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海洋及离岸工程桩基安装
8.1 概述
海洋及离岸工程中需要安装桩基以便达到所需的承载力，上举力和侧摩阻力。离岸桥梁桩基的沉降值有约束。其他重要的特性包括承受横向力的刚度和强度以及对于敏感结构可以承受超载。
对于码头结构和排架结构的桥梁，最常用桩基是预应力混凝土桩。预应力桩有着受压屈时交大的强度，刚度以及较好的持久性。然而，在使用时产生的拉力和应力需要较大的预应力去抵消以便减少裂缝,而且为了因泊松比的影响而使有足够的约束，这个和直觉相反。港口工程中典型的桩基相比于陆上的桩基更加的大而且高强。
H型钢桩已经用于桥梁的承载装，尤其是其基础位于或低于海底高程或河底高程并且难于接近。桩底可以抵抗桩端嵌固产生的作用力。
H型钢桩和小直径管桩经常作为抗拉桩。他们一般固定于钢板片或者螺旋板上用于增加抗拔力。另外，灌入桩可能连接或者高压灌浆，因此增大了锚固的区域。因此，他们成为较高承载力的锚固基础。
直径在300-500mm的小直径微型钢管桩一般打入岩石或类似的基础，用于抵抗压力和上拔力。高强度的钢筋或一簇钢筋插入并且桩灌注到嵌岩面。微型钢管桩然后灌注以便增加持久性和抗压能力。有时会为了在设计荷载下可以延长而注入无腐蚀的油脂。
离岸桩的特点为大直径长桩，其原因主要是大水深，长距离的无支撑，较大的周期性的弯曲荷载以及大的侧摩阻和端阻。大多数离岸工程中的桩的直径介于1m到3m（有些甚至达到4m），深度在40到300m之间或者更长（图8.1）。离岸和海洋结构中的桩的承载力设计的最大值达到10000tn，远远大于传统近岸结构中的桩的承载力。
图8-1
假设桩末端接近或完全封闭且没有屈服，桩通过侧摩阻和端阻来抵抗轴向的压力。因此对于支撑在沙土上的闭口桩，需要足够的摩阻力来使端阻发挥完全。大直径管桩也许不用封闭端口但是会失去端阻力。然而，桩的表面会发挥侧摩阻。
桩受力的弹性阶段的侧摩阻和端阻不能直接相加因为两者发展的不是一致的。他们可能在极限荷载下只有一方增加。因此，大水深的桩基一般首先设计成摩擦桩。侧摩阻认为在距桩末端1倍的直径处发挥到最大。
桩自重加上桩内部的土体和侧摩阻力足以承担上拔力。
桥梁桩基常用钻孔灌注桩，尽管有时是在深水区。这种需要通过钻轴钻入土中进行水下钻孔，然后用水下浇注混凝土的混凝土导管灌注混凝土。钻孔需要用泥浆进行护壁。
为了抵抗横向荷载，大多数深水（大约30-40m）离岸结构依靠桩与土接触岩层面的被动土压力产生的抵抗弯矩来承担。由于土的反力和变形有函数关系，研究就是基于横向力P和海底以下每层土的位移y的关系。这就是P-y效应。桩需要有足够的强度抵抗每层土的弯矩和剪力并且能够阻止双向的纵向弯曲（压屈，压弯）。横向荷载的承载力可以通过增加刚度来提高而且在泥水分界线处弯矩承载力较敏感，可以通过在该区域增加钢桩壁厚或者灌注混凝土。
在坚硬的粘土或者石灰质的土中，桩在泥水分界线处上下区域由于周期性的横向荷载的不同而增加了侧向变形和整体的弯矩。桩基周围是小卵石或者高密度的小岩石都可以通过填塞桩土空隙有效的减少这种影响从而减少变形的幅度。
另外一种用于港口结构和离岸工程中抵抗横向荷载的方法是依靠打斜桩，这种桩可以同时具有竖向和水平方向的承载力。斜桩一般都需要搭档共同发挥作用，一般是在相反的方向打入斜桩，成为叉桩，尽管桩帽也可以担当反力的作用。在横向荷载作用下，这些节点会产生很大的剪力和弯矩的承载能力。这些节点在地震和船舶撞击力作用下表现不佳因为桩头处的纵向弯曲。
对于在软土地区或者离岸桩基和桥梁桩基，一般选用含有最大1:6斜桩的桩基而不是全部直桩。桩基在横向荷载作用下或者由水流，暴风雨波浪和地震产生的变形所增加的弯矩和轴向力一般都在桩基承载力范围内。斜桩可以消除明显的结构残余位移。
扩底桩和螺旋桩已经用于隔板和码头挡土墙的建设以此增加抗拔力。
图8-2
特殊的方法和设备需要应用到离岸工程桩基的安装中去。大型的打击锤因为高效而经常应用。然而在土质坚硬的地方或者其他特殊情况不允许使用打入桩时就需要采用钻孔灌注桩。在the north Sea，Arabian Gulf和Australian Northwest Shelf还应用了特殊的端部钟形的桩基。
应用于离岸工程，桥梁桩基以及一些离岸平台的桩基建设。安装桩时需要考虑其对承载土的影响。在一些案例中可能有利于桩基然而在多数项目中，没有提前考虑时桩基的安装会降低土壤的承载力。规范API中PR2A警告说钻孔灌注桩的承载力和打入桩有巨大的不同。大直径桩（大于1.5米）可能不能完全发挥摩阻力。
对于较小的在粘土中的钻孔，摩阻力取决于包括安装偶然引起的应力释放对土体的扰动。干燥且密实的页岩的强度在因为钻孔遇水后会可能大幅度降低。孔壁上会有一层泥浆或粘土使得孔壁不再有和现有的泥土和岩石的强度。
在超固结土中钻孔灌注桩可能会增加摩阻力。如果钻孔时过量的泥浆在粘土和岩石上，摩阻力的参数会显著的减小。在含钙质的沙土和淤泥中，打入桩相比于钻孔灌注桩会有很小的摩阻力。
规范API中PR2A进一步阐述了土壤的横向抵抗力和桩的设计密切相关（图8.3），同时需要考虑安装和使用过程中对于土体的扰动。
最近在海洋结构和离岸桩基中打桩锤，钻孔的方法取得了较大的进步。因此，现在的建设者在针对不同的项目有了更多的有效选择方式。
图8-3
8.2 钢管桩的构造
钢管桩通常是由“罐头”组成，把钢板沿着纵向焊接而成。每个独立的部分（罐头）一般是1.5m（5ft）或者更长。相邻部分间的纵向焊缝至少旋转90°。
围绕钢管桩的一圈各120°角的位置有绷紧的线来保持焊接的各部分的笔直。API中PR2A规定了焊接后的偏位最大值。对于3m以内（10ft）的片尾最大值为3mm（J）。对于大于12m（40ft），最大的偏位值为13mm（H）（见图8.4）。
图8-4
API中PR2A和PR2B对于外径和外围的完整性及斜面相交有范围的规定。钢管桩的直径应当在连接的部分之间并且不能大于超过3mm（J）。如果连接的双方有较大的差异，应该在连接处做1:4的放坡（见图4.1）。
为了保证正确的连接以及减少焊接时间，厚的钢管桩应当事先搭档或者事先检查。各部分之间连接最快的方式就是旋转连接到另一个部分上。另外一种精确安装和连接的方法就是把其中一部分打断，每一段焊接到长的部分的端部。桩用水泥浆连接钢管或者土壤的表面应当不能涂漆或者太光滑。
旋转焊缝在最近一些年里发展起来。一个长的钢板被卷成螺旋形并且沿着缝进行焊接。钢板的厚度与直径和壁厚有密切的联系。沿着焊缝的剪应力非常大而且在大的冲击力和弯矩作用下会导致失效。然而，随着技术和质量控制的提升，一米直径，28mm壁厚的钢管桩可以很容易的制作，但是，现在制作这种的机器和少。
API PR 2A因为冲击力在斜焊缝上的剪力而不推荐在离岸工程中使用螺旋焊缝的桩。然而，拥有较高的焊缝质量和便于检查，它已经在近岸和岸上的结构中应用。
水下的钢管桩的保护通常采用牺牲阳极。现在强制的阴极保护法经常应用但是也体现了可靠性的问题，不仅仅是因为技术上调整的要求或者在钢筋混凝土附近的不利影响，而是因为认为的因素，也就是会被电视信号干预因此经常关闭。
钢管桩通常会预留腐蚀的厚度，例如3-6mm（0.125-0.5英尺）并且保护的措施包括环氧，聚亚安酯或者覆盖金属外壳或者覆盖蒙乃尔铜-镍合金或钛。由于一些桥梁的使用寿命为100年或更长，因此预留了10mm的钢管桩的腐蚀厚度。
淡水中钢管桩的腐蚀速度要比海水中的慢。淡水中钢管桩的腐蚀速度受到水流流速和悬浮在水中的摩擦物质（如砂和淤泥）及漩涡的影响。水流紊乱区的腐蚀速率很快，然而稳定区的水流腐蚀速率要低50%因为缺氧，而泥面以下的又会降低50%（图8.5）。
图8-5
8.3 桩运输
大直径钢管桩的组成和预应力混凝土一般采用吊装或滚装到驳船上然后运送到建设场地。桩需要固定住以便不会在运输途中倾斜或者滚落。桩的壁厚应当保证在堆垛时底部的不会局部的变形，然而，为防止这类情况发生需要在检查并且在必要的地方进行支撑。（图8.6）
图8-6
有时浮运钢管桩即实用又方便，既可以单个运输也可以连接成一条链来运输（图8.7）。这种方式对于便于起吊和放置比较长的桩很实用-例如skirt桩，它可以很好的漂浮在海平面上。桩尾部可以用钢板或者合成橡胶封闭。这需要桩足够强度大以便拖拽时承受波浪拍打。一旦到达目的地，桩一端会被起重机提起以便去除端部封闭，然后该端部会被旋转成竖直。在一些情况中，由于在另一端中存在压缩的空气从而导致桩在竖直的过程中存在障碍。这时需要端部的封闭有能够抵抗内部空气的压力。在任何情况下，封闭处都需要有阀门以便空气和水可以自由出入，允许在可控范围内将压仓物和端部封闭去除。
图8-7
水下移除封闭的板很危险。在澳大利亚的一次水下去除封闭物的事件中，操作员在去除平板后被吸入钢管桩中并且溺水而亡。设置阀门使得两侧的压力平衡可以阻碍这种事件的发生。
浅水区例如离岸工程的建筑，桩身配有吊坠物一般是暂时存放在海底。当桩平放在水中，在旋转其时会在特定的阶段产生极大的弯矩。当旋转到空气中时的弯矩通常大于在水下的，所以此时必须重视且需要检查。
最近很多离岸平台的建设中，桩的运输采用了钢管架，被设置在主要的支腿或者伸臂桩的悬臂段,这样可以在增加重量的同时提供浮力。这种运输的方法可以便于桩基的安装而且导管架可以阻止波浪和水流的侵袭。
一般当桩基运到指定位置后可以依靠自重沉入泥土中。最终水平的支撑会去除。最终这些桩会提升以便消除弯矩，然后在降低到指定的标高。
在上述的运输钢管桩的方法中，桩需要有足够的强度来抵抗下水和倒放。在North sea的Magnus 平台支撑倒放的过程中，一些桩严重损坏并且落入海底。这曾经可能导致该项目推迟一年完成。但是由于后期较好的补救以及替换桩基的允许，桩基在同年的晚些时候完成。
8.4 桩基安装
离岸典型的支撑桩基需要驳船运输，首先每根桩能够被起重机吊起。桩嵌入导管的支腿中并且导管的高度和桩的直径相当。
装需要用打桩锤打入。桩一般是成簇的围绕在导管架的支腿角落并且平行于支架。所以桩最好打击1到6次。标记在每次间隙的时候标记在导管的支腿上以便帮助打桩。
现在的一些导管架已经有了垂直的袖口，因此可以去除标记并且能够打入水底很长的距离。打桩偏位的控制在水上可以是一条线，在水下可以应用雷达或者视频或者ROV。在接近导管架的地方可以对要搭接的钢管桩进行稳定的焊接。
8.1 概述
海洋及离岸工程中需要安装桩基以便达到所需的承载力，上举力和侧摩阻力。离岸桥梁桩基的沉降值有约束。其他重要的特性包括承受横向力的刚度和强度以及对于敏感结构可以承受超载。
对于码头结构和排架结构的桥梁，最常用桩基是预应力混凝土桩。预应力桩有着受压屈时交大的强度，刚度以及较好的持久性。然而，在使用时产生的拉力和应力需要较大的预应力去抵消以便减少裂缝,而且为了因泊松比的影响而使有足够的约束，这个和直觉相反。港口工程中典型的桩基相比于陆上的桩基更加的大而且高强。
H型钢桩已经用于桥梁的承载装，尤其是其基础位于或低于海底高程或河底高程并且难于接近。桩底可以抵抗桩端嵌固产生的作用力。
H型钢桩和小直径管桩经常作为抗拉桩。他们一般固定于钢板片或者螺旋板上用于增加抗拔力。另外，灌入桩可能连接或者高压灌浆，因此增大了锚固的区域。因此，他们成为较高承载力的锚固基础。
直径在300-500mm的小直径微型钢管桩一般打入岩石或类似的基础，用于抵抗压力和上拔力。高强度的钢筋或一簇钢筋插入并且桩灌注到嵌岩面。微型钢管桩然后灌注以便增加持久性和抗压能力。有时会为了在设计荷载下可以延长而注入无腐蚀的油脂。
离岸桩的特点为大直径长桩，其原因主要是大水深，长距离的无支撑，较大的周期性的弯曲荷载以及大的侧摩阻和端阻。大多数离岸工程中的桩的直径介于1m到3m（有些甚至达到4m），深度在40到300m之间或者更长（图8.1）。离岸和海洋结构中的桩的承载力设计的最大值达到10000tn，远远大于传统近岸结构中的桩的承载力。
图8-1假设桩末端接近或完全封闭且没有屈服，桩通过侧摩阻和端阻来抵抗轴向的压力。因此对于支撑在沙土上的闭口桩，需要足够的摩阻力来使端阻发挥完全。大直径管桩也许不用封闭端口但是会失去端阻力。然而，桩的表面会发挥侧摩阻。
桩受力的弹性阶段的侧摩阻和端阻不能直接相加因为两者发展的不是一致的。他们可能在极限荷载下只有一方增加。因此，大水深的桩基一般首先设计成摩擦桩。侧摩阻认为在距桩末端1倍的直径处发挥到最大。
桩自重加上桩内部的土体和侧摩阻力足以承担上拔力。
桥梁桩基常用钻孔灌注桩，尽管有时是在深水区。这种需要通过钻轴钻入土中进行水下钻孔，然后用水下浇注混凝土的混凝土导管灌注混凝土。钻孔需要用泥浆进行护壁。
为了抵抗横向荷载，大多数深水（大约30-40m）离岸结构依靠桩与土接触岩层面的被动土压力产生的抵抗弯矩来承担。由于土的反力和变形有函数关系，研究就是基于横向力P和海底以下每层土的位移y的关系。这就是P-y效应。桩需要有足够的强度抵抗每层土的弯矩和剪力并且能够阻止双向的纵向弯曲（压屈，压弯）。横向荷载的承载力可以通过增加刚度来提高而且在泥水分界线处弯矩承载力较敏感，可以通过在该区域增加钢桩壁厚或者灌注混凝土。
在坚硬的粘土或者石灰质的土中，桩在泥水分界线处上下区域由于周期性的横向荷载的不同而增加了侧向变形和整体的弯矩。桩基周围是小卵石或者高密度的小岩石都可以通过填塞桩土空隙有效的减少这种影响从而减少变形的幅度。
另外一种用于港口结构和离岸工程中抵抗横向荷载的方法是依靠打斜桩，这种桩可以同时具有竖向和水平方向的承载力。斜桩一般都需要搭档共同发挥作用，一般是在相反的方向打入斜桩，成为叉桩，尽管桩帽也可以担当反力的作用。在横向荷载作用下，这些节点会产生很大的剪力和弯矩的承载能力。这些节点在地震和船舶撞击力作用下表现不佳因为桩头处的纵向弯曲。
对于在软土地区或者离岸桩基和桥梁桩基，一般选用含有最大1:6斜桩的桩基而不是全部直桩。桩基在横向荷载作用下或者由水流，暴风雨波浪和地震产生的变形所增加的弯矩和轴向力一般都在桩基承载力范围内。斜桩可以消除明显的结构残余位移。
扩底桩和螺旋桩已经用于隔板和码头挡土墙的建设以此增加抗拔力。
图8-2特殊的方法和设备需要应用到离岸工程桩基的安装中去。大型的打击锤因为高效而经常应用。然而在土质坚硬的地方或者其他特殊情况不允许使用打入桩时就需要采用钻孔灌注桩。在the north Sea，Arabian Gulf和Australian Northwest Shelf还应用了特殊的端部钟形的桩基。
应用于离岸工程，桥梁桩基以及一些离岸平台的桩基建设。安装桩时需要考虑其对承载土的影响。在一些案例中可能有利于桩基然而在多数项目中，没有提前考虑时桩基的安装会降低土壤的承载力。规范API中PR2A警告说钻孔灌注桩的承载力和打入桩有巨大的不同。大直径桩（大于1.5米）可能不能完全发挥摩阻力。
对于较小的在粘土中的钻孔，摩阻力取决于包括安装偶然引起的应力释放对土体的扰动。干燥且密实的页岩的强度在因为钻孔遇水后会可能大幅度降低。孔壁上会有一层泥浆或粘土使得孔壁不再有和现有的泥土和岩石的强度。
在超固结土中钻孔灌注桩可能会增加摩阻力。如果钻孔时过量的泥浆在粘土和岩石上，摩阻力的参数会显著的减小。在含钙质的沙土和淤泥中，打入桩相比于钻孔灌注桩会有很小的摩阻力。
规范API中PR2A进一步阐述了土壤的横向抵抗力和桩的设计密切相关（图8.3），同时需要考虑安装和使用过程中对于土体的扰动。
最近在海洋结构和离岸桩基中打桩锤，钻孔的方法取得了较大的进步。因此，现在的建设者在针对不同的项目有了更多的有效选择方式。
图8-38.2 钢管桩的构造
钢管桩通常是由“罐头”组成，把钢板沿着纵向焊接而成。每个独立的部分（罐头）一般是1.5m（5ft）或者更长。相邻部分间的纵向焊缝至少旋转90°。
围绕钢管桩的一圈各120°角的位置有绷紧的线来保持焊接的各部分的笔直。API中PR2A规定了焊接后的偏位最大值。对于3m以内（10ft）的片尾最大值为3mm（J）。对于大于12m（40ft），最大的偏位值为13mm（H）（见图8.4）。
图8-4API中PR2A和PR2B对于外径和外围的完整性及斜面相交有范围的规定。钢管桩的直径应当在连接的部分之间并且不能大于超过3mm（J）。如果连接的双方有较大的差异，应该在连接处做1:4的放坡（见图4.1）。
为了保证正确的连接以及减少焊接时间，厚的钢管桩应当事先搭档或者事先检查。各部分之间连接最快的方式就是旋转连接到另一个部分上。另外一种精确安装和连接的方法就是把其中一部分打断，每一段焊接到长的部分的端部。桩用水泥浆连接钢管或者土壤的表面应当不能涂漆或者太光滑。
旋转焊缝在最近一些年里发展起来。一个长的钢板被卷成螺旋形并且沿着缝进行焊接。钢板的厚度与直径和壁厚有密切的联系。沿着焊缝的剪应力非常大而且在大的冲击力和弯矩作用下会导致失效。然而，随着技术和质量控制的提升，一米直径，28mm壁厚的钢管桩可以很容易的制作，但是，现在制作这种的机器和少。
API PR 2A因为冲击力在斜焊缝上的剪力而不推荐在离岸工程中使用螺旋焊缝的桩。然而，拥有较高的焊缝质量和便于检查，它已经在近岸和岸上的结构中应用。
水下的钢管桩的保护通常采用牺牲阳极。现在强制的阴极保护法经常应用但是也体现了可靠性的问题，不仅仅是因为技术上调整的要求或者在钢筋混凝土附近的不利影响，而是因为认为的因素，也就是会被电视信号干预因此经常关闭。
钢管桩通常会预留腐蚀的厚度，例如3-6mm（0.125-0.5英尺）并且保护的措施包括环氧，聚亚安酯或者覆盖金属外壳或者覆盖蒙乃尔铜-镍合金或钛。由于一些桥梁的使用寿命为100年或更长，因此预留了10mm的钢管桩的腐蚀厚度。
淡水中钢管桩的腐蚀速度要比海水中的慢。淡水中钢管桩的腐蚀速度受到水流流速和悬浮在水中的摩擦物质（如砂和淤泥）及漩涡的影响。水流紊乱区的腐蚀速率很快，然而稳定区的水流腐蚀速率要低50%因为缺氧，而泥面以下的又会降低50%（图8.5）。
图8-58.3 桩运输
大直径钢管桩的组成和预应力混凝土一般采用吊装或滚装到驳船上然后运送到建设场地。桩需要固定住以便不会在运输途中倾斜或者滚落。桩的壁厚应当保证在堆垛时底部的不会局部的变形，然而，为防止这类情况发生需要在检查并且在必要的地方进行支撑。（图8.6）
图8-6有时浮运钢管桩即实用又方便，既可以单个运输也可以连接成一条链来运输（图8.7）。这种方式对于便于起吊和放置比较长的桩很实用-例如skirt桩，它可以很好的漂浮在海平面上。桩尾部可以用钢板或者合成橡胶封闭。这需要桩足够强度大以便拖拽时承受波浪拍打。一旦到达目的地，桩一端会被起重机提起以便去除端部封闭，然后该端部会被旋转成竖直。在一些情况中，由于在另一端中存在压缩的空气从而导致桩在竖直的过程中存在障碍。这时需要端部的封闭有能够抵抗内部空气的压力。在任何情况下，封闭处都需要有阀门以便空气和水可以自由出入，允许在可控范围内将压仓物和端部封闭去除。
图8-7水下移除封闭的板很危险。在澳大利亚的一次水下去除封闭物的事件中，操作员在去除平板后被吸入钢管桩中并且溺水而亡。设置阀门使得两侧的压力平衡可以阻碍这种事件的发生。
浅水区例如离岸工程的建筑，桩身配有吊坠物一般是暂时存放在海底。当桩平放在水中，在旋转其时会在特定的阶段产生极大的弯矩。当旋转到空气中时的弯矩通常大于在水下的，所以此时必须重视且需要检查。
最近很多离岸平台的建设中，桩的运输采用了钢管架，被设置在主要的支腿或者伸臂桩的悬臂段,这样可以在增加重量的同时提供浮力。这种运输的方法可以便于桩基的安装而且导管架可以阻止波浪和水流的侵袭。
一般当桩基运到指定位置后可以依靠自重沉入泥土中。最终水平的支撑会去除。最终这些桩会提升以便消除弯矩，然后在降低到指定的标高。
在上述的运输钢管桩的方法中，桩需要有足够的强度来抵抗下水和倒放。在North sea的Magnus 平台支撑倒放的过程中，一些桩严重损坏并且落入海底。这曾经可能导致该项目推迟一年完成。但是由于后期较好的补救以及替换桩基的允许，桩基在同年的晚些时候完成。
8.4 桩基安装
离岸典型的支撑桩基需要驳船运输，首先每根桩能够被起重机吊起。桩嵌入导管的支腿中并且导管的高度和桩的直径相当。
装需要用打桩锤打入。桩一般是成簇的围绕在导管架的支腿角落并且平行于支架。所以桩最好打击1到6次。标记在每次间隙的时候标记在导管的支腿上以便帮助打桩。
现在的一些导管架已经有了垂直的袖口，因此可以去除标记并且能够打入水底很长的距离。打桩偏位的控制在水上可以是一条线，在水下可以应用雷达或者视频或者ROV。在接近导管架的地方可以对要搭接的钢管桩进行稳定的焊接。