插桩式抢险打捞工程船插桩计算方法

胡涛文 吴振 吴明哲

（交通运输部上海打捞局 上海 200082）

0引言

1200吨插桩式抢险打捞工程船（以下简称插桩船）是四桩腿液压插销式自升自航抢险打捞工程船，主要由船体、4个圆柱式桩腿、4套液压升降系统等组成。采用流线型船艏，方型艉部，全焊接钢质船体，中部双层底的船型，具有一层连续甲板，艏部设生活楼和直升机起降平台，中部为通畅作业甲板，艉部左舷设1200t绕桩式全回转起重机，全电力驱动，艉部3台全回转推进器，艏部3台艏侧推，具有DP-2级动力定位能力。

主要用于上海打捞局辖区沿海及近海浅水水域应急清障和抢险打捞作业，具备起重、运输、储存及补给等抢险打捞作业支持功能，能够完成打捞作业现场的设备吊运、小型沉船整体打捞、大型沉船辅助打捞、沉船货物特别是危险品的卸货和舱内存油卸载以及现场作业人员的生活支持等工作。同时可用于近海风电场风机基座、支撑塔架、机舱及叶片的运输和吊装，兼顾海底管线维修、平台维修、平台生活支持和近岸各类结构物的吊装等工作。该船通过将桩腿插入海底来支撑船体结构进行海上风机的吊装，桩腿入泥深度直接影响平台的吊装性能，因此开展插桩船的入泥深度研究意义重大。

当前相关研究人员已针对海底土层承载力的计算开展较多工作，袁凡凡等开展层状地基土的承载力计算，在迈耶霍夫和汉纳成层土地基极限承载力计算的基础上进行改进，提出多层土的极限承载力计算。杨军^[2]采用数值模拟的方法开展自升式平台插拔桩土体数值模拟研究，得到入泥深度和拔桩力。本文在经典土力学的基础上，采用层状土的承载能力计算理论开展插桩船插桩入泥深度的计算，并将其与实际的施工记录及非线性有限元分析结果相对比，验证方法的准确性。

1 插桩船桩靴入泥深度计算

1. 2. 地基承载力影响

影响地基承载力的因素较多，主要包括：土层重度、土的内摩擦角、桩靴的断面直径、面积，深度等。对于粘性土，土壤凝聚力对入泥深度影响最大，应注意剪切强度与入泥深度的关系。

1. 3. 桩靴入泥作业流程

1. 4. 土层承载力计算

      2. 土层回流判断计算

基于桩靴在每一层不同地质的划分以内，根据SNAME提供的回流判断公式如下：

式（1）

满足式条件，回流不发生。c_us指桩靴入泥深度1/2处的土层不排水抗剪强度，γ^’指土的浮重度，N为土层稳定性系数，根据SNAME提供参数查的。

图1：稳定性系数（B指桩靴宽度）

1. 1. 3. 均质地基承载力计算

均质土地基极限承载力的一般计算式^[6]为

式（2）

式(2)中：c为地基土的黏聚力；q为基础底面以上荷载，一般为基础底面以上各层浮土重（如果土层不回流，取值为0）；N_c，N_q，N_γ为地基承载力系数，与土层类型有关,s_c，s_q，s_γ为形状系数，与桩靴形状及土层类型有关；d_c，d_q ，d_γ为插桩深度修正系数，与桩靴入泥深度及土层类型有关。

1.3.3 穿刺分析

对于存有上硬下软分层的海洋地基，在平台吊装作业，或风暴自存状态下，受环境荷载影响，桩靴对地压力可能暂时超过设定的对地压力值，或桩靴地基因处于偏心受荷状态而导致地基承载力有所下降。此时若坚实土层提供的极限承载力不足，桩靴地基可能会发生穿刺破坏。在桩靴地基出现承载力随贯入深度下降段，当桩靴承担的最大荷载超过上部土层的最大极限承载力时，桩靴地基会发生穿刺破坏。

式中F_m为硬层最大承载力，F_Dm为桩靴设计的最大承载力。当K≥1.5时，不会发生穿刺破坏，此时硬层承载计算公式如下：

式（3）

其中：q_b按式（2）计算，H为弱层分界面到桩靴底部高度，D为桩靴入泥深度，γ’为土层的浮土重密度，B为桩靴宽度，K_s为土层剪切系数，Ø为土层摩擦角（通常计算中取勘探值见5°）。

2 码头插桩计算分析

某码头附近海底地质参数如下表：

表1 某码头附近海底地质参数

土层	土层有效重度g‘（ KN/ M3）	不饱和剪切强度cu（kPa）	内摩擦角	泥层深度（m)
③淤泥质粉质黏土	7.742	11	0	4.1
④粉砂夹粉土	8.33	7	22.6	5
⑤淤泥质粉质黏土	7.742	12	0	14
⑥粉质黏土	8.33	24	10.8	4.9
⑦粉砂	9.702	0	27.76	4.3

首先根据式（2）对每一层地质承载力计算，再来分析各层之间相互影响。

表2 桩靴位于各层土表面时的承载力

土层	泥层深度（m)	承载力（KN）
③淤泥质粉质黏土	4.1	10532
④粉砂夹粉土	5	72634
⑤淤泥质粉质黏土	14	34657
⑥粉质黏土	4.9	88920
⑦粉砂	4.3	523076

根据本船的升降系统能力第一次压载到5600吨（每个腿）,桩靴承载力为5600+1150（桩腿重量）=6750吨=66150KN,第二次预压载到9200吨，每个桩靴承载力9200+1150=10350吨=101430KN。根据上述计算结果，在④粉砂夹粉土压载到5600吨时，存在穿刺风险，插桩时做好应急准备，最好插桩深度在28米位置，此位置由⑦粉砂为承载层，承载力远大于桩靴需要承载力。

3 实际插桩结果

本船于2021年3月中旬在上诉码头做插桩试验，经过3天插桩试验，最终插桩深度为28左右，并且在插桩过程中出现了穿刺现场。理论计算基本上与实际一致。

4结论

针对插桩船的施工特点，提出一种用于评估其桩腿入泥深度的计算方法，并与实际的插桩入泥深度相比较，得出以下结论：

2. 利用该方法可较为快速地开展桩腿入泥深度评估，可为插桩船在海上作业提供指导，快速插桩作业，节省成本。

3. 计算结果与实际的记录相比，误差较小，可为插桩船的海上施工提供较为准确的依据，提高施工安全性。

参考文献：

2. 袁凡凡，闫澍旺，孙万禾. 关于成层土地基极限承载力的计算方法[J]. 水利学报，2001, 32 (3): 41-45.

3. SNAME. Guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units: Technical and research bulletin5-5A[S]. 2002.