遺留樁坑對自升式平臺滑移風險的影響及對策

毛東風，張明輝，張來斌，段夢蘭，宋林松（. 中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心；. 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局油氣安全工程技術(shù)研究中心；. 中海油田服務(wù)股份有限公司）

遺留樁坑對自升式平臺滑移風險的影響及對策

毛東風1, 2，張明輝1, 2，張來斌2，段夢蘭1，宋林松3
（1. 中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心；2. 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局油氣安全工程技術(shù)研究中心；3. 中海油田服務(wù)股份有限公司）

摘要：運用有限元分析方法研究了前期作業(yè)遺留樁坑對自升式鉆井平臺滑移風險的影響，提出了降低滑移風險的對策，并進行了實例分析。考慮流體在孔隙結(jié)構(gòu)中的滲流、滑動摩擦接觸以及材料與幾何非線性，建立了樁-土相互作用的流固耦合有限元模型，通過數(shù)值模擬結(jié)果與已發(fā)表文獻中實驗結(jié)果的對比，驗證了模型的可靠性。利用建立的模型分析了前期作業(yè)遺留樁坑影響下的樁基土體破壞過程、運移形式及遺留樁坑對樁-土相互作用的影響，結(jié)果表明：插樁初期遺留樁坑底部與樁靴底部出現(xiàn)塑性破壞區(qū)域，然后破壞區(qū)域隨著壓載的增加不斷增大，直至形成連續(xù)滑移面；樁靴周圍土體的運移形式隨著樁靴與遺留樁坑距離的增大出現(xiàn)明顯變化；隨著樁靴-遺留樁坑中心距的增大，峰值水平滑移力先增大再逐漸減小。在最終位置插樁前以適當?shù)木嚯x和深度進行試踩可有效降低平臺滑移風險。圖12表1參13關(guān)鍵詞：遺留樁坑；自升式平臺；鉆井平臺；平臺滑移；樁-土作用；樁靴

0　引言

隨著作業(yè)頻次的增加，自升式鉆井平臺在相近或同一位置二次甚至是多次插樁作業(yè)的情況越來越多。“踩腳印”問題越來越多地威脅著自升式鉆井平臺的作業(yè)安全。遺留樁坑（老腳?。е碌牟痪鶆虺休d力可能使樁靴在插樁過程中滑向遺留樁坑 ，當幾個樁腿向不同方向傾斜時，可能造成樁腿與平臺卡住，導致鉆井平臺不能升起，嚴重影響樁腿乃至整個平臺結(jié)構(gòu)的安全。樁靴滑移趨勢由水平滑移力的大小和樁靴對樁腿與船體連接處的力矩大小決定。約1/3的插拔樁事故與地基有關(guān)，而其中的15%源于遺留樁坑[1]。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[2]，原則上在插樁過程中不允許樁靴接近遺留樁坑或與遺留樁坑部分重合，當情況不可避免時，盡可能使用與之前完全相同的裝置在完全相同的地點作業(yè)。然而，每一平臺的設(shè)計都互不相同且其部署也受多種因素影響，顯然現(xiàn)有規(guī)范已不足以保證平臺在遺留樁坑附近的安全作業(yè)。由于踩腳印問題涉及非線性滲流、材料與幾何非線性、流固耦合、插樁過程中的滑移接觸摩擦、數(shù)值模擬收斂等復雜問題[3]，迄今為止，國內(nèi)外只有極少數(shù)關(guān)于遺留樁坑問題的研究。國外的研究始于20世紀90年代，主要通過建立樁-土相互作用實驗模型研究遺留樁坑存在條件下樁-土之間的相互作用，模擬壓樁過程中的土體破壞情況：Stewart D P等[4]通過離心機模擬實驗研究了樁腿的抗彎強度對遺留樁坑存在條件下樁-土相互作用的影響、樁靴與遺留樁坑的距離對滑移的影響；Cassidy M J等[5]通過實驗模擬了不同預壓載下的壓樁過程，提出樁靴所受水平力矩將隨壓載增大而增加；Teh K L等[6]開展了一系列實驗以確定海床角度和遺留樁坑對滑移的影響，發(fā)現(xiàn)遺留樁坑產(chǎn)生的樁靴水平滑移力遠大于海床斜面產(chǎn)生的樁靴水平滑移力；Jardine R J等[7]指出將三維樁-土接觸問題理想化為平面應(yīng)變問題可以從工程上給出足夠精確的預測。目前國內(nèi)外對于遺留樁坑問題的研究尚不充分，公開發(fā)表的相關(guān)文獻也很有限。因此，本文對插樁過程中樁-土耦合作用有限元模型的建立及參數(shù)處理方法進行探討，采用ABAQUS軟件對遺留樁坑影響下的樁-土相互作用、樁基土體的破壞形式以及樁靴-遺留樁坑距離對平臺滑移的影響進行研究，得到水平滑移力變化規(guī)律，并通過與實驗結(jié)果對比進行驗證，在此基礎(chǔ)上提出應(yīng)對方案并進行實例分析。

1　分析方法與計算模型

在分析遺留樁坑影響下的樁-土相互作用時，應(yīng)進行流體的滲流-應(yīng)力耦合計算。本文采用不排水總應(yīng)力分析方法，即總應(yīng)力為有效應(yīng)力與考慮飽和度的靜水壓力之和，則得到垂直方向平衡方程：

考慮流體滲流-應(yīng)力耦合，計算時有限元網(wǎng)格固定在土骨架上，在滿足流體連續(xù)方程前提下，流體可以流過網(wǎng)格，流體的非線性滲流采用Forchheimer滲流定律[8]模擬。假設(shè)土體為理想彈塑性體，即土體本構(gòu)模型為摩爾-庫侖模型[9]，且假定其彈性模量與不排水抗剪強度近似成比例，取前者為后者的500倍。摩爾-庫侖強度準則[9]為：

其中

選取樁靴與遺留樁坑中心連線所在垂直面建立有限元二維模型（見圖1）。遺留樁坑直徑為D，深度為d，為降低模型邊界對數(shù)值模擬精度的影響，取土體寬度為15D，深度為7d。為避免有限元計算過程中的“自鎖”現(xiàn)象并提高計算精度，采用2階減縮單元，土體采用8節(jié)點平面應(yīng)變孔壓單元（CPE8PR）。對于樁-土接觸，需在其表面定義接觸屬性以模擬二者之間力的傳遞和相對位移。采用主、從接觸算法，選取樁靴表面為主動面，土體表面為被動面[10]，樁-土接觸采用罰函數(shù)形式，切向接觸服從庫侖摩擦定律[9]，法向接觸采用硬接觸形式，不允許樁靴與土體之間相互穿透，允許樁靴與周圍土體發(fā)生分離[10]。為了得到準確的樁靴水平滑移力-垂直方向位移曲線，選擇位移控制法進行加載。為了降低收斂難度，對樁靴尖端進行簡化，鑒于典型錐形樁靴側(cè)面積比底面積小很多，忽略樁靴側(cè)面摩擦阻力。取不排水黏性土摩擦系數(shù)0.2～0.3，排水粒狀土的摩擦系數(shù)為tanδ。

圖1　有限元模型

由于自重應(yīng)力場作用下土體不變形，計算時應(yīng)首先進行初始地應(yīng)力平衡。一般涉及土體的模擬常采用Geostatic分析步計算得到，與給定初始條件相對應(yīng)的應(yīng)力平衡狀態(tài)作為后續(xù)分析的初始應(yīng)力場，然而遺留樁坑的存在使得此法難以奏效。本文采用適用于復雜地形的地應(yīng)力平衡法，即通過在初始條件（*INITIAL CONDITIONS）中導入應(yīng)力文件實現(xiàn)。此外，考慮樁靴貫入深度較大時會引起土體變形嚴重，采用ALE（任意拉格朗日-歐拉方法）自適應(yīng)網(wǎng)格以避免出現(xiàn)巨大的扭曲或變形從而保證計算的精確性。

參照西澳大學Gan C T等[5,11-13]的離心機實驗數(shù)據(jù)，利用上述建模方法建立二維及三維有限元模型，經(jīng)數(shù)值模擬計算得到樁靴于不同深度時各接觸單元上的水平力分量，求和得到水平滑移力（見圖2），并與實驗結(jié)果[5, 11-13]（見圖3）進行對比。結(jié)果表明，二維及三維數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合程度均較好，驗證了本文計算模型的可靠性。由于三維模型運算時間長、收斂難度大，本文選用二維模型進行分析。

圖2　數(shù)值模擬結(jié)果

圖3　離心機實驗結(jié)果

2　遺留樁坑對平臺滑移的影響

2.1 樁靴周圍土體破壞過程

采用建立的有限元模型分析樁靴周圍的土體破壞過程，取樁靴-遺留樁坑中心距L=0.75 D（D=6 m，d=6 m），采用的單層黏土參數(shù)為：有效密度860 kg/m3，黏聚力20 kPa，內(nèi)摩擦角0°。

樁靴周圍土體的破壞過程分為3個階段：①塑性破壞開始出現(xiàn)于遺留樁坑底部邊緣（見圖4a）；②隨著壓載的增大，遺留樁坑底部的破壞區(qū)域擴大并開始在樁靴周圍遠離遺留樁坑一側(cè)土體出現(xiàn)塑性破壞區(qū)域（見圖4b）；③當土體徹底破壞時，塑性破壞區(qū)域擴大成為連續(xù)滑移面（見圖4c）。

2.2 樁靴-遺留樁坑中心距對土體運移方式的影響

圖5為當樁靴達到預計深度時不同樁靴-遺留樁坑中心距條件下樁靴周圍土體的位移矢量圖，可以看出：遺留樁坑底部土體有明顯的隆起趨勢，且靠近遺留樁坑一側(cè)的土體向遺留樁坑一側(cè)顯著運移；隨著中心距的增大，樁靴下方土體基本隨樁靴下移，而大部分靠近遺留樁坑一側(cè)的土體向遺留樁坑移動，少部分隨著樁靴邊緣下移。

2.3 樁靴-遺留樁坑中心距對平臺滑移的影響

圖4　樁靴周圍土體破壞過程

圖5　不同樁靴-遺留樁坑中心距條件下壓樁結(jié)束時的土體位移矢量圖

圖6為不同樁靴-遺留樁坑中心距條件下樁靴所受水平滑移力與其垂直方向位移的關(guān)系，表1為樁靴在不同樁靴-遺留樁坑中心距下的峰值水平滑移力，可以看出：隨著中心距的增大，樁靴所受水平滑移力峰值不斷增大，至中心距4 m時產(chǎn)生最大的峰值水平滑移力，隨后峰值水平滑移力隨中心距的增大逐漸減小。為進一步研究樁靴峰值水平滑移力與中心距的關(guān)系，將樁靴與遺留樁坑的距離無因次化（見表1）。

圖6　不同中心距下樁靴水平滑移力-垂直方向位移關(guān)系

表1　樁靴在不同樁靴-遺留樁坑中心距下的峰值水平滑移力

對于踩腳印問題，樁靴所受水平滑移力與土體強 度、遺留樁坑尺寸、樁靴直徑以及樁靴與遺留樁坑距 離有關(guān)，本文僅考慮樁靴-遺留樁坑中心距對峰值水平 滑移力的影響。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，并考慮中心距為 零時由于樁靴與遺留樁坑重合水平滑移力為零，利用 MATLAB軟件擬合得到峰值水平滑移力與中心距、遺 留樁坑直徑比值間的關(guān)系式：

圖7為峰值水平滑移力與樁靴-遺留樁坑距離的擬合曲線，可以看出：峰值水平滑移力隨中心距的增加先增大后減小，在中心距與遺留樁坑直徑之比為0.75時產(chǎn)生最大峰值水平滑移力。此外，當中心距與遺留樁坑直徑之比大于等于5時，峰值水平滑移力趨近于零，此時遺留樁坑對滑移的影響可以忽略。

圖7　峰值水平滑移力與樁靴-遺留樁坑距離擬合曲線

3　踩腳印問題對策

針對踩腳印問題，本文提出“試踩”的對策。所謂“試踩”是指自升式平臺在最終位置插樁前在距遺留樁坑適當距離處按照一定的深度先進行預壓載，以使部分樁基土體滑進遺留樁坑，從而減小水平滑移力。例如，將圖7所示最危險的情況（L=0.75D）作為最終插樁位置，以中心距1.00D、1.25D、1.50D、1.75D和2.00D分別進行試踩。有限元模型除了地基土為雙層土之外，其余與圖1相似。對于中國某一典型水域區(qū)塊，設(shè)計插樁深度為7 m，第1層土為黏土，厚度5 m，黏聚力11 kPa，第2層土為沙土，內(nèi)摩擦角15°。

圖8為直接在最終位置插樁就位（無試踩）時樁靴在不同深度下的水平滑移力，可以看出：在第1層土中插樁時水平滑移力較小，在第2層土中插樁時水平滑移力增長很快且可能導致樁腿結(jié)構(gòu)損壞。

圖8　直接插樁時樁靴在不同深度下水平滑移力

圖9為在不同中心距處進行試踩時樁靴在不同深度下的水平滑移力，可以看出：在中心距大于1.25D處試踩時的水平滑移力已大幅減少，即在此條件下試踩后可以安全插樁。

圖9　不同中心距處試踩時樁靴在不同深度下水平滑移力

圖10為在不同中心距處進行試踩后樁靴在最終位置插樁就位時的水平滑移力，由于在1.25D處試踩時的峰值水平滑移力最小，建議試踩中心距為1.25D。

圖10　不同中心距處試踩后在最終位置插樁時水平滑移力

綜合考慮在中心距1.25D處試踩時的承載力曲線（見圖11）及不同試踩深度試踩后在最終位置插樁時的水平滑移力曲線（見圖12），建議試踩深度為7 m。

圖11　中心距1.25D處試踩時的承載力曲線

圖12　不同試踩深度試踩后在最終位置插樁時的水平滑移力

4　結(jié)論

基于遺留樁坑影響下樁-土相互作用的分析，建立了有限元模型，模型可靠性得到了實驗數(shù)據(jù)的驗證。利用建立的模型進行分析后發(fā)現(xiàn)：①在遺留樁坑影響下，插樁初期遺留樁坑底部與樁靴底部出現(xiàn)塑性破壞區(qū)域，然后破壞區(qū)域隨著壓載的增加不斷增大，直至形成連續(xù)滑移面。②樁靴下方及靠近遺留樁坑一側(cè)土體的運移形式隨著樁靴與遺留樁坑距離的增大出現(xiàn)明顯變化。③隨著樁靴-遺留樁坑中心距的增大，樁靴所受峰值水平滑移力先增大再逐漸減小，直至趨近于零，此時遺留樁坑對平臺滑移的影響可以忽略。

在最終位置插樁之前，以適當?shù)木嚯x和深度進行試踩，將極大地減小樁靴水平滑移力、降低平臺滑移風險。

符號注釋：

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（編輯 胡葦瑋）

Sliding risk of jack-up platform re-installation close to existing footprint and its countermeasure

Mao Dongfeng1,2, Zhang Minghui1,2, Zhang Laibin2, Duan Menglan1, Song Linsong3
(1. Ocean Oil-Gas Research Center, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 2. SAWS Oil-Gas Safety Engineering Center, Beijing 102249, China; 3. China Oilfield Services Limited, Yanjiao 065201, China)

Abstract:Analysis on the sliding risk of jack-up platform re-installation close to the existing footprint is conducted with finite element method. An effective countermeasure to reduce the sliding risk is suggested and an example analysis for an existed jack-up platform re-installation in a typical block with two layer soil within design driving depth in China sea area is carried out. Taking into consideration fluid seepage in pore structure, sliding contact friction, and the material and geometric nonlinear properties, a fluid-solid coupling finite element model for the spudcan-soil interaction is constructed. By comparing the numerical simulation result with the experimental result published in the literature, the reliability of the finite element model is verified. With the model, the failure process, the movement pattern of foundation and the spudcan-soil interaction under the impact of the footprint are analyzed. The study shows: in pitching pile the plastic failure zone appears at the low corner close to the spudcan first, then the area beneath the spudcan, and the plastic area becomes larger to form a connecting region finally as the loading increases continuously; the migration pattern of soil around the spudcan changes sharply with the distance between the spudcan and the footprint increasing; at the same time the peak value of the horizontal sliding force increases first then decreases gradually. In the final pitching pile position, ‘stomping’ in advance in appropriate distance and depth can reduce the sliding risk of a jack-up platform re-installation effectively.

Key words:existing footprint; jack-up platform; drilling platform; sliding risk; spudcan-soil interaction; spudcan

收稿日期：2014-02-13 修回日期：2015-01-28

作者簡介：第一毛東風（1962-），女，河北石家莊人，中國石油大學（北京）海洋油氣研究中心、國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局油氣安全工程技術(shù)研究中心教授，主要從事海洋油氣結(jié)構(gòu)工程、海洋油氣安全、管柱力學、流固耦合等方面的研究。地址：北京市昌平區(qū)府學路18號，中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，郵政編碼：102249。E-mail：maodf@cup.edu.cn

DOI:10.11698/PED.2015.02.14

文章編號：1000-0747(2015)02-0233-05

文獻標識碼：A

中圖分類號：TE53

基金項目：國家自然科學基金（51379214）；國家科技重大專項（2011ZX05027-005-001）