樁靴基礎(chǔ)自升式鉆井平臺在砂土層下伏粘土層中的插樁分析

姚首龍

(中海油田服務股份有限公司，天津300451)

近年來，在我國南海海域進行了多次自升式鉆井平臺場址工程地質(zhì)調(diào)查，經(jīng)常會遇到砂土層下伏粘土層的層狀土。目前，在實際插樁計算分析中，YOUNG和FOCHT提出的3∶1(垂直方向:水平方向)荷載擴展分析法被廣泛應用，這個方法假定施加在上層(硬土層)上的基礎(chǔ)荷載被擴展通過硬層，在軟弱層的頂面產(chǎn)生一假設(shè)的等效基礎(chǔ)。通過硬層的擴展比例為3∶1(垂直方向∶水平方向)，如果施加在等效基礎(chǔ)上的壓力超過下層土的承載力，則穿刺將會發(fā)生。然而，在很多插樁實例中，并沒有刺穿發(fā)生，若在砂土層下伏粘土層的層狀土中用這種方法進行計算就顯得過于保守，預測的插樁結(jié)果與實際的插樁結(jié)果相差很大，嚴重影響著鉆井平臺在某一場址的就位、作業(yè)及安全。本文就樁靴基礎(chǔ)自升式鉆井平臺在砂土層下伏粘土層的層狀土中的插樁計算分析進行了討論，為今后再遇到該類層狀土的插樁計算分析提供參考。

1 基本破壞模式

自升式鉆井平臺樁靴基礎(chǔ)在土壤中的基本破壞模式主要有以下3種［1］。

1)將自升式鉆井平臺樁靴基礎(chǔ)在單一土層中的破壞模式稱為一般剪切破壞，見圖1a)。

2)自升式鉆井平臺樁靴基礎(chǔ)在層狀土中的破壞模式存在兩種可能，一種是刺穿破壞，見圖1b)，另外一種是排擠破壞，見圖1c)。

圖1 樁靴基礎(chǔ)在土壤中的破壞模式

2 插樁計算

為了使自升式鉆井平臺在不同地質(zhì)條件的情況下作業(yè)，常常將樁靴基礎(chǔ)設(shè)計成較大直徑，并且在樁靴最寬截面下留有錐形結(jié)構(gòu)，以便增加樁靴的貫入度，且還具有一定的抗滑能力。這種樁靴基礎(chǔ)在砂土層下伏粘土層的層狀土中的插樁，通?？赡艽嬖趲追N破壞模式，而不同的破壞模式，樁靴基礎(chǔ)的插樁深度也將不同。所以對于某一特定的砂土層下伏粘土層的層狀土，在計算插樁深度時，首先需分別分析上覆砂土層的厚度及相對密實度和下伏粘土層的厚度及不排水抗剪強度，進而進行破壞模式分析，確定可能發(fā)生的一種破壞模式或幾種破壞模式的組合，然后根據(jù)不同的破壞模式及土壤的回填情況進行插樁計算，最后給出插樁綜合計算分析結(jié)果及建議。

在插樁計算中，主要是進行樁靴基礎(chǔ)的極限承載力(Q)的計算，這就首先需判斷樁靴基礎(chǔ)上部土壤的回填情況，然后根據(jù)土壤是否回填選擇不同的極限承載力(Q)計算公式進行計算。一般情況下，強度從非常軟到軟的粘性土較易發(fā)生回填，強度從稍硬到硬的粘性土和粒狀土不易回填。

對于砂土層下伏粘土層的層狀土在不同的破壞模式下，相應的極限承載力(Q)的計算公式主要有以下幾種。

1)一般剪切破壞模式下，近似于圓形或者方形基礎(chǔ)的極限承載力Q用下式計算。

式中:A——樁腳尖的最大平面積，m2;

γ1——由樁腳尖排出土的平均有效重度，kN/m3;

V——樁腳尖的體積，m3;

P0＇——樁靴頂部深度處的有效上覆壓力，kPa;

qn——樁腳尖的單位面積極限承載力，

qn=SuNc，用于不排水(粘性)土，

qn=0.3γ2BNr+P0(Nq-1)，用于排水粒狀土;

其中:Su——樁腳尖下B/2深度以內(nèi)平均不排水抗剪強度，kPa;

Nq、Nr——據(jù)內(nèi)摩擦角而定的排水粒狀土量綱一的量承載力系數(shù);

P0——樁腳尖深度處的有效上覆壓力，kPa;

γ2——樁腳尖下B/2以內(nèi)土的平均有效重度，kN/m3;

Nc——不排水粘土的量綱一的量承載力能力，Nc=6(1+0.2D/B)≤9;

B——樁腳尖的直徑(最寬斷面)，m;

D——樁腳尖入泥深度(最寬斷面)，m。

2)刺穿破壞模式下，通常采用YOUNG和FOCHT提出的3∶1荷載擴展分析法，承載力qn為

式中:A＇p——等效基礎(chǔ)面積，

B'——等效基礎(chǔ)直徑，B'=B+［2/3］H;

D'——等效基礎(chǔ)深度，D'=D+H;

Ap——實際基礎(chǔ)面積，m2;

H——實際基礎(chǔ)面之下硬土層的厚度，m;

B——實際基礎(chǔ)直徑，m;

D——實際基礎(chǔ)深度，m;

qn(硬層)——假設(shè)硬土層無限厚時的承載力。

3)排擠破壞模式下，根據(jù)文獻［1］推薦的方法，當B≥3.45T(1+1.1D/B)時，對于完全回填土情況，承載力Fv為

式中:B——等效基礎(chǔ)直徑，m;

T——軟粘土層的厚度，m;

D——樁腳尖入泥深度(最寬截面)，m;

A——等效基礎(chǔ)面積，m2;

a——系數(shù)，一般為5;

b——系數(shù)，一般為0.33;

Su——軟粘土的不排水抗剪強度，kPa;

V——樁靴的體積，m3;

γ'——土的平均有效重度，kN/m3。

需要說明的是，利用式(4)計算出的承載力應不小于在單一軟粘土層中計算出的承載力，不大于在軟粘土層上部或下部的硬層中計算出的承載力。

3 案例分析

以某自升式鉆井平臺為例，該平臺樁靴基礎(chǔ)的最寬部分面積為254 m2，有效直徑為18.0 m。輕載時1#樁腿的荷載為69.6 MN，2#和3#樁腿的荷載均為67.7 MN;預壓載時，每只樁靴的最大預壓載為112.2 MN。

采用上述介紹的插樁計算分析方法，預測該平臺在南海某井位(見表1)的插樁深度，并與實際插樁記錄進行對比。

根據(jù)表1中井位的土質(zhì)資料，第1和第2層層狀土可能為排擠破壞模式和刺穿破壞模式兩種情況(見圖2)，第3和第4層層狀土可能為應力擴散排擠破壞模式(見圖3)，其中第3層密實到非常密實的砂可以等效為硬化模型，形成樁靴下部的砂土塞，其厚度受預壓載荷、土體性質(zhì)、樁靴直徑等因素的影響［2-3］，并且可以作為樁靴的一部分，此時該砂土塞的直徑可等效為樁靴直徑，形成圓柱體，隨著樁靴一起貫入，在貫入的過程中還需要考慮該圓柱體受到的豎向摩擦阻力，并且其起到應力擴散作用，變形分析可以忽略。按照圖2和圖3示意，對可能的幾種破壞模式分別進行插樁計算。圖4是該自升式鉆井平臺極限樁腳荷載與樁腳尖入泥深度關(guān)系曲線。圖4中，“×”曲線表示在最大預壓載下，4.5～7.8 m的粘性土被完全排擠后，形成24.1 m以上的砂土層下伏粘土層的層狀土，進而進行刺穿分析和考慮上覆砂土塞的影響后的插樁計算結(jié)果;“○”曲線表示在最大預壓載下，7.8 m以上的砂土層下伏粘土層的層狀土發(fā)生刺穿后，形成24.1 m以上的砂土層下伏粘土層的層狀土，再次進行刺穿分析和考慮7.8～15.9 m的砂土塞的影響后的插樁計算結(jié)果。

表1 井位設(shè)計參數(shù)表

4 結(jié)論

圖4 極限樁腳荷載與樁腳尖入泥深度關(guān)系曲線

從圖4中可以看出，該平臺在最大預壓載下，樁腳尖的入泥深度在5.6～9.0m之間。而該平臺在該井位的實際插樁深度為5.6 m左右。由此可見，對于這種類型的層狀土，利用上述分析方法分析、計算插樁結(jié)果預測可滿足實際工程需要。

預測樁靴基礎(chǔ)自升式鉆井平臺在砂土層下伏粘土層的層狀土中插樁深度，需要充分考慮樁靴基礎(chǔ)在這種層狀土中可能發(fā)生的幾種破壞模式，根據(jù)不同破壞模式或其組合進行插樁深度預測，可大大提高插樁深度預測的準確性。但是，對于某一特定的層狀土土層組合，平臺在實際插樁過程中，該層狀土可能就只發(fā)生一種破壞模式，其插樁結(jié)果也是某一具體的深度。這就需要在今后的工作中，不斷積累、總結(jié)經(jīng)驗，以便更準確地預測插樁深度，保障平臺的作業(yè)安全。

［1］SNAME.Recommended practice for site specific assessment of mobile jack-up unites［M］.Rev.2 Jersey City，NJ:Society of Naval Architects and Marine Engineers，2002.

［2］TEHKL，LEUNGCF，CHOWYK，et al.Analysis of spudcan installation through loose sand into clay［C］∥1stJack-up Asia Conference and Exhibition，Singapore，2006:2-9.

［3］TEHKL.Punch-through of spudcan foundation in sand overlying clay［D］.Singapore:National University of Singapore，2007.