Research on Foundation Soil Mass Property after Erosion and Bearing Capacity of Platform Pile Foundation

石 — 54 — 油 机 2012 年 械 第 40 卷 第6 期 海洋石油装备 冲刷后地基土体特性及平台桩基承载力研究 马殿滨 1 李志刚 2 段梦兰 1 陈祥余 2 姜绍云 1 王建国 * 1 ( 1. 中国石油大学 ( 北京) 海洋油气研究中心 ...
Author: Bennett Pope
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2012 年



第 40 卷

第6 期

海洋石油装备

冲刷后地基土体特性及平台桩基承载力研究 马殿滨

1

李志刚

2

段梦兰

1

陈祥余

2

姜绍云

1

王建国

*

1

( 1. 中国石油大学 ( 北京) 海洋油气研究中心 2. 中海油工程股份有限公司)

摘要: 评价冲刷对桩基础的影响常采用将冲刷掉的土层直接移去且认为下层土体物理特性不 变的方法。该方法忽略了冲刷前后土体经历的应力历程的差异及由此导致的土体特性变化 。 基于 冲刷作用下砂土地基土体特性的变化 ,对平台桩基承载力性状进行了研究。 对冲刷后砂土地基土 体的摩擦角、相对密度和超固结率进行了估算 。在此基础上提出冲刷后砂土地基极限土抗力计算 公式,并对冲刷后桩基土抗力 p-y 曲线进行了修正。最后利用 SACS 5. 2 软件分析冲刷后横向受载 桩的动力响应。分析结果表明,忽略冲刷后土体特性的变化可能会导致横向受载桩过于保守的设计。 关键词: 砂土地基; 冲刷; 土体特性; 桩基承载力; 横向受载桩 中图分类号: TE58 文献标识码: A 文章编号: 1001 - 4578 ( 2012) 06 - 0054 - 05

Research on Foundation Soil Mass Property after Erosion and Bearing Capacity of Platform Pile Foundation Ma Dianbing1

Li Zhigang2

Duan Menglan1

Chen Xiangyu2

Jiang Shaoyun1

Wang Jianguo1

( 1. Research Center for Offshore Oil and Gas,China University of Petroleum,Beijing 2. CNOOC Offshore Oil Engineering Co. ,Ltd. )

Abstract: Due to the effect of wave,tide,water flow and storm surge,erosion may take place around the pile foundation of offshore fixed platform. Erosion reduces the horizontal and longitudinal bearing capacity of pile foundation. Evaluation of the effect of erosion on the foundation usually adopts the method which removes the scoured soil layer and assumes that the physical property of subsoil remains unchanged. However,the method ignores the stress progress difference of soil body before and after erosion which causes the changes of soil mass property. The bearing capacity property of platform pile foundation was studied on the basis of the change of soil property of sand soil foundation due to the effect of erosion. The friction angle,relative density and overconsolidation rate of sand foundation soil mass after erosion were estimated. Thereby the calculation formula for sand foundation limit soil resistance after erosion was proposed and the p-y curve of pile foundation soil resistance after erosion was modified. Finally,the SACS 5. 2 software was adopted to explore and analyze the dynamic response of lateral loaded pile after erosion. The findings show that neglect of the change of soil property after erosion may lead to too conservative design of lateral loaded pile. Key words: sand soil foundation; erosion; soil mass property; pile foundation; bearing capacity; lateral loaded pile

0





近海导管架平台的桩脚处于复杂的水流环境 中,与桥梁一样也存在着冲刷隐患。桩基冲刷可能

会对桩基础及相关设施的稳定性带来严重影响 。目 前,评价波流冲刷对平台桩基横向承载力的影响通 常采用直接将冲刷掉的土体移去的简化方法 ,即认 为桩柱埋置长度减少、结构承受额外流体载荷。然 而,这种方法忽略了冲刷后桩基周围土体物理特性

* 基金项目: 国家 863 计划项目: “基于振动检测的现役海洋平台结构安全评估技术研究” ( 2008AA092701 - 3) 。

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马殿滨等: 冲刷后地基土体特性及平台桩基承载力研究

可能发生的变化。由于上覆应力的减小,桩基周围 土体的迁移会改变下层土体的特性 。换句话说,冲 刷过程 中 桩 基 周 围 土 体 可 能 经 历 了 从 正 常 固 结 ( NC) 到超固结 ( OC) 状态的变化。 将土体横向 有效应力与竖向有效应力的比值定义为静止土侧压 力系数。对于正常固结 ( NC) 的土体, 静止土侧 [1]

压力系数可以用以下公式计算



K nc ———正常固结土体的静止土侧压力系数 ;

3 γ w ———水的容重,kN / m ; e max 、e min ———土体最大、最小孔隙比。

砂土的内摩擦角可以通过相对密度及初始平均 [6] 有效应力来计算,如公式 ( 4) 所示 。

{

对于超固结 ( OC) 土体, 静止土侧压力系数 的计算公式为



K oc = ( 1 - sin) O CR 式中

[

(

2sin  = θ + 3D r 10 - ln p' 0 / 1 - 3 - sin

)] } - 3

( 4) 式中

———土体的内摩擦角,( °) 。 [2]

G S ———土粒密度,kg / m3 ;

( 1)

K nc = 1 - sin 式中

式中

— 55 —

sin

( 2)

K oc ———超固结土体的静止土侧压力系数 ; O CR ———土体的超固结率。 冲刷条件下,土体的超固结率随土体深度的变

1. 2

θ———土体的临界摩擦角,( °) ; p' 0 ———土体的初始平均有效应力,kPa。 冲刷后桩基周围土体应力及相对密度

冲刷前桩基周围土体的相对密度可以通过现场 测量或室内试验来获得, 这又称为土体的初始状 态。冲刷后土体相对密度的变化可以基于桩基周围 冲刷坑的深度来计算。冲刷作用下砂土地基剖面图 如图 1 所示。

化而变化,且与冲刷的深度和范围有关。 在评价海洋平台桩基的横向承载能力的众多的 方法中,p-y 曲线法是目前计算横向受荷桩的重要 方法之一,该方法理论较为严谨,比起传统的假想 嵌固点法、m 法、联邦德国法等能更好地反映桩土 相互作用,其结果和实测值吻合,并为美国石油协 会海洋平台设计施工技术规范 API - RP2A 的第六

图1

版所采用。目前为止,关于冲刷后砂土土层中桩土

Fig 1

相互作用 p-y 关系的研究还 没 有 系 统 的 成 果。 为 此,笔者通过对冲刷后土体摩擦角、有效土容重等 特性参数进行重新计算,探讨了冲刷后土体特性变 化对平台桩基承载力的影响,并对冲刷前后桩土相 互作用 p-y 曲线进行了比较和分析。

1

1. 1

冲刷对桩基周围土体应力及物理特 性的影响 有效土容重 γ' 和内摩擦角  是确定横向受载

桩桩基土抗力的基本参数,各参数均与土体的相对

相对密度的变化本质上等价于孔隙比的变化。 [7] 孔隙比的变化可以用下式表示 : 式中 比;

p' int 、p' sc ———冲刷前、后关键点处土体的平

[5]

前后土体的平均有效应力可由下列公式计算 冲刷前: p' int = γ' int H int ( 3 - 2sin) /3 冲刷后:

基物理特性的一个重要指标。由于平台现场土料难 以取得, 所 以 原 位 检 测 方 法, 如 标 准 贯 入 试 验 ( SPT) 或静力触探测验 ( CPT) , 已经被普遍应用 [4 - 5]

可以由下式计算 γ' =

。 砂土地基有效土容重



( G S - 1) γ w 1 + e max - D r ( e max - e min )

( 5) Δe = e sc - e int = - k ln( p' sc / p' int ) e int 、e sc ———冲 刷 前、 后 关 键 点 处 土 体 孔 隙 k———卸载系数,k = 0. 434C ur ;

密度 D r 有关。 相对密度是评测冲刷状态下砂土地

[3]

Profile of sand soil foundation under the effect of erosion

均有效应力,kPa。 p' int 及 p' sc 对应于公式 ( 4 ) 中应力 p' 0 。 冲刷

土体参数与相对密度的关系

于砂土相对密度的估计

冲刷作用下砂土地基剖面图

( 3)

。 ( 6)

p' sc = γ' sc H sc[1 + 2( 1 - sin) O CR sin]/3 ( 7) 式中 γ' int 、 γ' sc ———冲刷前、 后关键点处的有 效 3

土容重,kN / m ; H int 、H sc ———冲 刷 前、 后 关 键 点 处 的 深 度, m。 [5]

超固结率的定义表达式如下





— 56 —

O CR = γ' int H int / ( γ' sc H sc )





2012 年



x———土表面下计算点 ( 关键点) 深度,m; y———桩侧向位移,m。

]

( 3 - 2sin) O CR = k ln / ( e max - e min ) ( 9) 1 + 2 ( 1 - sin) O CR sin 式中

D rint ———冲刷前关键点处的相对密度,% ; D rsc ———冲刷后关键点处的相对密度,% 。

[5]

即有

第6 期

K———地基反力的初始模量,kN / m3 ;

( 8)

[5] 土层相对密度的变化表达式为 : ΔD r = Δe / ( e max - e min )

[

第 40 卷



D rsc = D r int - ΔD r ( 10) 需要特别说明的是, 公式中的  采用的是冲 刷前正常固结条件下土体的内摩擦角 。

Reese L C 等[8]建议对于松散的砂土地基 K0 取 值为 0. 4。忽略冲刷的影响, 冲刷后桩基周围土体 的特性参数 γ' = γ' int ;  =  int 。若考虑冲刷后土体 特性的改变, 冲刷后桩基周围土体参数 γ' = γ' sc ;  =  sc 。因此,考虑冲刷后土体特性的变化, 可以 实现对的桩基周围土体承载力 p-y 曲线的修正。 在 此,笔者将考虑土体特性变化而得到的 p-y 曲线称 作 “修正的 p-y 曲线 ”, 将忽略土体特性变化得到

冲刷后土体的相对密度 D rsc 可以由公式 ( 3) 、 ( 8) 、( 9) 、( 10) 迭代计算, 有效容重 γ' sc 取决于

的 p-y 曲线称作 “未修正的 p-y 曲线”。

D rsc 的值。在得到 D rsc 和 ΔD r 之后, 特定深度 ( 关 键点) 处有效土容重 γ' sc 、内摩擦角  sc 和 O CR 值都

2

可以通过相应公式计算出来。 1. 3 考虑冲刷影响的桩侧极限土抗力计算公式的

为了研究冲刷后桩基周围土体特性变化对横向 受载桩 p-y 曲线的影响,选取前人进行振动试验的

修正

标准砂土进行研究, 土体类型为砂性, 有效容重 3 γ' int 为 9. 90 kN / m ,相对密度 D r int 为 64% ,最大孔

[8]

Reese L C 等 基于现场试验提出了砂土中横 向受载桩的 p-y 曲线。 在计算 砂 土 的 极 限 土 抗 力 时,认为泥面附近土体 ( 浅层土 ) 发生楔形破坏, 泥面以下土体 ( 深层土) 发生平面应变破坏。 浅层土和深层土的极限土抗力转折深度 X R 按 [9]

下式计算

: XR =

( C3 - C2 ) D C1

( 11)

冲刷后的固定平台桩基承载力分析

隙比 e max 为 0. 77, 最小孔隙比 e min 为 0. 54, 临界摩 3[10] 。 擦角 θ 为 28. 0°, 土 粒 密 度 G s 为 2. 64 kg / m 3. 0 m, py 桩基局部冲刷深度假定为 修正后的 曲

线及未修正的 p-y 曲 线可以根据相应公式计算得 到。除冲刷深度之外,还计算了冲刷后泥面以下 4 个深度土层 的 极 限 土 抗 力 ( d1 = 2 m,d2 = 6 m, d3 = 12 m,d4 = 22 m) , 如图 2 所示 。 桩入泥深度

当 x < X R 时,为浅层土; 当 x≥X R 时,为深层 土。参考 API 规范,考虑土体物理特性变化对冲刷

为 35 m; 初始泥面以上水深为 3 m, 且冲刷前后 保持不变 ; 横向载荷作用于桩的顶部 , 桩顶与初

后桩侧极限土抗力 P u 计算公式进行了修正。其中, x = 0 m 处为冲刷后泥面位置。

始泥面之间的距离为 5 m。 初始泥面 25 m 以下的 桩段对横向受载桩响应的影响可以忽略不计 。

浅层土: K0 sin( β sc -  sc ) tanβ sc Pu = ( C1 x + C2 D) γ' sc x ( 12) tanα sc 深层土: P u = K0 tan sc ( tan2 β sc + 0. 5) C3 Dγ' sc x 其中,α sc =

( 13)

 sc  sc ; β sc = 45° + 。 2 2

[9] 某一给定深度 x 处的砂土 p-y 曲线公式为 : P = AP u tanh Kx y ( 14) AP u

(

式中

)

P u ———深度 x 处的极限土抗力,kN / m; A———考虑 循 环 载 荷 或 短 期 静 载 状 态 的 系

数,对于循环载荷,A = 0. 9; C1 、C2 、C3 ———以  sc 为参数的系数; D———桩的外径,m;

图2 Fig 2

横向受载桩假定冲刷状态示意图

Diagram of assumed erosion state of lateral loaded pile

桩的类型为单桩, 长度 L 为 40. 0 m, 桩外径

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第 40 卷

第6 期

马殿滨等: 冲刷后地基土体特性及平台桩基承载力研究

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D 为1. 0 m, 壁 厚 t 为 0. 020 m, 弹 性 模 量 E p 为 2. 06 × 10 5 MPa,屈服强度为 250 MPa。对于标准细 [11]

砂,临界摩擦角值可取为 28. 0°。Bolton 的研究 成果表明,大部分天然砂性土体的临界摩擦角一般 不超过 33°; 淤泥质沉积物含量较高的土体其临界 摩擦角大约为 27°。冲刷前后不同深度土体的内摩 擦角可由公式 ( 4) 计算,计算结果如表 1 所示。 表1

Table 1

冲刷后砂土地基特性参数计算

Calculation of characteristic parameters 图3

of sand soil foundation after erosion d /m

ΔD r / %  int / ( °)  sc / ( °)

γ' sc / D rsc / % ( kN·m - 3 )

Fig 3 O CR

5

2. 4

36. 4

37. 1

9. 87

61. 6

2. 51

9

1. 1

35. 3

35. 6

9. 89

62. 9

1. 50

15

0. 6

34. 3

34. 5

9. 90

63. 4

1. 25

25

0. 4

33. 3

33. 5

9. 90

63. 6

1. 14

冲刷后土体 “修正的 p-y 曲线”

Modified p-y curve of soil mass after erosion

图 4 给 出 了 2 种 深 度 土 体 ( d1 = 2 m,d2 = 6 m) 在冲刷前的 p-y 曲线、 冲刷后未修正及修正 的 p-y 曲线。从图 4 可以看出, 桩基周围土体冲刷 掉 3 m 后,y = 0. 03 m 时在邻近泥面位置, 土体的 横向土抗力降低了 80% 。 深度为 d1 = 2 m 处的土 层 y = 0. 03 m 时,修正的 p-y 曲线显示的土体抗力 值比未修正的 p-y 曲线相应值大约要高出 17% 。 这

冲刷后土体特性分析 基于提出的公式,笔者计算了砂土地基冲刷后

表明直接将桩基周围土层移去且认为冲刷后土体特

的不同深度处的土体 特 性, 计 算 结 果 见 表 1。 其 [12] 中,卸载指数 C ur 取值为 0. 02 ,这可以更好地揭

性不变的简化方法会在一定程度上低估桩基周围土 体的横向土抗力。

2. 1

示卸载指数对桩基周围土体相对密度的影响 。 由表 1 可以看出,冲刷后,深度为 5 m 处的土 体 ( 从初始泥面起测算 ) 相对密度及有效容重分 别降低了 3. 7% 和 0. 3% ; 然而, 土体的摩擦角及 超固结率 ( O CR ) 值得到了增加, 尤其在靠近冲刷 后泥面位置。 例如, 在 5 m 深度处 ( 从初始泥面 起测算 ) , 土体的摩擦角及超固结率 ( O CR ) 分别 增加了 2% 和 150% 。 随着深度的增加土体的超固 结率 ( O CR ) 逐渐接近于 1, 达到一定深度后土体 的有效容重、摩擦角及相对密度将不再发生变化。 如公式 ( 9) 所示, 当超固结率 ( O CR ) 值减小到 1 时,ΔD r 取值为 0。 这表明冲刷对砂土地基物理 特性的影响仅局限在特定的深度范围内 。如果将冲 刷后土体 O CR = 1. 0 的深度定义为临界深度 d cr , 则 大于此深度的土体将不再受冲刷的影响 。 由公式 ( 3) 、( 9) 和 ( 10) 可知,临界深度主要取决于冲 刷坑的深度。 2. 2

冲刷后土体极限土抗力的计算及 p-y 曲线的

图4

修正 由公式 ( 12) 和 ( 13) 可以计算冲刷后不同 深度桩基周围土层的极限土抗力 。在得到土层的极 限土抗力后,根据公式 ( 14 ) 可以进而计算得到 “修正的 p-y 曲线”,如图 3 所示。

Fig 4

2. 3

不同 p-y 曲线的比较

Comparison of different p-y curves

桩的动力响应分析

为了研究冲刷对横向受载桩的影响 , 将修正 及未修正的 p-y 曲线输入到 SACS 5. 2 软件中以计 算 特定载荷下桩的动力响应 。笔者在此计算了在



— 58 —



F = 150 kN 的载荷作用下冲刷后泥面以下桩身的横 向位移及弯矩,计算结果如图 5 所示。 其中,0 m 深度为冲刷后泥面位置。 由图 5a 可见, 在 0 m 深 度附近,基于修正的 p-y 曲线计算得到的桩的横向 位移比利用未修正的 p-y 曲线计算的位移值减小了 25% 。从图 5b 可以看出, 利用修正的 p-y 曲线计 算得到的桩身最大反弯矩值更大 ,最大反弯矩点所



第 40 卷

第6 期

土体 p-y 曲线修正方法对于桩基工程设计及海上结 构物安全评估具有较为重要的指导意义 。 参 [1]







Jaky J. The coefficient of earth pressure at rest [J]. Soc Hungarian Architects Engineering,1944,35: 5 - 8.

[2]

Mayne P W,Kulhawy F H. Ko-OCR relationships in

处的深度也更浅。图 5 所显示的结果进一步证明当 考虑冲刷后土体特性的变化时,一定深度范围内桩 基横向土抗力将增大。

2012 年



soil [J] . J Geotech Eng Div, ASCE,1982,108 ( 6) : 851 - 872. [3]

Kulhawy F H,Mayne P W. Manual on estimating soil properties for foundation design [M] . Palo Alto: Electric Power Research Institute,1990.

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[9] 图5 Fig 5



and constructing fixed offshore platforms-load and resist-

Change of lateral displacement and bending moment of pile foundation with depth

3

API . Recommended practice for planning,designing

桩身横向位移和弯矩随深度的变化曲线



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[11]

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( 1) 冲刷后桩基周围土体的相对密度 、 有效 土容重略有减小; 在靠近冲刷后泥面的位置,对桩 基土抗力具有显著影响的内摩擦角值及超固结率增 加的较为明显。 ( 2) 冲刷会显著降低桩基周围土体的横向土 抗力。与未考虑土体特性变化的情况相比 ,考虑桩 基周围土体物理特性的变化时,冲刷后桩基横向土 抗力会更大。因此,考虑冲刷后土体特性的变化横 向受载桩的动力响应深度会减小 。 ( 3) 忽略冲刷后砂土地基土体特性的变化可 能会导致近海桩基工程设计偏于保守 。提出的桩基

[12]

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第一作者简介: 马殿滨,生于 1985 年,中国石油大学 ( 北京) 在读硕士研究生,现从事海洋土力学和导管架平 台结构方面的研究工作。地址: ( 102249) 北京市昌平区。电 话: ( 010) 89731669。E - mail: madianbin2009@ 126. com。 收稿日期: 2012 - 04 - 23 ( 本文编辑



峰)

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