导管架平台桩打桩过程中桩身自由沉降分析

导管架平台桩打桩过程中桩身自由沉降分析

1桩承载体及桩数、长度和桩径在海洋石油开发中，导管架固定平台是最常用的桩基平台。据统计，在300m水深条件下超过90%的平台采用了导管结构。导管架平台下部基础包括导管架和桩两部分,桩支承全部荷载并固定平台位置。桩数、长度和桩径由海底地质条件及荷载决定。通常情况下桩沿导管架主导管打入海底,打桩完毕后,在两者的环形空隙内用水泥浆等胶结材料固结,使桩与导管架形成一个整体,以承受巨大的竖向和水平荷载。导管架平台桩的可打入性和稳定性计算分析是桩基础设计的重要内容,本文结合胜利埕岛油田某导管架平台,对该平台钢管桩采用简化的压杆稳定方法进行海上打桩过程中桩身自由站立分析,同时,采用基于Smith波动方程差分数值解法的GRLWEAP打桩分析软件,在给定的桩锤系统下,精确模拟打桩过程,依据所得锤击数、打桩阻力和桩身动应力对给定的桩锤系统进行判断。2吊臂长度的影响导管架平台桩基总长度一般在数十米至上百米,桩基海上安装时需要分成几段,采用打桩锤打入海底。第一节桩的长度由水深和浮吊吊臂的长度决定。在打桩过程中,打桩作业停置会使打桩阻力增加,因此打一节桩应尽可能减少中断,以减少阻力,由此可知桩的分段越少越好。一般情况下桩的分段应考虑下列因素综合确定:(1)起吊设备提升、下放和插接桩段的能力;(2)起吊设备在被打桩段顶部放置打桩锤的能力;(3)为接桩而中断打桩时桩端所处位置土壤类型;(4)泥面以下第一道焊缝的位置。3采取下门桩方案2该导管架平台位于埕岛油田水深11.1m处,导管架腿在立面上有10∶1的倾斜度,桩通过导管架腿以7.07∶1的空间斜度打入海底泥中。桩采用直径为1500mm开口变壁厚钢管桩,通过主导管架腿打入梅花泥中,入泥深度90m。由导管架工作点的位置和入泥深度可以确定每根桩的总长度为108.372m。海上打桩时计划采用分4段桩打入方案(图1)。此方案满足浮吊吊高要求,接桩停打的土层相对较好,为中密-密实的粉土;泥面以下6～8倍桩径内无现场接桩焊缝且桩端持力层满足要求。4管道钢架的更换桩身自由站立稳定性是指在打桩施工前和施工过程中更换打桩锤时,伸出导管架的接桩段在锤重和接桩段的重量作用下能否保持稳定性的问题。因此需要对钢桩的自由站立强度进行校核,使其满足规范的要求。4.1理论分析的基础海上打桩施工中,伸出导管架的接桩段可按悬臂梁来进行分析,理论分析模型见图2。桩的自由站立稳定性实质就是压杆稳定问题。4.2自由站立分析和计算依据参考文献,对该平台钢管桩进行自由站立稳定性分析。4.2.1入泥深度为2.2mn打桩锤选用IHCS-500,参数:打桩锤的重力为900.74kN,长度为10.8m,锤套长度为3.7m。自由入泥深度2m。桩的截面特性、钢材材质分别见表1-2。4.2.2自由站立长度的分段计算依据计算模型,考虑每段桩的接桩剩余量为:桩的自由长度+锤套的长度。每段桩的自由站立长度见表3。4.2.3自由变电站强度校核桩的分段情况见图1,根据上述分析步骤,分别对每段桩进行自由站立强度校核,结果见表4。由表4中的计算结果可知,每段桩的应力比值都小于1,因此桩的自由站立强度满足要求。5锤击机的冲击及对策桩的可打入性分析是通过两个相对独立的分析来确定在选定锤的情况下桩的可打入性深度。首先估计在打桩期间土的动阻力,其次应用波动方程原理分析计算锤-桩组合系统可克服的阻力,然后对锤-桩-土组合系统进行分析,预测打桩深度和锤击数与贯入深度的关系。同时要知道打桩过程中的几个问题:(1)应用何种桩锤才可以将桩打到设计深度;(2)在用选定的桩锤打桩时,其打桩速度如何;(3)打桩时最大的阻力是多大;(4)打桩时桩的最大应力是多大。5.1种数值分析方法20世纪60年代初期,E.A.L.Smith提出用一维波动方程理论解决打桩问题,为预测打桩性能和估算桩的承载能力提供了一种合理的分析方法。Smith提出了一个描述桩锤-垫层-桩-土系统的离散数学模型,用有限差分法求得相应解答。这种数值分析方法将整个打桩系统抽象为由许多分离单元所组成。桩锤、桩帽、锤垫和桩垫以及桩身部分由无质量的弹簧连接,而各部分的质量则由不可压缩性的刚性块体模拟;桩身周围土的阻力和桩端阻力由一系列侧向弹簧和阻尼器模拟。计算模型如图3所示,其实质就是以“多质点-弹簧系统”当作实际的“锤-桩-土系统”的简化物理模型进行分析。对于这样一个物理模型,用有限差分形式列出一系列运动方程,采用计算机迭代求解。GRLWEAP软件是目前国内外知名的打桩分析软件,可进行承载力分析、检查曲线分析和可打性分析。GRLWEAP打桩分析基于波动方程理论,考虑接桩、锤效改变、垫层损坏及打桩过程中土阻力的硬化和软化。得到的可打入性分析图为承载力、锤击数、动应力极值与深度的关系曲线,同时还可根据计算和实测锤击数估算打桩时间。5.2基本数据5.2.1单位表面土壤力和桩端阻力计算根据现场钻探揭露、室内土工试验结果,将该场区90m以下的地基土自上而下划分为16层,并依据土层地质参数计算单位表面摩擦力和单位桩端阻力。5.2.2接桩段数据桩的分段情况见图1,入泥深度90m,桩径1500mm,打桩过程中每段桩的资料见表3,且接桩过程中应考虑切割余量。5.2.3锤的特性选用IHCS-500锤进行可打入性分析,打桩锤的能量为496.544kJ,锤效为85%,冲程为2.03m。5.3桩侧摩擦阻力的测定影响打桩过程中打桩阻力的因素比较多且复杂,桩的侧摩阻系数以及端阻系数的取值和土的性质有关,目前在进行打桩分析时,常用以下简化方式来处理打桩时的动阻力:打桩作业过程中,桩端阻力不减少,为100%静桩端阻力,桩侧摩擦阻力不区分砂土层和黏土层,统一取为静桩侧摩擦阻力的50%～70%,即:打桩动阻力=100%静桩端阻力+(50%～70%)静桩侧摩擦阻力。因此在打桩过程中,可以考虑表5中所列工况时桩的可打入性分析。5.4锤击机打桩设计方案利用GRLWEAP软件对桩的可打入性进行分析计算,锤击数及打桩应力分析结果见图4-7。(1)图4,5的分析结果显示,无土塞时,桩侧阻力系数由0.5变化到0.7时,锤击数的变化范围是47～54击/0.3m;图6,7的分析结果显示,有土塞时,锤击数的变化范围是179～227击/0.3m;锤击数都小于300击/0.3m的拒锤限度,因此,在选定的桩锤情况下可以将桩打到设计深度90m。(2)依据图4-7结果,打桩过程中各种工况下的最大动应力为223.58MPa,置锤期间的最大静应力为116.322MPa。打桩期间桩身最大动应力由桩锤冲击造成,依据参考文献进行校核时,动应力不应超过屈服强度的80%～90%,即223.583MPa<355MPa×80%=28MPa,同时也满足中国船级社《浅海固定平台入级与建造规范》中的校核标准,即:桩安装过程中静应力应限制在桩体材料屈服强度的一半以内,即116.322MPa<355MPa×50%=177.5MPa,因此打桩过程中桩身最大应力满足规范要求。(3)由图4-7结果显示,在接桩位置,锤击数以及侧摩阻力随深度变化曲线出现峰值点,例如在42.8m处,接桩的等待时间中土体发生固结,侧摩阻力的变化为6036.7～6861.4kN,当重新打入时,这部分固结产生的阻力又很快消失。6设计入泥深度mIHC