海洋平臺(tái)射流輔助沉樁試驗(yàn)研究

，，，

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 石油工程學(xué)院，山東 青島 266580；2. 中石油渤海鉆探工程有限公司， 天津 300000)

1 研究背景

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)[1-4]。

在海上沉樁施工遠(yuǎn)比地面沉樁施工復(fù)雜，經(jīng)常會(huì)由天氣條件、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，施工過程中出現(xiàn)停錘現(xiàn)象[5]。停錘少則幾個(gè)小時(shí)多則幾天甚至幾周，使連續(xù)打樁時(shí)樁周一定范圍內(nèi)土體強(qiáng)度恢復(fù)，后繼沉樁施工困難，甚至出現(xiàn)拒錘現(xiàn)象[6-8]。若出現(xiàn)拒錘，且樁貫入度又沒有達(dá)到設(shè)計(jì)深度時(shí)，與陸地樁基工程不同，在海上難以進(jìn)行樁基承載力靜壓試驗(yàn)[9-13]。為保證海洋工程安全，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)[14-15]。隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，水射流技術(shù)在海洋石油工業(yè)中也展現(xiàn)出了廣泛應(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)上述問題輔助動(dòng)力沉樁，使樁達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)貫入深度的沉樁方法。而試驗(yàn)是開展相應(yīng)研究的必要手段。基于設(shè)計(jì)的海洋平臺(tái)射流輔助沉樁模型試驗(yàn)裝置，開展6種形狀噴嘴產(chǎn)生的射流對(duì)土塞表面作用力的模型試驗(yàn)研究，并借助數(shù)值模擬對(duì)模型試驗(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)為海洋平臺(tái)射流輔助沉樁原理樣機(jī)的試制提供重要理論和試驗(yàn)依據(jù)。

2 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)涉及動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、土力學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的綜合、復(fù)雜、系統(tǒng)的研究課題。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，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，土壤再度沉降，固結(jié)在樁周圍，使樁牢固埋在土中的施工方法。沖孔和沉樁同時(shí)進(jìn)行，邊沖孔邊沉樁，因高壓水的噴射力很強(qiáng)，各種土體都能很快松動(dòng)。除較大的粗砂、礫石留在孔底外，一般土壤顆粒都能被回水沖出地面。

3 模型試驗(yàn)

海洋平臺(tái)射流輔助沉樁模型試驗(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。

3.1 土體強(qiáng)度分析

停錘階段，連續(xù)打樁產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力消散，土體強(qiáng)度逐漸恢復(fù)[16-22]。根據(jù)有效應(yīng)力原理，打樁施工前土中原有應(yīng)力為

σ=σ′+u0。

(1)

式中：σ為總應(yīng)力；σ′為有效應(yīng)力；u0為初始孔隙水壓力。令土體內(nèi)摩擦角為φ，此時(shí)土體強(qiáng)度τf為

τf=σ′tanφ=(σ-u0)tanφ。

(2)

打樁施工過程中土中應(yīng)力為

σ=σ′+u0+u。

(3)

式中u為超靜孔隙水壓力。則土體強(qiáng)度τf為

τf=σ′tanφ=(σ-u0-u)tanφ。

(4)

由式(4)知超靜孔隙水壓力的出現(xiàn)，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，即

σ=σ′-u0+ξu。

(5)

此時(shí)土體強(qiáng)度為

τf=σ′tanφ=(σ-u0+ξu)tanφ。

(6)

式中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。由式(6)知超靜孔隙水壓力的消散使土體強(qiáng)度提高，故后繼沉樁施工困難，甚至出現(xiàn)拒錘現(xiàn)象。所以試驗(yàn)關(guān)鍵是停錘周期后地層的模擬。

3.2 土層模擬

試驗(yàn)槽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。模擬土倒入槽內(nèi)后，搗實(shí)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)閉槽底排水閥，然后在試驗(yàn)槽中注入一定量的水，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)的試驗(yàn)土回彈至一種穩(wěn)定狀態(tài)[23]，此后即可進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試。

3.3 試驗(yàn)測(cè)試及分析

試驗(yàn)箱內(nèi)填土1.3 m，水深0.1 m。采用開口圓形管樁，試驗(yàn)時(shí)模型樁的總長(zhǎng)為1.1 m，樁體為圓形，直徑0.3 m，打入深度1 m，每0.25 m停頓1次，再利用水射流對(duì)樁內(nèi)土塞進(jìn)行破壞。試驗(yàn)采用橢圓進(jìn)口噴嘴(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)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試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 射流在土塞表面中心作用力

試驗(yàn)結(jié)果顯示，相同注入水壓條件下，在噴嘴最下方的土塞面層存在最大壓力，由中心向兩側(cè)呈現(xiàn)線性遞減。射流作用到土塞表面后發(fā)生偏轉(zhuǎn)，沿土表向兩側(cè)流動(dòng)，最終沿兩側(cè)壁上返。6種噴嘴的擴(kuò)散角度都較小，有利于射流能量的集中。對(duì)比6種噴嘴的射流等速核，等變速型噴嘴等速核寬度、長(zhǎng)度為最大，其有限噴距最長(zhǎng)，作用在土塞表面中心處的壓力也最大。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

4.1 數(shù)學(xué)模型

流體流動(dòng)受物理守恒定律支配，孔底流體滿足質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程[9]。

(1) 質(zhì)量守恒方程：

式中：ρ為密度；t為時(shí)間；V為速度矢量。

(2) 動(dòng)量守恒方程：

式中：vx,vy,vz是V在x，y,z方向上的分量；μ為動(dòng)力黏度；p為壓力；Svx，Svy,Svz為動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)。

(3) 能量守恒方程：

式中：T為溫度；cp為比熱容；k為傳熱系數(shù)；ST為黏性耗散項(xiàng)。

4.2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)前面6種噴嘴產(chǎn)生不同形式射流的模型試驗(yàn)結(jié)果，研究射流壓力作用下土塞內(nèi)部的應(yīng)力變化。以模型試驗(yàn)中開口鋼管樁的直徑，取寬0.3 m，深0.5 m的土體作為研究對(duì)象，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,以等變變速噴嘴為例，數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 土塞內(nèi)部應(yīng)力變化模擬結(jié)果

對(duì)比土體內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)計(jì)算結(jié)果得出：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)1個(gè)高應(yīng)力的應(yīng)力核，應(yīng)力核呈近同心圓形擴(kuò)散，應(yīng)力逐漸減??；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)生射流作用在土體上，土體內(nèi)最大應(yīng)力和最小應(yīng)力變化曲線，如圖3所示。

圖3 不同噴嘴射流作用下土體內(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塞內(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，與模型試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，為海洋平臺(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) 針對(duì)海洋石油平臺(tái)樁基建設(shè)中停錘問題，提出高壓水射流輔助沉樁技術(shù)設(shè)想，并根據(jù)有效應(yīng)力原理分析了停錘過程中土體強(qiáng)度的變化。

(2) 設(shè)計(jì)海洋平臺(tái)射流輔助沉樁模型試驗(yàn)裝置，該裝置測(cè)試出了6種噴嘴產(chǎn)生的不同形式射流對(duì)土塞中心表面作用力。

(3) 對(duì)比6種噴嘴的射流等速核，結(jié)果表明等變速型噴嘴等速核寬度、長(zhǎng)度為最大，其有限噴距最長(zhǎng)。

(4) 結(jié)合數(shù)值模擬對(duì)土體內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比6種噴嘴射流作用下土塞內(nèi)的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力，驗(yàn)證了模型試驗(yàn)結(jié)果。

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