海洋平台大直径超长桩动态沉桩阻力及溜桩机制研究

摘要

随着海洋开发向较深水域拓展，海上采油平台需要采用大直径（直径2m以上）、超长（入土深度100m以上）的桩基。由于桩和锤重量很大，在沉桩过程中经常会发生桩体无需锤击而自由下沉的现象，称为溜桩。溜桩的发生轻则会冲断定位的钢丝绳，使得桩和锤损坏;重则造成桩锤滑落大海，或断桩等重大事故。目前国内外对这方面的研究还比较少。本文在研究溜桩机理的基础上，以极限平衡理论、能量守恒理论、扩孔理论等理论为依据，提出了判断沉桩过程中产生溜桩的条件和判断溜桩区间的计算方法。理论计算的准确性取决于地基土在沉桩过程中的性态参数取值的合理性，为此本文通过室内试验和现场实测数据分析，对沉桩过程中地基土体中孔隙水压力的发展及其对沉桩阻力的影响、桩-土界面土体的疲劳特性等问题进行了较为深入的研究，为溜桩分析的参数选取提供了依据。同时，对于沉桩过程中发生过溜桩现象的桩基的承载力的评估是工程界最关心的问题，本文通过对打桩过程中和打桩后地基土体中的超孔隙水压力的产生和消散的规律的研究，从而分析了桩基承载力的时效性。本文的主要研究内容及特色可概括如下:
　　1、本文综合动态极限平衡原理和利用CAPWAP打桩分析方法对动测实验数据进行反分析，揭示了溜桩现象发生的机理。在研究溜桩机理的基础上，以极限平衡理论、能量守恒理论、扩孔理论等理论为依据，提出了判断沉桩过程中产生溜桩的条件和判断溜桩区间的计算方法。
　　2、桩基贯入过程中沉桩阻力的计算对溜桩区间判断有着极为重要的作用。目前普遍采用的API规范提出的土阻力计算方法，用于设计阶段的桩基承载力计算则偏于安全，但是用于评估溜桩区间计算时，则误差很大且偏于危险。本文提出的方法考虑了边载效应和动力效应;分别针对无黏性土与黏土提出了合理的的静桩端阻力与静桩侧摩阻力计算方法;引入了灵敏度概念提出无黏性土与黏性土的动侧摩阻力折减因子，因此计算的溜桩区间更为合理。
　　3、静力触探原位测试方法是获得土性参数较为准确的方法。根据大直径超长桩的沉桩特性，提出了根据静力触探实测数据分析动桩端阻力与动桩侧摩阻力的方法;提出计算桩端阻力的影响范围与桩侧摩阻力折减因子沿桩身的的分布;结合有限元分析比较黏性土中不同锥头阻力系数的计算结果;据此提出了适合黏性土端阻力计算的锥头阻力系数，建立了应用原位测试数据计算沉桩阻力的方法。
　　4、超长桩桩侧摩阻力对桩基承载力的贡献是主要的。通过研制大型直剪仪来研究桩与土体的摩擦特性，总结不同颗粒粒径砂土与软黏土在不同密度下的糙度变化，提出工程中适合的使用值;由于桩身下沉过程类似一个持续剪切的过程，应用环剪仪对典型砂土、粉质黏土与黏土进行大变形残余强度的试验，并分析了不同剪切速度、循环荷载与黏粒含量等因素对残余强度的影响。对桩土的摩擦特性做了较为充分的总结。
　　5、国内外针对打桩过程中产生超孔压对桩侧摩阻力的影响的研究较少，而大直径超长桩沉桩过程中桩侧摩阻力的大幅度折减与超孔隙数压力的产生有着密切的关系。本文将现场孔压监测试验数据与应用剑桥模型的扩孔理论相结合，建立了打桩过程中产生和消散的规律，据此研究了桩基承载力的时效性。
　　6、以荔湾3-1导管架平台工程与丽水项目为例，应用提出的理论与方法对平台桩基的沉桩过程进行了分析研究，计算得到的自由入泥深度与溜桩区间与实测值吻合。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 问题的提出

1．1．1 溜桩现象研究现状

1．1．2 动力沉桩阻力研究

1．1．3 静力触探技术的应用

1．1．4 桩-土界面特性研究

1．1．5 桩基承载力的时效性

1．2 主要研究内容

第二章 溜桩机理及极限平衡分析方法

2．1 溜桩机理分析

2．2 溜桩过程中桩基承载力评估

2．2．1 溜桩过程中桩侧摩阻力的计算

2．2．2 桩端摩阻力的计算

2．3 溜桩条件判断

2．4 能量平衡法对溜桩现象的反分析

2．5 本章小结

第三章 土与结构物界面剪切强度的室内试验研究

3．1 贯入过程土体的动强度变化过程分析

3．2 剪切试验

3．2．1 大型直剪仪的研制

3．2．2 常规直剪试验

3．2．3 土样制备

3．2．4 试验过程

3．2．5 试验结果分析

3．3 环剪试验

3．3．1 试验设备及基本原理

3．3．2 试验过程

3．3．3 试验结果分析

3．3．4 影响残余强度的因素分析

3．4 本章小结

第四章 基于静力触探试验的超长桩沉桩阻力的估算

4．1 PCPT的应用方法

4．1．1 黏性土抗剪强度估计

4．1．2 砂性土的相对密度估计

4．1．3 黏性土的固结状态

4．1．4 强度特性

4．1．6 OCR值估算

4．1．7 黏性土灵敏度

4．2 静力触探试验参数在大直径超长桩承载力估算中的应用

4．2．1 沉桩过程桩端阻力计算方法

4．2．2 沉桩过程中桩侧阻力的特征

4．2．3 发生溜桩的判断条件

4．3 锥头阻力系数理论计算方法的比较

4．3．1 几种常用的黏土中桩端阻力计算方法

4．3．2 几种计算方法结果比较

4．4 有限元模拟静力触探贯入试验

4．4．1 有限元方法简介

4．4．2 有限元法的基本理论

4．4．3 材料的本构关系

4．4．4 接触边界条件

4．4．5 静力触探贯入过程模拟有限元模型的建立

4．4．6 结果分析

4．4．7 黏土地基中CPT圆锥贯入模拟有限元模型建立

4．4．8 结果分析

4．5 本章小结

第五章 沉桩过程孔压发展与消散规律的现场试验研究

5．1 打桩过程孔压监测试验

5．1．1 试验仪器

5．1．2 试验准备

5．1．3 试验结果及分析

5．2 打桩引起孔压的消散规律

5．3 高应变检测在桩基中的应用

5．3．1 基本假定及行波理论

5．3．2 高应变动测功能

5．3．3 高应变仪器

5．3．4 依据打桩记录的承载力结果反分析

5．3．5 CAPWAP法承载力分析结果

5．4 本章小结

第六章 沉桩过程中桩侧摩阻力的疲劳弱化效应研究

6．1 不排水圆柱形孔扩张问题的理论解答

6．1．1 基本假定和问题描述

6．1．2 弹性解

6．1．3 弹塑性解

6．1．4 弹塑性边界的确定

6．1．5 塑性区的孔压分布

6．2 单桩受力特性分析

6．2．1 桩身下沉阶段受力特性

6．2．2 桩身固结阶段受力特性

6．3 单桩侧摩阻力的疲劳特性分析

6．3．1 不排水抗剪强度贯入深度的变化

6．3．2 径向应力随贯入深度的变化

6．4 本章小结

第七章 溜桩工程实例与对策研究

7．1 工程设计概况

7．2 桩的自由入泥深度的计算

7．2．1 API规范计算自由入泥深度

7．2．2 改进的自由入泥深度计算方法

7．3 自由站立稳定性分析

7．3．1 自由站立稳定性分析——-Timoshenko法

7．3．2 自由站立稳定性分析——有限元ABAQUS

7．4 溜桩区间计算

7．4．2 溜桩现象产生沉桩阻力计算

7．4．3 溜桩区间的判断

7．5 实测波形拟合法(CAPWAP)分析桩基时效性

7．6 预防溜桩现象的工程建议

7．7 本章小结

第八章 总结及展望

8．1 主要结论

8．2 主要创新点

8．3 研究展望

参考文献

附录

发表论文和参加科研情况说明

致谢