自升式平臺樁靴與土壤相互作用計算方法研究

王 琳， 曲健冰， 李紅濤

(中國船級社海洋工程技術(shù)中心， 天津 300457)

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自升式平臺樁靴與土壤相互作用計算方法研究

王 琳， 曲健冰， 李紅濤

(中國船級社海洋工程技術(shù)中心， 天津 300457)

自升式平臺樁靴與土壤的相互作用對整體性能的研究具有重要影響，合理的設(shè)定土壤剛度對準(zhǔn)確評估自升式平臺的性能具有重要意義，同時針對具體的井位進(jìn)行分析，可以在一定程度上提高平臺的作業(yè)能力。該文在吸收國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，利用SNAME規(guī)范中提出的算法，對某自升式平臺進(jìn)行計算驗(yàn)證，進(jìn)一步梳理了計算流程，對土壤剛度在工程實(shí)踐中的具體應(yīng)用具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。由于自升式平臺的作業(yè)特點(diǎn)以及SNAME規(guī)范本身的適用范圍，該推薦做法僅適用于對平臺針對具體井位的作業(yè)能力分析。

土壤剛度；自升式平臺；整體性能

0 引言

在以往對自升式平臺進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計及評估時，樁靴約束一般采用《海上移動平臺入級規(guī)范(2012)》中的規(guī)定，帶有獨(dú)立樁靴的樁腿在設(shè)置底部的邊界條件時，可按樁腿/樁靴的貫入深度給予適當(dāng)考慮。除進(jìn)行詳細(xì)的樁靴-土相互作用計算并得到CCS認(rèn)可外，一般可按以下考慮[1]：

(1)當(dāng)樁靴只有部分入泥時，鉸支點(diǎn)取在最大入泥深度的一半處；

(2)當(dāng)樁靴整體全部入泥后，鉸支點(diǎn)取在樁靴高度的一半處。

但是對于有特定要求或進(jìn)行井位分析時，需要詳細(xì)分析樁靴-土壤的相互作用，為此，該研究通過查看相關(guān)領(lǐng)域的規(guī)范、文獻(xiàn)及實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，詳細(xì)介紹了考慮土壤剛度的具體算法，為海上自升式平臺的評估提供參考和借鑒。

1 樁靴與土壤相互作用計算方法介紹

當(dāng)計算模型考慮樁靴-土壤相互作用時，邊界條件定義為彈性支撐，即三個方向的彈簧剛度系數(shù)：垂向剛度系數(shù)K1，水平剛度系數(shù)K2，扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)K3。

1.1 考慮土壤剛度的計算流程

土壤對樁靴的約束情況取決于土壤類型，樁端允許的最大垂向載荷，樁靴的幾何形狀，垂向載荷和水平載荷的組合狀態(tài)等。

具體計算流程如下：

(1) 將初始土壤垂向剛度、水平剛度和扭轉(zhuǎn)剛度施加于結(jié)構(gòu)計算模型，分析平臺在重力、環(huán)境力、慣性力等載荷作用下的響應(yīng)。

(2) 在模型計算結(jié)果中提取樁靴反力(QV,QH,QM)，代入土壤的屈服面方程，以查看土壤失效情況。在自存工況時，土壤如果在屈服面之外，通過降低土壤的扭轉(zhuǎn)剛度，重新計算模型查看結(jié)果，直到每個樁靴處的土壤受力均在屈服面之內(nèi)。

(3) 如果扭轉(zhuǎn)剛度減小到0，土壤受力仍在屈服面之外，說明該樁腿土體有失效的可能。

(4) 當(dāng)土壤依據(jù)初始剛度進(jìn)行計算時，如果土壤受力在屈服面以內(nèi)，土壤的扭轉(zhuǎn)剛度要進(jìn)行折減，折減后計算結(jié)果仍需在屈服面以內(nèi)。

土壤剛度迭代流程圖如圖1所示。

圖1 土壤剛度迭代流程圖

1.1.1 初始剛度的確定

初始土壤剛度確定如下[2，3]：

垂向剛度的確定

水平剛度的確定

轉(zhuǎn)動剛度的確定[4]

式中：ν為土壤泊松比；GV,GH,GR分別為土壤的垂向剪切剛度，水平剪切剛度以及轉(zhuǎn)動剪切剛度，定義如下：

(1) 粘土中：

其中：cu為土壤的不排水抗剪強(qiáng)度。

對于固結(jié)粘土，固結(jié)系數(shù)大于10時，G/cu=50；固結(jié)系數(shù)在4～10之間時，G/cu=100；固結(jié)系數(shù)小于4時，G/cu=200。

如果在樁靴下土壤有小的應(yīng)變，應(yīng)該采用更高的Ir數(shù)值，一般推薦固結(jié)較嚴(yán)重時取200～400，固結(jié)相對不嚴(yán)重時采用800～1 000[5,6]。

(2)沙土中[7]：

Gv=36 600+34.9(VLo/A)

Gh=1 100+5.6(VLo/A)

式中：A為樁靴的有效接觸面積。

1.1.2 土壤屈服面的確定

當(dāng)樁靴入泥較淺時，土壤的屈服面定義如下：

式中：VLo為樁靴允許的最大垂向預(yù)壓載荷，HLo，MLo定義如下：

對于沙土：

HLo=(C1/C2)(VLo/4)=0.12VLo

式中：C1=0.3，C2=0.625,B為基礎(chǔ)的接觸直徑。

對于粘土：

HLo=cuoA+(cuo+cu1)As

將樁靴反力(QV,QH,QM)代入方程(1)左側(cè)，如果左側(cè)結(jié)果小于0時，則該反力載荷在屈服面之外。

1.1.3 土壤剛度的折減

在土壤依據(jù)初始剛度進(jìn)行計算時，如果某個樁靴處的土壤受力(QV,QH,QM)在屈服面以內(nèi)，土壤的扭轉(zhuǎn)剛度要進(jìn)行折減，折減系數(shù)定義如下：

其中：

如果rf>1.0，證明土壤受力(QV,QH,QM)在屈服面以外，此時剛度折減系數(shù)fr無效。

1.2 入泥深度對土壤剛度的影響

考慮入泥深度對土壤剛度的影響時，一般在原來土壤剛度的基礎(chǔ)上乘以入泥深度系數(shù)Kd。Kd1,Kd2,Kd3分別表示垂向剛度影響系數(shù)，水平剛度影響系數(shù)和扭轉(zhuǎn)剛度影響系數(shù)[8]。

Case1和Case2分別表示樁靴土壤不回填以及樁靴土壤回填，入泥深度系數(shù)見表1，土壤不回填情況如圖2所示，土壤回填狀況如圖3所示。

表1 入泥深度系數(shù)

圖2 土壤不回填 圖3 土壤回填

2 工程算例

以某自升式平臺為例，分析其考慮土壤彈簧剛度后的樁靴受力。平臺結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，平臺主要作業(yè)條件見表2。

圖4 有限元模型圖

表2 平臺作業(yè)條件

鉆井自存水深(feet)300300波高(feet)4050波周期(s)1210風(fēng)速(knots)6070流速(knots) @水面下50feet00 @水面 11氣隙(feet)3636樁腿入泥深度(feet)1313樁腿長度(feet)417417

2.1 粘土中

假定此移動平臺作業(yè)海床為粘土，不排水抗剪強(qiáng)度為40 kPa，泊松比為0.48，則樁靴受力計算結(jié)果見表3、表4(選取作業(yè)工況進(jìn)行計算，環(huán)境入射角度為120°，此方向?yàn)橐鹣嘛L(fēng)向樁靴反力最大的方向)。

表3 參數(shù)計算

表4 土壤承載力計算

圖5為該狀態(tài)下地基垂向-橫向承載力示意圖及三個樁靴受力。

圖5 地基垂向-橫向承載力示意圖

由圖5可以看出，鉆井作業(yè)狀態(tài)下，預(yù)估的初始土壤剛度下，一般土體受力能夠落在屈服面內(nèi)，需要利用折減系數(shù)重新校核土壤的穩(wěn)定性。

2.2 砂土中

假定此移動平臺作業(yè)海床為砂土，泊松比為0.48，則樁靴受力計算結(jié)果見表5(選取自存工況進(jìn)行計算，環(huán)境入射角度為120°，此方向?yàn)橐鹣嘛L(fēng)向樁靴反力最大的方向)。

表5 土壤承載力計算

圖6為該狀態(tài)下地基垂向-橫向承載力示意圖及三個樁靴受力(在初始扭轉(zhuǎn)剛度下，如果土壤受力在屈服面外，扭轉(zhuǎn)剛度降低后應(yīng)盡量在屈服面附近，即失效比率接近1.0)。

圖6 地基垂向-橫向承載力示意圖

由圖6可以看出，自存狀態(tài)下，如果土體受力不能落在屈服面內(nèi)，需要反復(fù)調(diào)整計算，使各個樁靴附近土體受力盡量接近屈服面，即失效比率接近1.0。對于其調(diào)整方法，目前尚無相關(guān)的規(guī)范給出規(guī)定或推薦方法，且由于幾條樁腿端部的剛度相互影響，調(diào)整過程可能會比較繁瑣，使用者應(yīng)盡量尋找規(guī)律，減少重復(fù)計算次數(shù)。

2.3 小結(jié)

由以上分析可以看出：

(1)考慮樁靴-土壤的相互作用，樁端部分彎矩由土體分擔(dān)，從而有利于平臺的整體性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(2)平臺樁腿端部允許的最大預(yù)壓載荷是確定土壤屈服面的最關(guān)鍵因素。

(3)砂土中，泊松比越大，土壤剛度越大，平臺受土體的約束越明顯；粘土中，不排水抗剪強(qiáng)度越大，泊松比越高，平臺受土體的約束越明顯。

(4)樁靴的入泥深度越深，樁靴上覆土回填良好，有利于站立工況的結(jié)構(gòu)整體性能，但是又需考慮拔樁的影響，要綜合權(quán)衡考慮。

(5)樁靴尺寸是影響土體穩(wěn)定和平臺結(jié)構(gòu)整體性能的重要因素，設(shè)計時應(yīng)慎重考慮。

3 結(jié)語

該文提供了一種考慮樁靴-土壤接觸剛度的計算方法，砂土中和粘土中分別選取了一個自存工況或作業(yè)工況進(jìn)行舉例說明，而實(shí)際一個完整的平臺計算評估，需要考慮平臺的具體設(shè)計作業(yè)水深，考慮鉆井工況和風(fēng)暴自存兩種站立工況，每種工況需要考慮不同的波浪入射方向，同時需要考慮砂土和粘土兩種土壤類型，在每次計算過程中，依據(jù)初始土壤剛度計算結(jié)果迭代次數(shù)不定(一般進(jìn)行一次井位分析的計算次數(shù)為：2個作業(yè)水深×2種站立狀態(tài)×5個環(huán)境載荷入射方向×2種土壤類型×至少2次迭代計算≈80次)，同時除需評定土壤承載力外，還需進(jìn)行平臺樁腿強(qiáng)度和各項(xiàng)整體性能的校核，工作量較大，建議實(shí)際工程項(xiàng)目中，選取較危險的具有代表性的工況進(jìn)行核算，以便更加高效的指導(dǎo)工程實(shí)際。

以上算法針對單一的砂土或粘土，且土壤參數(shù)固定，是比較理想的狀態(tài)，而實(shí)際的土壤固結(jié)情況、回填情況，分層狀態(tài)、土壤性質(zhì)等復(fù)雜多變，如需更詳細(xì)的計算方法，需要進(jìn)一步研究。

[1] 中國船級社.海上移動平臺入級規(guī)范[S].2012.

[2] SNAME 5-5A.Guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units[S].2002.

[3] SNAME 5-5A.Recommended practice for site specific assessment of mobile jack-up units[S].2007.

[4] Winterkorn H F， Fang H Y.Foundation Engineering Handbook[M].Van Nostrand Reinbhold Company，2005.

[5] Andersen K H. Cyclic effects on Bearing Capacity and Stiffness for a Jack-up Platform on Clay[R].NGI Oslo report 913012-1, 1992.

[6] Wroth.A Review of the Engineering Properties of Soils with Particular Reference to the Shear Modulus[R].Cambridge University Engineering Department. Report No 1523/84./SM049/84，1979.

[7] Dean.A New Procedure for Assessing Fixity of Spudcans on Sand[R]. Andrew N Schofield and Associates Ltd., Cambridge, for Joint Industry Jack-Up Committee，1992.

[8] Bell R W. The Analysis of Offshore Foundations Subjected to Combined Loading[R]. MSc. Thesis presented to the University of Oxford，1991.

Study on Function of Spud Can Footings in Sand and Clay for Jack-up

WANG Lin， QU Jian-bing， LI Hong-tao

(Offshore Engineering Technology Center of CCS，Tianjin 300457， China)

Function of spud can footings in sand and clay is important for jack-up general performance, so it is significant to estimate the rotational, vertical and horizontal stiffness for spud can in soil and this can improve the capability of the jack-up units in specific site. Based on relative studies and rules, the SNAME method is suggested and as an example, we analyzed a jack-up with three spud cans. And it should be noted that this guideline is applicable only for jack-ups in specific site.

soil stiffness; jack-up; general performance

2013-11-22

王 琳(1985-)，女，工程師

1001-4500(2015)03-0061-07

P75

A