自升式平臺樁基穩(wěn)定性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

初新杰

（1.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266003；2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東 東營 257017）

自升式平臺樁基穩(wěn)定性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

初新杰1,2

（1.中國海洋大學(xué)，山東 青島 266003；2.勝利石油管理局鉆井工藝研究院，山東 東營 257017）

進行了自升式平臺樁基的穩(wěn)定性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，初步探討了層狀地基承載能力分析方法，建立了平臺整體、樁和樁靴等的數(shù)值計算模型，通過分析優(yōu)化了樁基結(jié)構(gòu)，降低了樁與樁靴連接處的應(yīng)力集中，對自升式平臺樁基結(jié)構(gòu)設(shè)計和平臺作業(yè)的穩(wěn)定性分析具有參考價值。

自升式平臺；樁基；層狀地基；穩(wěn)定性；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

自升式平臺在就位時，將樁基插入地基土，提供平臺作業(yè)支撐力；在完成作業(yè)后，將樁基從地基中拔出，平臺移位[1]。在軟硬交互層狀地層中，需要根據(jù)擬作業(yè)海區(qū)研究選擇承力層，優(yōu)化樁基的結(jié)構(gòu)和插拔樁工藝，使得平臺樁基能夠“插得下、穩(wěn)得住、拔得出”[2]。尤其在上部是較薄的硬土層、下部為較弱的粘性土層中，當(dāng)樁基下插到上覆硬土層中承力時，平臺暫時可能是穩(wěn)定的，然而由于下臥軟弱層的影響，樁基可能會突然穿透上覆硬土層進入下臥軟地層，形成刺穿，輕者會導(dǎo)致平臺急速的過度傾斜，造成平臺、鉆探設(shè)備的損壞和人員的傷亡，重者使整座平臺傾覆[3]。

平臺插樁時需要克服樁端阻力和側(cè)摩阻力。平臺拔樁時需要克服樁自重、覆土重、側(cè)摩阻力和吸附力等阻力。平臺站立支撐時，受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境載荷以及鉆井作業(yè)載荷的作用，需要提供垂向力、水平力，保證平臺的穩(wěn)定。樁與樁靴的連接處相當(dāng)于人的“腳脖子”，是應(yīng)力集中的區(qū)域，是樁基結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，必須保證該連接處是安全可靠的。因此，開展了樁基的穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。

1 自升式平臺樁基穩(wěn)定性分析

自升式平臺插入地基中的樁基礎(chǔ)，提供平臺的作業(yè)支撐力，只有地基具有足夠的承載能力，平臺樁基礎(chǔ)才是穩(wěn)定的。因此，需要深入分析各種情況下的地基承載能力。

1.1 地基承載力計算方法

在海中作業(yè)條件下，自升式平臺與自升式航船基本狀態(tài)一樣，可按照自升式航船的工作特點，確定自升式平臺的限制狀態(tài)條件。所謂自升式平臺地基失效，是指土的變形過大，可能造成結(jié)構(gòu)或重要裝備的損壞。平衡限制是常用的解決地基穩(wěn)定性的方法，使用平衡限制方法，必須分析幾個失效表面，并找出最關(guān)鍵的失效。

有效應(yīng)力分析法，失效可由剪切特征定義：

式中，

σ為剪切面上的法向應(yīng)力；

φ'為內(nèi)摩擦角；

γm為材料系數(shù)。使用有效應(yīng)力分析法，要考慮循環(huán)載荷產(chǎn)生的孔隙壓力。

在支撐作業(yè)穩(wěn)性分析中，基礎(chǔ)的面積需使用有效面積，有效面積是考慮所有作用在基礎(chǔ)上的水平力和垂直力的最終合力，每個力乘以一個相對載荷系數(shù)γf。合力在基礎(chǔ)上的作用點稱為載荷中心。

1.2 層狀地基承載能力分析

海底土通常為層狀結(jié)構(gòu)，這種層狀地基土的承載能力計算和分析比單一土層要復(fù)雜許多，承載能力分析，要考慮到持力層范圍內(nèi)所有土層的性狀。遇到上硬下軟的海底層狀地基時，僅僅考慮上部硬殼層的承載能力是不夠的，地基的承載能力往往取決于下部軟土層，并與硬土層的厚度及上、下層的相對強度有關(guān)。如果承載力不夠，可能發(fā)生樁靴穿透上部硬層，突然下陷。如果軟土層較厚，樁靴快速下降深度較大，就會造成自升式平臺嚴重傾斜，發(fā)生樁腿或升降裝置嚴重損壞的危險事故。需要研究自升式平臺船樁靴坐落在層狀地基上承載能力計算方法及穿透可能性分析方法。

大多數(shù)的層狀地基，可簡化為雙層地基，或者硬土層覆蓋軟土層，或者軟士層覆蓋硬土層。

（1）雙層黏土?xí)r。雙層黏土?xí)r，使用Brown和Meyerhof's方法。這兩種方法適用于上軟下硬和上硬下軟兩種情況，樁靴都處于雙層地基的上層土中。這種狀態(tài)下地基的承載能力不能僅考慮上層土的性狀，還要考慮下層土的性狀對承載能力的影響。

具體計算公式為

式中，

Nmc為承載能力系數(shù)，與Sub/Sut和H/B有關(guān)；Sut為上層土的剪切強度；

Sub為下層土的剪切強度，考慮到土的強度與深度的關(guān)系，通常Sub位于樁靴最寬處以下1/2～2/3處；H為上層土的厚度；B為樁靴的寬度。

上軟下硬的地基，承載能力高于單一土層為上層土的承載能力。上硬下軟的地基，承載能力低于單一土層為上層土的承載能力。

（2）一層為黏土一層為非黏性土?xí)r。如果雙層土或多層土中的其中一層為粒狀土?xí)r，可以用等效的方法，將粒狀土換算出當(dāng)量結(jié)性土剪切強度，再用Brown和MeyerhofS公式計算承載力。具體換算公式為

式中，

γ'為粒狀土的有效容重；

Nr為粒狀土的承載能力系數(shù)；

Nc為等效黏土層的承載能力系數(shù)。

通過計算獲得的Su是非黏性土的等效黏土層的剪切強度。

（3）上軟下硬，樁靴一部分落在硬層上時。當(dāng)上層土的承載能力較小，不足以承載樁靴，使樁靴一部分落在硬層上，一部分處于軟土層中時，可分別計算上層土部分和下層土部分的承載能力。

1.3 硬殼層情況下地基承載能力分析

海底土?xí)r常遇到這樣一種層狀地基情況，上層土的強度大而厚度小，下層土強度小而厚度大，有時軟土層的承載能力比上層土小得多，這種海底地基通常稱為“硬殼層”。在勝利埕島油田等海域會遇到這種“硬殼層”的海底，“硬殼層”下有很厚一層軟弱的淤泥質(zhì)士層。在這種地基條件下，僅僅滿足上層土的強度要求是不夠的，必須詳細校核軟土層的承載能力。

強度較低的軟土層，稱為軟弱下臥層，軟弱下臥層對地基承載力有重要的影響，往往對地基承載力起著決定性作用。

參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的推薦做法，將基底的壓力擴散到軟弱下臥層的頂面，然后校核在軟弱下臥層的頂面處的應(yīng)力是否小于軟弱下臥層的承載力。該方法的適用條件是：上層土與軟弱下臥層的壓縮模量比值大于或等于3。

當(dāng)?shù)鼗芰Ψ秶鷥?nèi)有軟弱下臥層時，應(yīng)按下式計算

式中，

σz為軟弱下臥層的頂面處的附加應(yīng)力設(shè)計值（kPa）；

σcz為軟弱下臥層的頂面處土的自重應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

fz為軟弱下臥層的頂面處經(jīng)深度修正后的地基承載力設(shè)計值（kPa）。

如果計算驗算滿足上述條件，則承載能力滿足要求，此處海底地基可以作業(yè)。如果不滿足上述條件，則該處海底不適合作業(yè)。如果在樁靴設(shè)計階段計算時，不滿足上述條件，可采用擴大樁靴底面積降低基底壓力的方法。

2 樁基結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

2.1 自升式樁基平臺整體分析

建立了平臺整體模型，樁腿用梁單元模型，平臺用實體單元模型。樁腿底部全約束，在平臺表面施加面載荷，在平臺側(cè)面施加風(fēng)載荷。

梁單元為直徑3.2m，壁厚45mm；

面載荷為34197100N；

風(fēng)載荷為100 Pa（均布載荷）。

自升式樁基平臺FEA模型見圖1。

通過分析平臺整體，了解了平臺在不同工況下的變形和各樁腿支反力。樁腿軸向應(yīng)力分布情況見圖2，平臺整體變形位移情況見圖3，樁腿支反力合力情況見圖4。

平臺垂直高度方向的最大變形位移約為18mm；整體變形位移約為18mm；平臺最大Von Mises應(yīng)力值約為29 MPa，樁腿的軸向應(yīng)力值最大約為114 MPa。樁腿支反力合力最大值為5.1×107N。

圖1 自升式樁基平臺FEA模型

圖2 樁腿軸向應(yīng)力

圖3 平臺整體變形位移

圖4 樁腿支反力合力

2.2 樁與樁靴連接處結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

由于樁腿和樁靴屬于對稱結(jié)構(gòu)，因此建立樁腿和樁靴的1/4模型。在不影響分析結(jié)果的同時，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了一些簡化，壓縮模型的規(guī)模。采用板和實體單元進行模擬。樁靴底部全約束，對稱面采用對稱約束。由于只是選取樁腿的很短的一部分，因此假設(shè)樁腿只能有垂直方向的自由度。在樁腿上部施加載荷為3500000 N的重量（取全部載荷的1/4）。在樁腿和樁靴之間有一個厚為45mm的鋼板用于焊接使用。模型全部的單元數(shù)量25813個。樁腿和樁靴FEA模型見圖5。

通過樁與樁靴連接處結(jié)構(gòu)的分析，了解了樁腿和樁靴在預(yù)壓情況下的變形和應(yīng)力分布情況，從而進一步調(diào)整了樁靴與樁腿的連接型式，降低了應(yīng)力集中，優(yōu)化了樁基結(jié)構(gòu)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況見圖6，變形位移情況見圖7，Von Mises應(yīng)力情況見圖8。變形位移最大值約為0.13mm，Von Mises應(yīng)力最大值為約為68MPa，最大應(yīng)力處在樁腿和樁靴連接處。

圖5 樁腿和樁靴FEA模型

圖6 內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖7 變形位移圖

圖8 Von Mises應(yīng)力圖

2.3 樁靴應(yīng)力/變形分析

由于樁靴為對稱結(jié)構(gòu)，為了縮減模型規(guī)模，因此取模型的1/8部分進行分析。在3個垂直面上除垂直自由度外，約束其他自由度。樁靴采用同一種鋼材材料。土壤模型材料D-P模型。在CAD中建立樁靴和土壤的幾何結(jié)構(gòu)，導(dǎo)入到ALGOR中。樁靴與土的網(wǎng)格模型見圖9。

考慮樁靴在工作的時候承受一定的壓力，在壓力情況下，樁靴周圍的土壤會發(fā)生位移，需要分析樁靴在受力情況下，樁靴和樁靴周圍土壤的變形。

土壤底部全約束。3個垂直面除垂直自由度外，約束其他自由度。樁腿部分除垂直自由度外，約束其他自由度。在土壤和樁靴結(jié)構(gòu)設(shè)置接觸關(guān)系。由于模型只是1/8，所以承受的載荷也為全部載荷的1/8。樁腿處施加1739300 N力?？紤]重力因素。

通過數(shù)值模擬，分析了樁靴應(yīng)力及變形情況。樁靴與土的FEA模型見圖10，模型整體位移情況見圖11，模型整體應(yīng)力情況見圖12，樁靴應(yīng)力情況見圖13，樁靴內(nèi)部應(yīng)力情況見圖14，中心位置土壤位移情況見圖15。

圖9 樁靴與土的網(wǎng)格模型

圖10 樁靴與土的FEA模型

圖11 模型整體位移圖

圖12 模型整體應(yīng)力圖

圖13 樁靴應(yīng)力圖

圖14 樁靴內(nèi)部應(yīng)力圖

圖15 中心位置土壤位移圖

分析得到：變形位移最大值約為0.13mm，Von Mises應(yīng)力最大值為約為68MPa；最大應(yīng)力處在樁腿和樁靴連接處，應(yīng)力最大值為56.2MPa；垂直最大位移為55.7mm。

3 結(jié)束語

通過開展自升式平臺樁基穩(wěn)定性分析和樁基結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，探討了層狀地基承載能力分析方法；建立了平臺整體、樁和樁靴等的數(shù)值計算模型，優(yōu)化分析了樁與樁靴處的連接結(jié)構(gòu)，降低了應(yīng)力集中。

本研究對自升式平臺樁基結(jié)構(gòu)設(shè)計和平臺作業(yè)的穩(wěn)定性分析，具有重要的參考價值。研究建立的樁基，位于交互土層的承載力計算模式，將為平臺設(shè)計、就位作業(yè)提供依據(jù)，保證平臺、設(shè)備及人員的安全。同時，該成果將增加平臺的適應(yīng)性，擴大平臺的海上作業(yè)范圍，并保持勝利油田在自升式平臺技術(shù)的領(lǐng)先水平，市場前景廣闊。

[1]汪張?zhí)模w建亭.我國自升式鉆井平臺的發(fā)展與前景[J].中國海洋平臺，2008，23(4)：8-13.

[2]黃悅?cè)A，任克忍.我國海洋石油鉆井平臺現(xiàn)狀與技術(shù)發(fā)展分析[J].石油機械，2007，35(9)：157-160.

[3]徐松森.自升式平臺上下分體探討[J].船海工程，2008，37(1)：88-90.

Stability Analysis and Structure Optimization on Pile Foundations of Jack-up Platforms

CHU Xin-jie1,2
（1.Ocean University of China,Qingdao Shandong 266003,China；2.Drilling Technology Research Institute,Shengli Petrole um Administrative Bureau,Dongying Shandong 257017,China）

Stability analysis and structure optimization on jack-up platforms with pile foundations are finished.A analysis method of bearing capacity in layered soil is discussed.The numerical model is established and the pile-foundation structure is optimized.Stress concentration of connecting areas between piles and pile boots is reduced.The study has reference value for structure designs and stability analysis of jack-up platforms.

jack-up platforms；pile foundations；layered soil；stability；structure optimization

P751

A

1672-545X（2011）09-0006-05

2011-06-23

國家“863”資助項目—海底管線檢測與水下結(jié)構(gòu)物修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)（2011AA0903）

初新杰（1968—），男，山東東營人，高級工程師，在讀博士，主要從事海洋工程設(shè)計和試驗研究。

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