桩基平台桩的可打入性和自由站立强度分析 - 中国海上油气.pdf

第13卷第6期 中国海上油气(工程) v01．13．No6 2001年12月 CHINAOFFSHOREOILAND Dec，2001 GAS(ENGINEERING) 桩基平台桩的可打入性和 自由站立强度分析 陈波闫澍旺 樊之夏 天津大学岩土J二程研究所．天津，300072 海洋石油工程股份有限公司．天津塘沽，300452 摘要主要进行桩在安装过程中的可打入性分析和自由站立强度校核等方面的研究。对某海洋 平台桩安装期间的．aS事故进行具体分析，进一步证明研究这2方面的重要性．并指出二者相互关 联、相互影响的关系。 关键词打桩桩的可打入性 自由站立强度 1问题的提出 桩基海洋平台的桩通常为打入桩。目前在做打桩施工分析时，多采用应力波理论分析程序进行桩的可 打人性分析，即在给定某一桩一锤一土系统的情况下，判断桩锤能否把桩打入到设计人土深度，分析打桩过 程中桩身应力能否超过容许应力，确定桩的分段长度等。对此，国内外众多学者[1。31已经进行了大量的研 究工作，并取得了许多成果。桩的可打人性分析对桩的设计十分重要。在实际工程中，有时由于对桩的可打 人性判断失误，或未将桩打到设计人土深度，而造成截桩和桩头损坏等事故；有时桩的入土深度巳超过设计 入土深度，桩仍不能满足设计承载力要求……不论何种情况出现，都会延误工期，增加施工费用。 在桩的安装过程中还要对桩的自由站立强度进行校核，即校核安置桩锤期间由锤和桩的重力以及环境 荷载(海流、波浪、风)等引起的桩身应力是否满足桩身材料的强度要求。在将桩锤(桩顶钻孔机具等)放置在 桩和套管上时，应根据放置设备的荷载进行桩的强度校核L4J。这些荷载可能使接桩的最大长度受到限制， 尤其在斜向打桩或钻iL沉桩工况下。最常见的影响因素包括静弯矩、轴向荷载、桩锤初始放置时产生的侧向 荷载及环境荷载等。 然而对打桩作业，有些工程设计人员只注重进行桩的可打人性分析，追求经济、有效的打桩系统，而忽略 了对桩的自由站立强度的校核，导致工程事故，造成严重的经济损失；因此，这两方面的研究分析应该并重。 本文针对某桩基海洋平台在桩的安置过程中发生桩的自由站立强度失稳的事故，编制了一维应力波理 论打桩分析程序和桩自由站立强度校核软件。运用这些数值化分析工具，进行了桩的可打人性分析和沉桩 初期桩的自由站立强度校核，分析了事故原因，提出了施工建议。 2理论简介 2．1一维应力波理论 St．Venant于1883年分析了一个一端固定的有限长的杆在自由端被一刚体撞击时的情况，给出了应力 波在杆中传播的解答[5]。这种情况虽然与实际打桩有区别，但这项分析提出了打桩时应力波在桩中传播的 基本规律。1931年，D．V．Isaacs指出，能量从桩锤传递到桩底不是简单的刚体撞击动力问题，而是撞击应 力波在桩身内的传播问题[6]。引入桩周土阻力R的一维应力波动方程为 血=；1022—2血0t2十R，一f …’ 式中：“为桩身位移；z为坐标；t为时问；c为弹性应力渡波速；R为桩周土阻力。 20世纪60年代初期，随着大型电子计算机的出现和发展，用数值方法求解波动方程已成为可能。E． A．L．Smith提出了一个描述桩锤一垫层一桩一土系统的离散数学模型，借助电子计算机，用有限差分法求 万方数据 中国海上油气(工程) 2001正 得了相应的解答，并给出了土和系统单元参数的建议值，独特地用波动理论进行了打桩时贯人性状的研 究…。波动方程数值差分法是将整个打桩系统抽象为由许多分离单元所组成的，桩锤、桩帽、垫层(锤垫和 桩垫)以及桩身部分的弹性均由无质量的弹簧模拟，而各部分的质量则由不可压缩性的刚性块体模拟，即所 谓“质一弹模型”；桩周土的弹性、塑性动阻力与静阻力，也分别用弹簧、摩擦键及缓冲壶来模拟，即所谓“土的 理想弹塑性模型”：因此，桩锤对桩的一次锤击可以用应力波在桩锤一垫层一桩一土系统中传播所产生的波 动响应来分析，从而第一次为