桩 体 视 为 弹 性 体 。在 动 力 沉 桩 施 工 过程 中 ，桩 的贯 入 过程 造 成 了桩

6、 周 土 颗粒 的复 杂 运 动 ，使 桩土 体 的强度。 由于 粘 土 的渗 透 系 数 较小，超 孔 压的消散比较缓 慢 。 在 砂 土 中 打桩 【 对 混凝 土 桩 沉 入灵 敏 土 后 桩 周土 体 强 度 随 时 间 的 变化进 行 的 研 究 表明， 土 的 不 排 水 剪 强 度 在 沉 桩 九个 月 之后 几 乎恢 复了 其 原 有 的 值。而 且 ， 当群 桩 的 间 距 小 于 四倍 的 桩 径 时 ， 随 时 间 的 延 续， 强 度 恢 复的 程 度 很 低 。 叶为 引 通过 在 上 海 地 区 饱 和 软 粘 土 中 打 桩 完成后 的 不 同 时间 进 行 静载

7、 荷 试验 ， 得 出 桩 体 的 承 载 力 具 有 明显 时 效 性的 结 论， 对 打 入桩 在 沉 桩 完成后 到进 行 的 静 载 荷 试验 的 间 歇 时 间 进 行 了 探 讨， 对 新实 施 的 上 海 市工 程 建设规范 地基 基 础 设计 规范 泄赜诩 湫 J奔 湟宋 周以上 的 规定 给 予了肯 定 。 邢皓 枫 等 人【 阅彻 蘌 管 桩 的 打 入过 程进行了现 场监测 ， 得到了桩 周 土体 中超孔 隙水 压 力 和 侧 向 位 移 的 变 化 过 程。 打 桩 施 工 期 挤 土效 应 最 大 ，最 大 值 发生 在 地 表 下约 处， 然后 随 深度 递减： 随

8、 着 休 止 期 的 延 长 ， 超孔 隙水压 力 得以 消散， 侧 向 位 移 会 发生 部 分恢 复 。 为 了获悉 打 桩 对 桩 周 土体 性 质的 影响 ，还 在 打 桩 之 前 和 打 桩 完 成 天 后 对 桩 周 土体 进行了双 桥 静 力 触 探 试验， 通过 对比 发现 桩 周 的 砂土和 粉 土层强 度 得到 了明 显 的 提高， 其 侧 摩 阻力 增 大 以 上 ，端 阻力 也提高了 以 上 ； 桩 周 上 部 粘 性 土强 度 提高不大 ， 下 部 粘 性 土强 度 出 现了负 增 长 ， 其 认 为 这 主 要 是由 于 打 桩 造成粘 性 土原有 结 构的 破坏，

9、 且产生 的 超孔隙水 压 力 没有 充分消散。 用 的 参 数可 由 室 内试验 得到 ， 因此实 用 性 较 强 。 但 经 典的 圆 孔 扩 张理论有 其 致命甈 等 人渊提出 ， 在 研 究中采 用 的为 了考 虑 沉桩 过 程中的 材 料非 线 性 和 几 何非 线 性 问 题 ， 有 人采 用 大 变 形 有 限 何模型 为 轴 对 称 有 限元 模型 ， 土体 本 构模型 采 用 边 界 面模型 ， 用 摩 擦接触 滑 移 线算 法来模拟 桩 土接触 面， 锤击 力 以 一个 周 期 函数来表 示 。 他 的 最 初目的 是模拟 桩贯入土体 的 整个 过 程， 然而 由 于 完

10、成整个 过 程分析 所 需 的 计 算 时 间 太 长 ， 于 是就改 变 了原来的 研 究计 划 ， 把桩 放入不同 深度 的 预 钻 孔 中， 以 此研 究不同 深度 时 沉桩 对 土体 的 影响 。 年 首先分析 了一个 一端 固 定 的 有 限长 的 杆在 自由 端 被 一刚 体 助于 计 算 机， 用 差 分法求 得了相 应 的 解 答， 并给出 了土和 系 统单 元 参 数的 建 议 值 ，首次 将 波动方 程理论应 用 到 实 际 的 打 桩 分析 中。 波动方 程数值 差 分法是将 整个 打桩 系 统用 一个 离 散的 力 学 模型 来描 述 它 ， 用 质量 弹簧 系 统来表

11、 示 锤、 垫 层、 桩帽和 桩 系 列 ， 用 粘 弹塑性 模型 描 述 作 用 在 桩 身上 的 土阻力 。 沿 着 这 个 方 向 ， 后 来、 、 【 】以 及】众 多学者进一步研 究和 发展了随 着 波动方 程分析 法在 国内外 的 应 用 越来越广 泛 ， 许多波动方 程分析 程序 开更 齐 全， 使 用 非 常 方 便 。 对 打 桩 的 影响， 分 析 打 桩 过 程 中 土体 所发 挥 的 阻力 。化 特 点， 对 打 桩 过 程 中 土阻力 的 确 定 方法提出 了 改 进 。 动 力 有 限元 的 基本 理 论 第 二章 打 桩过程 的 有 限元 分 析系 统 的 总 质

12、 量矩 阵【亢妥 芨斩染卣 蟆 綤】是 由 单 元 质 量矩 阵和 单 元 刚度矩瑞利 阻尼 ：式计 算 口 和 ： 打 桩过程 的 有 限元 模 拟播 及其对 结 构 物 的 影响 ，可 用于 地震荷 载 分 析 和 低频 施 工振动 影响 分 析 。土 与 结构 不 仅 受 到各 种 静荷 载 的 作 用，还常常受 到诸如 地震、打 桩、车 辆 行 驶 等 引 起 的动 荷 载 作 用。当 动 荷 载 的 频 率 低于 岩 土 介 质 的 固 有 频 率 时，可 采 用准静态分 析 来计 算，如 果 动 荷 载 的 频 率 高 于 岩 土 介 质 的 频 率 ，则 应 该 采 用动 力 分

13、 析 模 块 计 算振动 效 应 。如 果 在 分 析 中 选 择 不 排水条件，可 以 进行 超孔 隙 水压力 的 计 算。采 用二维轴 对 称 有 限元 模 型来模 拟 打 桩过程 。桩体 为 大 直径 钢管 桩，参 考某土 体 和 桩体 均采 用 结 点三 角 形 单元 进行 离 散，该 单元 提供四阶 位 移 插值 ， 初 始条件下 桩体 是不 存 在 的 ，首 先 给 桩体 位 置 赋予土 体 的 材 料参 数 ，待 进行完 地应 力 平衡 之后 ，在 采 用分 布施 工的 方 式给 桩体 赋予材 料参 数 。为 了 考虑打 桩引 起 的 超孔 隙 水压力 ，需 要设定 初始水位 ，

14、假 定 潜 水位 在 地表处 。由 于 有 限元 模 型取 的 足 够 大 ，两 侧 的 边界 采 用水平向约 束 ，底部边 界 采 用固定 约 束 。打 桩是动 力 问题 ，会 在 土 体 内激 起 振动 波 ，由 于 实 际 的 土 体 是半 无限大介 质 ，因 此 需 要在 远场域 设置 特 殊的 吸收 边界 以 避 免振动 波 在 模 型边界 处 的 反射 ，模 型的 右 侧和 底部设置 了吸收 边界 。 第 二章 打 桩过程 的 有 限元 分 析 騠 玻 街 蠩 为振幅 ，频率为 ，荷载 作用的 糠 种拥 拇 富 魇 嘉 拢 苛 酱 未 富 鞯氖 奔 浼 涓 粑 猯线 弹 性泊 松

15、比 砂 土计 算 结 果分 析 第 二章 打 桩过程 的 有 限元 分 析图 桩顶 位移 随时 间 的 变化图 桩项速 度随时 问 的 变化一辑 第 二章 打 桩过程 的 有 限元 分 析 图 弹性 模 量和 桩顶 位 移 的 关 系 曲 线图 弹性 模 量的 变化对 径 向 应 力 的 影 响图 弹性 模 量的 变化对 竖 向 应 力 的 影 响 第 二章 打 桩过程 的 有 限元 分 析直 鹑 、 ， 其 它 参 数 不 变图 泊 松比 和 桩顶 位 移 的 关 系 曲 线 第 二章 打 桩过程 的 有 限元 分 析 图 尘哿 的 变化对 径 向 应 力 的 影 响图 尘哿 的 变化对 竖

16、 向 应 力 的 影 响直 鹑 。 、 矽！ 。 ， 其 它 参 数 不 变 第 二章 打 桩过程 的 有 限元 分 析图 摩 擦 角 矽和 桩顶 位 移 的 关 系 曲 线图 摩 擦 角 矽的 变化对 径 向 应 力 的 影 响 第 二章 打 桩过程 的 有 限兀 分 析，一一一一一 一 第 二章 打 桩过程 的 有 限元 分 析 第 二章 打 桩过程 的 有 限元 分 析 图 桩端 下 超 孔隙 水 压力沿 竖 向 的 分 布连读 打 桩时 ， 由 于超 孔隙 水 压力的 累积 ， 土 塞内部 和桩端 土 体的 竖 向 有 效应力减 小的 趋势 比 较明显 ， 这与 上 述孔压累积 的 特

17、 点 相一致， 说 明连续打 桩过程 对土 塞和桩端 阻 力的 影 响 比 较显 著 。 从 图 中可以看 出 ， 连续打 桩对桩周 土 体有 效应力的 影 响 范 围有 限。 图 连续锤 击 时 土 体竖 向 有 效应 力云 纹 图图 连续锤 击 时 土 体径 向 有 效应 力云 纹 图 篇。 ！ 考穴 第 二章 打 桩过程 的 有 限元 分 析呻订¨一 锤 击 之 后 让土体发 生 固结 ，之 后 再 对 桩体进行 静 压 ，此 时桩体的 极 限承载力 约为 粘土计算 结 果分 析 仓 型 瑙 。 拶 搿 啊 第 二章 打 桩过程 的 有 限元 分 析一 程 实 践 表 明， 在

18、粘 性土 中 连续打 桩时 土 塞 一般不 会 发生 闭合 。 第 二章 打 桩过程 的 有 限元 分 析图 桩端 处 竖 向 位 移 沿 径 向 的 分 布 第 二章 打 桩过程 的 有 限元 分 析量乙量、图 显示了 连续三次锤 击 过程 中 桩端 下 部土 体的 振 动 情 况 ， 同 样 第 二章 打 桩过程 的 有 限元 分 析而 言 水 平速度 达 到 稳 定 的 时 间 较 短 。在竖 向 上， 离 桩端 越 近的 土 体振 动 速度 越 大 ，离 桩端 越 远 的 土 体振 动 越 弱。旺夏 第 二二章 打 桩过程 的 有 限冗分 析 第 二章 打 桩过程 的 有 限元 分 析

19、 篮图 桩端 处 超 孔隙 水 压 力 沿 径 向 的 分 布正 第 二章 打 桩过程 的 有 限元 分 析孑 图 打 桩过程 中 桩端 土 体强度的 变 化稳 定的 时 间 较长 。 第 三章 波 动方程 分 析 法 的 理论 基 础并 在经典的 一 维 波 动方程 中引 !S 谧 诘 拇 ú 俣龋 琧 炭蓀 ；尺 反映土 阻 力 的 参 数 项。了 相应的 解 答。 第 三章 波 动方程 分 析 泫 的 理论 基 础端 部桩 尖 土 的 阻 力 。两侧 摩 阻 力 第 三章 波 动方程 分 析 法 的 理论 基 础其 阻 力 与质点 速度 成 正 比，对 于 土 的 动阻 力 玛

20、，假 设 服 从 牛 顿粘 滞 定 律，同 时假 设 其 与静阻 力 也 成 正 比，可 用 式 表 示 ：式 中，是阻 尼系 数 。土 的 动阻 力 蜀 是瞬 时作用 的 ，对 桩 的 静承 载 力 没有 贡 献 。 虽 然 描 述桩 侧 阻力 和 桩 端 阻 力 的 数 学 模型 是一 样的 ，但其 模型 参 数 取 值 不 同 。 在桩 侧 ，土 主 要 承受剪切变 形 ： 而在桩 尖 ，土 的 变 形 主 要 是压 缩 。 第 三章 波 动方程 分 析 法 的 理论 基 础图 垫 层的 应 力 应 变 关系为 了 计算 打桩时应 力波 在 桩中的 传播 过程 ，采 用图 中所示 的 离

21、 散 力学 模型来 近似 模 拟 锤一桩一土系统 ，然后 使 用差分 法 求解 波 动方程 。 这样 不 仅 在 空 间上 将 桩身 分 成许 多 小 的 单 元 ，且 每 一单 元 用重块 弹簧 来 表 示 ，同时 在 时 间上 也分 割成小 的 时间间隔 出。 在 每 一时间间隔 内 ，假 设 位移、速 度、力 等 物理量 都是不 变 的 。 频 汲 隽 个 基 本 方程 ： 哼 鱢 碌 一露 一心式 中， 俏 灰 疲 撬 俣龋琧 是 弹簧 的 压 缩 量 ，是 弹簧 作 用力 ，尺 是 土 第 三章 波 动方程 分 析 法 的 理论 基 础在 求解 之前 还 必须知 道 初 始 条 件和

22、 边 界条 件。 令 锤 体 与垫 层 接触 的 瞬 间为 计算 的 起 始 时 刻 。 由于 在起 始 时 刻 之前 ， 整个桩 一 土 系统处在静 止 状态， 故 在起 始在 海洋 工 程 中， 如 果桩 体 无法 达 到 设 计的 贯 入 深 度， 不仅 会 延 误 工 期， 还 可 第 二章 波 动方程 分 析 法 的 理论 基 础 撂宓 淖 畲蟮 员 湫 蝕 椴 环滞 林世啾 穑 嗤 恋淖 枘嵯 凳 蝝 ， 桩端土 阻尼 第 三章 波 动方程 分 析 法 的 理论 基 础 牛 喝碚惩 恋 淖 俗枘 嵯 凳 。 螅 型 晾 嘧 俗枘 嵯 凳 。 本 章 阐述了 波 动方程 分 析 法

23、的 基 本 原理， 其 核心 思 想 是 将 打 桩 看 作 应 力波 在桩 内的 传播 过程 ， 波 动方程 的 求 解 可 采 用 有 限 差 分 法 。 軪 以一 维 波 动理论 为基 础 ， 是 专 业 用 于 打 桩 分 析 的 软 件 ， 可 以得 到 某 一 贯 入 深 度 的 承载 力与锤 击数 的 关 系 ； 也可 以进 行 沉 桩 能 力预 测， 进 而 优化 打 桩 系 统； 还可 以预 测打 桩 过程中 桩 体 内的 最 大应 力， 在实 际 工 程 中 应 用 广 泛 。 最 后 给 出 了 波 动方程 的 主要参 数阻 尼系 数 ， 和 土体 最 大弹 性 变 形

24、曰的 确 定 方法 。第 四 章中 要采 用 波 动方程 分 析 法进 行 反分 析 和 可 打 入 性 分 析 ， 因 此 本 章 对 波 动方程 理论 予 以介绍 。 第 四章 连续打桩过 程中 土 阻 力 的确 定 方 法 研究第 四章 连续打桩过 程中 土 阻 力 的确 定 方 法 研究出 了 这两 种情 况下土 体 抗力 的下限 值和 上限 值。打桩过 程中 ， 当土 塞 不闭 塞 时 ，在管 桩内外 两 侧 均 会 发 生桩土 之间的相 对 运 动， 因此在内外 两 侧 土 体 都 会 产 生侧摩阻 力 ； 桩端 阻 力 只 作用 在桩端 环 状 面积 上。当土 塞 闭 塞 时 ，

25、 土 塞 同 桩体 一 起运动， 侧 摩阻 力 仅发 生在桩壁 外 侧 ， 而 桩端 阻 力 作用 在管 桩底 部 的整 个 面积 上。对 于 土 塞 不发 生闭 塞 的情 况， 计算 土 阻 力 的下限 值时 不考 虑 桩体 内侧 的摩阻力 ： 计算 土 阻 力 的上限 值时 假定 桩体 的内侧 摩阻 力 是 外 侧 摩阻 力 的 。对 于 土塞 完 全 闭 塞 的情 况， 计算 土 阻 力 的下限 值时 不对 单 位侧 摩阻 力 和 单 位端 阻 力 进 行折减。计算 上限 值时 砂 土 和 粘 土 采 用 不同 的方 法 ， 对 于 砂 土 ， 将单 位侧 摩阻 力 增大 ， 单 位端

26、阻 力 增 大 ， 增 大 的程度是 根 据 工 程经 验 假定 的： 对 于 粘 性土 ， 单 位侧 摩阻 力 保 持 不变， 计算 单 位端 阻 力 时 承载力 系 数 取为， 相 当于 单位端 阻 力 增 大 了 。 第 网章 连 续打桩过 程中 土 阻 力 的确 定 方 法 研究式中 ，厶 沉 桩时 单 位 侧 阻 力 ； 由 静 力 学方 法 计 算得 到的长 期侧 阻 力 ；式中 ， 是 土 体的超固结比 。如果 假 定 在 打桩过 程中 上 部 土 层的土 阻 力 和此 土 层的桩端阻 力 保持不 变 壳 凹 扑愦 蜃枇毡椴 捎玫 募 俣 跫 ，则在 这一 层土 体当中 ，随着桩体贯 入 深 度的增 加 ，土 阻 力 必然 随深 度不 断 递增 。 第 四章 连续打桩过 程中 土 阻 力 的确 定 方 法 研究 打桩过 程中 土 阻 力 变 化 的特点 第 四章 连续打桩过 程中 土 阻 力 的确 定 方 法 研究图 粘 土 层 中 典 型 的打桩记 录 渤 海 海 域 经 常 出现 的砂土为 细 砂和 粉砂。 通过 对 组 打 桩 记 录的分 析 ， 发现 砂土层 中 打 桩 阻 力