海洋石油樁基平臺(tái)射流輔助沉樁實(shí)驗(yàn)*

黃 勇張振禹陳新勇邢永超

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院; 2.東北特鋼集團(tuán)大連特種鋼材料檢測(cè)公司; 3.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司)

海洋石油樁基平臺(tái)射流輔助沉樁實(shí)驗(yàn)*

黃 勇1張振禹2陳新勇3邢永超1

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院; 2.東北特鋼集團(tuán)大連特種鋼材料檢測(cè)公司; 3.中國(guó)石油渤海鉆探工程有限公司)

針對(duì)海上沉樁施工中容易出現(xiàn)的停錘后打樁困難甚至拒錘現(xiàn)象,提出了高壓水射流輔助沉樁的技術(shù)設(shè)想,并設(shè)計(jì)了海洋石油樁基平臺(tái)射流輔助沉樁模型實(shí)驗(yàn)裝置。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)試了6種不同形狀噴嘴產(chǎn)生的射流對(duì)土塞表面的作用力,并對(duì)土體內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn),得到了6種噴嘴射流作用下土體內(nèi)的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力,驗(yàn)證了模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果。海洋石油樁基平臺(tái)樁基建設(shè)過(guò)程中,采用高壓水射流輔助沉樁提高樁基建設(shè)效率是完全可行的。等變速型噴嘴有限噴距最長(zhǎng),作用在土塞表面中心處的壓力也最大。研究結(jié)果為海洋石油樁基平臺(tái)射流輔助沉樁原理樣機(jī)試制提供了重要依據(jù)。

海洋石油樁基平臺(tái);高壓水射流;輔助沉樁;數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn);模型實(shí)驗(yàn)

隨著海洋油氣資源開發(fā)力度的不斷加大,設(shè)計(jì)和建造石油平臺(tái)樁基已成為海洋工程中一個(gè)重大科技挑戰(zhàn)[1-2]。海上沉樁施工遠(yuǎn)比地面沉樁施工復(fù)雜,經(jīng)常會(huì)由于天氣條件、船只調(diào)度、更換打樁錘等原因,造成樁不能連續(xù)貫入到設(shè)計(jì)深度而出現(xiàn)停錘現(xiàn)象[3-4]。停錘少則幾小時(shí)多則幾天甚至幾周,連續(xù)打樁時(shí)樁周一定范圍內(nèi)土體的強(qiáng)度會(huì)得以恢復(fù),造成后繼沉樁施工困難,甚至出現(xiàn)拒錘現(xiàn)象[5],使樁貫入度和樁基承載力均不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求[6-7]。為了保證海洋工程安全,需要采取輔助動(dòng)力沉樁方法,使樁達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)貫入深度。

高壓水射流技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于切割、清洗、鉆井、破碎、研磨等作業(yè)[8]。水射流技術(shù)在海洋石油工業(yè)中也展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用前景。本文提出的高壓水射流輔助沉樁技術(shù),是一種專門針對(duì)上述問(wèn)題輔助動(dòng)力沉樁,使樁達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)貫入深度的沉樁技術(shù),而實(shí)驗(yàn)是開展相應(yīng)研究的必要手段。利用針對(duì)本次研究專門設(shè)計(jì)的海洋石油樁基平臺(tái)射流輔助沉樁模型實(shí)驗(yàn)裝置,開展了6種形狀噴嘴產(chǎn)生的射流對(duì)土塞表面作用力的實(shí)驗(yàn)研究,并借助數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,探尋高壓水射流輔助沉樁技術(shù)的可行性,同時(shí)研究結(jié)果可為海洋石油樁基平臺(tái)射流輔助沉樁原理樣機(jī)的試制提供重要理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 射流輔助沉樁原理

海洋樁基平臺(tái)射流輔助動(dòng)力沉樁是一個(gè)涉及到動(dòng)力學(xué)、水力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)以及土力學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的綜合性研究課題,其原理是采用高壓水射流將樁端土層擾動(dòng),破除“土塞”、降低地層強(qiáng)度,并利用錘擊等技術(shù)手段使樁快速下沉直至設(shè)計(jì)深度,同時(shí)將沖動(dòng)后的樁前土由回流帶出地面而成孔,停水后,樁周土體沉降,固結(jié)在樁周圍,使樁牢固埋在土中。沖孔和沉樁同時(shí)進(jìn)行,邊沖孔邊沉樁,因?yàn)楦邏核膰娚淞軓?qiáng),各種土體都能很快被松動(dòng)。除較大的粗砂、礫石留在孔底外,一般土體顆粒都能被回水沖出地面。

2 模型實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

海洋石油樁基平臺(tái)射流輔助沉樁模型實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,主要包括試驗(yàn)箱、導(dǎo)向架、模擬樁、樁頭保護(hù)器等。

圖1 海洋石油樁基平臺(tái)射流輔助沉樁模型實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.1 土體強(qiáng)度分析

在停錘階段,連續(xù)打樁時(shí)產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力消散,土體強(qiáng)度逐漸恢復(fù)[9-11]。根據(jù)有效應(yīng)力原理,打樁施工前土中原有應(yīng)力為

式(1)中:σ為總應(yīng)力;σ′為有效應(yīng)力;u0為初始孔隙水壓力。此時(shí)土體強(qiáng)度為

打樁施工過(guò)程中土中應(yīng)力為

式(3)中:u為超靜孔隙水壓力。此時(shí)土體強(qiáng)度為

由式(4)可知,超靜孔隙水壓力的出現(xiàn)會(huì)使土體強(qiáng)度有所降低。打樁間歇后,土中的超靜孔隙水壓力部分轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力

此時(shí)土體強(qiáng)度為

式(5)與式(6)中:ξ為超靜孔隙水壓力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力的比例,一般取值為0.5～1.0[3]。由式(6)可知超靜孔隙水壓力的消散會(huì)使土體強(qiáng)度提高,故后繼沉樁施工困難,甚至出現(xiàn)拒錘現(xiàn)象。所以實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵是停錘周期后土體力學(xué)性質(zhì)的模擬。

2.2 土層模擬

實(shí)驗(yàn)箱的三壁都布置好土工織布,而觀察窗內(nèi)側(cè)自上而下懸掛塑料薄膜以模擬邊界在垂直方向不受約束。模擬土倒入箱內(nèi)后,搗實(shí)并均勻,不讓土中留有明顯的空洞。當(dāng)土加到既定高度后,再鋪上一層土工織布,并在上面壓一些砝碼和磚塊。這樣,讓模擬土在雙向排水路徑下固結(jié)61 d,直至表面平整,透過(guò)玻璃看不見界面處有明顯孔洞。固結(jié)工作結(jié)束后,先關(guān)閉箱底排水閥,然后在實(shí)驗(yàn)箱中注入一定量的水使土體達(dá)到飽和并靜置12 d,使已被壓縮為超固結(jié)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)土回彈至一種穩(wěn)定狀態(tài),此后即可進(jìn)行各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

3 模型實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)填土1.3 m,水深0.1 m。采用半圓樁,沿觀察窗內(nèi)壁打入,打入深度1 m,每打入0.25 m停頓一次,再利用水射流對(duì)樁內(nèi)土塞進(jìn)行破壞。射流作用到土塞表面后發(fā)生偏轉(zhuǎn),沿土塞表面向兩側(cè)流動(dòng),最終沿兩側(cè)壁上返。實(shí)驗(yàn)采用橢圓噴嘴(代號(hào)1)、圓弧噴嘴(代號(hào)2)、雙圓弧噴嘴(代號(hào)3)、錐形噴嘴(代號(hào)4)、流線型噴嘴(代號(hào)5)和等變速噴嘴(代號(hào)6)等6種噴嘴,選取噴嘴直徑0.01 m、注入水壓30 MPa、噴距0.2 m,對(duì)比不同噴嘴產(chǎn)生的射流對(duì)土塞表面的作用力。土塞表面中心作用力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 射流作用在土塞表面中心處的壓力

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,在相同注入水壓條件下,等變速型噴嘴作用在土塞表面中心處的壓力最大,表明等變速型噴嘴的有限噴距最長(zhǎng),其結(jié)構(gòu)有利于射流能量的集中。因此,采用等變速噴嘴產(chǎn)生的射流輔助動(dòng)力沉樁,樁基建設(shè)效率提高較大。

4 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)

根據(jù)前面6種噴嘴產(chǎn)生不同形式射流的模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果,研究射流壓力作用下土塞內(nèi)部的應(yīng)力變化。在土塞內(nèi)部取寬300 mm,深500 mm的土體作為研究對(duì)象。射流各點(diǎn)速度不同,沖擊地面后,產(chǎn)生的沖擊壓力具有不均勻性,如圖2所示。

根據(jù)6種噴嘴產(chǎn)生的不同射流對(duì)土塞表面中心的作用力,在土體上表面施加一個(gè)非均布荷載,土體兩側(cè)施加垂直于軸線方向的約束,在底面施加固定約束,劃分網(wǎng)格后計(jì)算,CFD數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖2 射流作用土體沖擊壓力不均勻性示意圖

圖3 不同射流對(duì)土塞作用力數(shù)值模擬結(jié)果

對(duì)比土體內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)計(jì)算結(jié)果:由于射流軸線上速度最高,位于射流軸線上的土體內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)高應(yīng)力的應(yīng)力核,應(yīng)力核呈近似同心圓形擴(kuò)散,應(yīng)力逐漸減小;在應(yīng)力核兩側(cè)靠近壁面的位置出現(xiàn)2個(gè)低應(yīng)力區(qū),這是由于兩側(cè)受射流壓力較小;隨深度增加土體內(nèi)應(yīng)力減小。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果繪制出6種噴嘴產(chǎn)生射流作用于土體,土體內(nèi)最大應(yīng)力和最小應(yīng)力變化曲線(圖4)。

圖4 不同射流作用下土體內(nèi)最大應(yīng)力和最小應(yīng)力

對(duì)比6種噴嘴射流作用下土體內(nèi)的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力,應(yīng)力的變化趨勢(shì)基本相同,其中錐形噴嘴的應(yīng)力最小,等變速噴嘴的應(yīng)力最大,與模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合,為海洋石油樁基平臺(tái)射流輔助沉樁原理樣機(jī)采用等變速噴嘴試制提供了重要依據(jù)。

5 結(jié)論

1)開展海洋石油樁基平臺(tái)射流輔助沉樁模型實(shí)驗(yàn),測(cè)試6種噴嘴產(chǎn)生的不同形式射流對(duì)土塞表面中心處的作用力,等變速型噴嘴在土塞表面中心作用力最大,進(jìn)而說(shuō)明其有限噴距最長(zhǎng)。

2)借助CFD數(shù)值模擬對(duì)土體內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),對(duì)比6種噴嘴射流作用下土體內(nèi)的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力,與模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

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Experiment research on jet assisting pile sinking of offshore pile foundation platform

Huang Yong1Zhang Zhenyu2Chen Xinyong3Xing Yongchao1
(1.School of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Shandong,266580;2.Dongbei Special Steel Group Dalian Special Steel Material Testing Limited Company,Dalian,116105;3.CNPC Bohai
Drilling Engineering Co.Ltd.,Tianjin,300457)

A high-pressure water jet assisting pilesinking technology concept was proposed to overcome the difficulty in restarting the pile-sinking after intermittent piling.An experiment device for simulating the offshore water jet assisting pilesinking was designed and used to test the different stress in soil plug under the jets produced by six kinds of nozzles.Numerical simulation was used to get the stress distribution of the soil body and the maximum and minimum stresses in soil plug under the action of jets produced by six kinds of nozzles,which verified the experiment result of the model.High pressure water jet assisting pilesinking to improve the efficiency is completely feasible during the construction of offshore platform pile.Among the six nozzles,the jet distance of iso-variable nozzle was longest,with highest pressure at the center of soil plug surface.The study results provide the important evidence for trial-producing the principle prototype of jet assisting pile sinking of offshore pile foundation platform.

offshore pile foundation platform;high pressure water jet;assisting pile-sinking;numerical simulation experiment;model experiment

2014-01-27改回日期:2014-04-20

(編輯:葉秋敏)

*國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(編號(hào):2010CB226703)、山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號(hào):ZR2011EEQ012)、高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(編號(hào):20110133120013)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(編號(hào):14CX02164A)、中國(guó)石油大學(xué)科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(編號(hào):Y1302056)部分研究成果。

黃勇,男,講師,2013年畢業(yè)于吉林大學(xué),獲博士學(xué)位,主要從事油氣井工程方面的教學(xué)與研究工作。E-mail:niqiu_2005@ 163.com。