海洋平台钢管桩打桩施工分析

海洋平台钢管桩打桩施工分析

随着我国经济的快速发展，基础设施建设投资不断增强。以桩基础为主体的导管架平台是开发海洋石油资源最主要的基础设施之一,基础结构物中的桩出现大直径、超长桩及沉桩新方法、新工艺等特点,这就要求更可靠地设计桩基,以确保上部结构物的安全。笔者基于Smith波动方程差分数值解法,对桩进行可打入性分析,采用简化的压杆问题计算桩身弯矩、挠度并根据API规范对桩进行稳定性分析。桩身受力分析笔者采用波动理论分析方法进行桩的可打入性分析,即在给定某一桩锤-桩-土系统的情况下,判断桩锤能否把桩打入到设计入土深度,同时分析打桩过程中桩身各段的受力情况。1.荷载变化特性动力打桩过程中,桩周土采用理想弹塑性模型来描述土体力学与变形特性(如图1b)。土的静阻力(应力-应变)关系采用图1a中的虚线表示。桩侧土静阻力和桩端土静阻力,分别以路径OABCDEF、OABCF来描述加载和卸载时土的载荷变化特性。土的静阻力计算公式为Rs(i‚t)=Κ(i)[D(i‚t)-D′(i‚t)](1)Rs(i‚t)=K(i)[D(i‚t)−D′(i‚t)](1)式中K(i)——与桩单元i相对应的土的弹簧刚度,等于作用于该单元上的最大静阻力Ru(i)与最大弹性位移Sq(i)之比;Κ(i)=Ru(i)/Sq(i)(2)土的动阻力计算公式为Rd(i‚t)=Rs(i‚t)J(i)V(i‚t-Δt)(3)由式(1)、(3)得到作用于桩i单元土的总阻力计算公式为R(i‚t)=Κ(i)[D(i‚t)-D′(i‚t)]×[1+J(i)V(i‚t-Δt)](4)2.变力平衡的计算E.A.I.Smith在1960年提出了离散单元差分解法,它实质上是一种数值计算方法,可用于解决打桩过程中各类不同的实际问题。离散单元受力计算模型如图2所示。由任意单元(i)在时间t时刻的变力平衡条件可得W(i)g∂2D(i‚t)∂2t+[F(i),t-Δt)-F(i-1‚t-Δt)-W(i)+R(i‚t)]=0(5)式中R(i,t)——i单元在t时的桩周阻力;F(i-1,t-Δt)、F(i,t-Δt)——单元(i-1)、(i)在t-Δt时的打桩应力;D(i,t)——i单元在t时的位移;W(i)——i单元的自重,因不大,可以忽略不计。并以K(i),K(i-1)分别模拟桩身单元(i),(i-1)的弹簧刚度,对(5)式进行差分求解便可以分析打桩过程中任意时刻桩身各段的受力情况。桩身强度校核打桩前和施工过程中置换桩锤时,应对系统在自重及环境载荷作用下桩的自由站立稳定性进行校核。根据API规范,计算弯距和轴向力时,应采用桩锤、桩帽和导管架的全部乘系数的重力,其作用力通过组合质量中心,同时考虑接桩段的乘系数重力及斜度和质量中心的偏心度。将近似垂直的接桩段看成具有初始不垂直度或至少2%斜度的悬臂梁来确定设计弯距。对于动力沉桩过程中的桩基稳定性校核,一般只需验证动力沉桩过程中桩身最大锤击拉-压应力(动应力)是否超过桩身材料屈服强度的80%～90%即可。对桩的自由站立稳定性进行校核时,需考虑一定的环境载荷和桩自身的小幅度倾斜,笔者将桩身弯矩,挠度的计算简化为杆在简单载荷作用下的超静定问题,计算模型有如下2种情况:1.最大挠度的确定载荷作用在桩顶时,其力学模型如图3所示。杆端转角θB=pl2/(2EΙ)(6)杆端最大挠度ymax=pl3/(3EΙ)(7)挠曲线方程y=px2(3l-x)/(6EΙ)(8)2.最大挠度的确定载荷均匀分布作用在桩身时,其力学模型如图4所示。杆端转角θB=ql3/(6EΙ)(9)杆端最大挠度ymax=ql4/(8EΙ)(10)挠曲线方程y=qx2(x2+6l2-4lx)/(24EΙ)(11)桩身振动变化某海洋石油平台所在地区水深24.5m,潮差1.0～1.5m,地质资料如表1所示。平台桩基试桩为钢管桩,贯入深度0～16.1m范围内用M40型柴油锤打桩,在贯入深度16.10～26.48m范围内采用MB70型柴油锤打桩。该桩总长为69.11m,整个桩打入到设计贯入深度26.48m,桩身壁厚变化范围为14～36mm。为简化计算仅考虑用MB70型柴油锤进行分析。具体参数如下:①锤心重72kN,锤心落高为2.7m,锤心材料弹性模量为2.1617×106MPa,桩锤的锤击效率为95%;②锤垫采用白棕绳,弹性系数为5.0MN/cm,恢复系数为0.5;③冲击块重30kN,桩帽重21kN;④无桩垫;⑤钢管桩的几何参数见表2,不考虑土塞效应,桩材弹性模量为2.1×105MPa,桩身总共划分为69个单元,每个桩单元长度设定为1m;⑥根据时间步长选取原则,计算时间步长Δt=0.096ms;⑦桩周阻力分布假定:桩端土阻力分配比为40%,且桩侧土体侧摩阻力均匀分布;⑧土质参数:因桩为大直径管桩,根据文献应加大桩端土最大弹性量的取值,桩端土最大弹性变形Sp=3.048mm,桩侧土最大弹性变形Ss=2.54mm,桩端土阻尼系数Jp=0.66s/m,桩侧土阻尼系数JS=0.22s/m。运用编写的打桩分析程序对试桩进行可打入性分析。图5、图6分别为预测桩在打入过程中所需锤击数、所发挥的静阻力;图7、图8分别为桩打入到26.48m处桩身锤击应力包络图、1次锤击过程中桩顶应力随时间响应曲线。由图5分析可见,从泥面开始到贯入深度5.5m范围内,贯入度变化不大。这是因为土层5.5m以上都是淤泥,但在5.5～26.48m范围内,最终贯入度变化明显,计算和实测结果都表明在桩贯入到最大深度26.48m时,非常难打。在最大贯入深度26.48m处,笔者计算得到贯入30cm锤击数为349次,实测贯入30cm锤击数为303次,相对误差为16.3%。由图6分析可见,随着贯人深度增加,桩周静阻力基本呈线性增加,这与计算中假定桩侧土体均匀分布有关。笔者计算得出在最大贯人深度26.48m处所发挥的桩周静阻力为8.375MN。由图7分析可见,在最大贯入深度26.48m处,1次锤击过程中,计算的桩身锤击应力包络图与实测包络图很接近,笔者计算得到最大锤击压应力为147.2MPa,实测值为141.2MPa,相对误差仅为4.2%,因此可用于打桩工程应力控制。由图8分析可见,桩顶应力呈波动形式,这说明锤心存在回弹与实际情况相吻合,笔者计算得到桩顶最大锤击压应力为109.7MPa,实测值为133.3MPa,相对误差为17.7%。经计算可得,置锤的瞬间,在桩锤和桩的自重作用下,桩大约会沉入泥面下5.5m,套筒高出泥面的长度为6m,所以计算得到桩的自由站立长度为57.61m;由桩锤及其附加设备计算得到作用于桩顶的水平方向载荷为149×2%=2.98kN;考虑波浪,海流等环境的影响,假定环境载荷为5kN,由此载荷产生的最大弯距为141.27kN·m。图9、图10分别为桩在承受水平方向环境载荷以及桩、桩锤自身载荷作用下,自由站立长度57.61m范围内桩身各点受力弯矩和挠度图。用API规范对桩自由站立稳定性进行校验,计算结果如表3所示。由表3可知稳定系数Uc大于1.0,表明在这样的桩锤-桩组合下,桩会发生屈曲破坏,需要对桩尺寸或锤型进行调整,所以在沉桩初期改用MB40型柴油锤进行沉桩是合理的,同时为了防止出现自由站立稳定性问题,控制桩身斜度也是必要的。桩在整个贯入过程中桩身最大锤击拉、压应力值如图11所示。由图11分析可见,随着贯入深度增加,桩身最大拉应力反而减小。在泥面附近进行打桩时,得到的锤击拉应力最大,故在沉桩初期,(特别是混凝土桩)应采取低锤重打的原则,以减小拉应力,防止桩身拉裂。在整个沉桩过程中,桩身最大锤击压应力为147.18MPa,远小于360MPa(材料的屈服强度极限)×80%=288MPa,显然在沉