自升式平臺(tái)在多層土質(zhì)上地基承載力計(jì)算

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(中船重工船舶設(shè)計(jì)研究中心有限公司，大連 116001)

自升式平臺(tái)在多層土質(zhì)上地基承載力計(jì)算

冷述棟，尹勇，于斌，白銳利

(中船重工船舶設(shè)計(jì)研究中心有限公司，大連 116001)

基于工程應(yīng)用較為廣泛的單層土的地基承載力的計(jì)算方法，提出一種多層土中地基承載力的計(jì)算方法，采用從底至上的逐步雙層土修正。與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析表明，吻合較好。該方法能夠較好地解決自升式平臺(tái)在多層土質(zhì)上插樁深度計(jì)算問(wèn)題，并對(duì)擠壓和穿刺問(wèn)題進(jìn)行較好的預(yù)測(cè)。

地基承載力；多層土質(zhì)；穿刺

影響自升式平臺(tái)安全作業(yè)的因素很多，其中地質(zhì)條件是最基礎(chǔ)因素。海域地質(zhì)條件復(fù)雜，自升式平臺(tái)在這種復(fù)雜條件下工作經(jīng)常會(huì)發(fā)生穿刺的危險(xiǎn)，造成樁腿的損壞，平臺(tái)船體發(fā)生傾斜甚至翻沉工作。因此，自升式鉆井平臺(tái)在作業(yè)過(guò)程中的地基承載力預(yù)測(cè)分析工作尤為重要。

SNAME規(guī)范中[1]的研究方法對(duì)單層土和雙層土的地基承載力有較好預(yù)測(cè)，但是對(duì)3層以上土的地基承載力計(jì)算并沒(méi)有較好的方法。數(shù)值計(jì)算的方法操作較為復(fù)雜[2-4]，難以滿足實(shí)際工程項(xiàng)目的需求。

為此，考慮采用將單層土計(jì)算和雙層土修正相結(jié)合方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)多層土中地基承載力的計(jì)算。

1 計(jì)算原理

采用單層土地基承載力的計(jì)算方法進(jìn)行多層土承載力的初步計(jì)算，根據(jù)2層土接觸面之間的承載力關(guān)系，判定擠壓的壓潰和刺穿現(xiàn)象，采用相應(yīng)的雙層土承載力計(jì)算方法進(jìn)行由下而上的逐一修正，從而獲取到修正后的多層土地基承載力計(jì)算結(jié)果。

對(duì)于單層土數(shù)據(jù)的計(jì)算方法以及雙層土的修正方法，可以根據(jù)需要采用不同方法，較為常用的為SNAME規(guī)范推薦的方法，也可采用H Pan[5-7]等提出的最新方法進(jìn)行修正計(jì)算，這對(duì)多層土的計(jì)算方法并不會(huì)產(chǎn)生影響。

2 計(jì)算詳細(xì)步驟與流程

4)依據(jù)此方法進(jìn)行修正后，就可以將這2層土作為1層處理，逐步向上1層修正到頂層。根據(jù)3)修正的結(jié)果，繪制多層土地基承載力圖。

具體流程見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算流程

采用如上方法進(jìn)行多層圖地基承載力計(jì)算，為了獲取合理的預(yù)測(cè)結(jié)果，有如下幾點(diǎn)需要注意。

1)某些土層特別薄，在計(jì)算時(shí)候可適當(dāng)考慮進(jìn)行簡(jiǎn)化。一般來(lái)講，土層厚度小于0.5 m的都可以忽略。

2)當(dāng)樁靴插樁到臨界2層交界口時(shí)，樁靴的有效承載面積需要合理考慮與處理。

3)所提供的計(jì)算方法并不僅僅局限于粘土和砂土的計(jì)算。對(duì)于其他類(lèi)型土質(zhì)，也可采用此方法進(jìn)行計(jì)算，只是單層計(jì)算方法應(yīng)適當(dāng)考慮。

3 算例與分析

Dutt[8]對(duì)墨西哥灣某自升平臺(tái)插樁進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。本計(jì)算中采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，土質(zhì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。粘土是上層軟質(zhì)，向下逐漸增強(qiáng)。中間有3 m的砂土層。樁靴數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1 土質(zhì)數(shù)據(jù)

表2 樁靴數(shù)據(jù)

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 三層土中地基承載力計(jì)算結(jié)果

由于第2層為砂土，地基承載力較強(qiáng)，而第3層粘土的地基承載力較弱,這2層為“蛋殼”地質(zhì)，容易發(fā)生刺穿的現(xiàn)象，在計(jì)算中該現(xiàn)象得到很好預(yù)測(cè)。第1層粘土和第2層砂土之間容易發(fā)生擠壓現(xiàn)象。計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，說(shuō)明該方法還是能夠較好的計(jì)算多層土的地基承載力。

結(jié)果仍有一定的偏差，分析原因如下：雙層土的擠壓修正方法的選取，不同修正方法對(duì)結(jié)果影響較大；樁靴插到臨界面是的面積修正因素，在該計(jì)算中并沒(méi)有進(jìn)行面積修正；平均抗剪強(qiáng)度計(jì)算方法的影響，本計(jì)算中的平均抗剪強(qiáng)度計(jì)算方法來(lái)自SNAME規(guī)范，規(guī)范中也說(shuō)明此方法的精度并沒(méi)有得到完全驗(yàn)證。

4 結(jié)論

1)如何根據(jù)地質(zhì)數(shù)據(jù)選擇較為合適的計(jì)算修正方法，有待進(jìn)一步研究；

2)當(dāng)樁靴接近臨界面時(shí)，需要適當(dāng)考慮樁靴受力面積的計(jì)算；

3)粘土計(jì)算中，平均抗剪強(qiáng)度的計(jì)算方法仍有待于提高與驗(yàn)證。

[1] WILLIAM T. Recommended practice for site specific assessment of mobile jack-up units[M]. Third Version. Jersey City: SPE,2007.

[2] 王鵬.自升式鉆井平臺(tái)插樁數(shù)值模擬研究[D].天津:天津大學(xué),2012.

[3] 張愛(ài)霞.方形樁靴自升式平臺(tái)地基極限承載力及結(jié)構(gòu)抗穿刺研究[D].大連:大連理工大學(xué),2013.

[4] 林一.自升式平臺(tái)樁靴/地基承載力的數(shù)值分析[J].船舶工程,2015,37(8):83-88.

[5] Pan Hu. The Resistance Profile of a Penetrating Sand Overlying Clay[J]. Canadian Geotechnical Journal,2014(51):1151-1164.

[6] HOSSAIN M S. Cavity ability and bearing capacity of spudcan foundations on clay[C]. Offshore Technology Conference, Houston: SPE,2006:51-63.

[7] NEBZUES DAVUD. Comparison of jack-up rig spudcan penetration methods in clay[C]. Offshore Technology Conference, Houston: SPE,2008:101-112.

[8] DUTT R N, INGRAM W B. Jackup rig siting in calcareous soils[C]. Annual Offshore Technology Conference, Houston, TX, USA: Society of Petroleum Engineers,1984:58-66.

Prediction of Bearing Capacity in Multiple Soil Layers for Jack-up Unit

LENGShu-dong,YINYong,YUBin,BAIRui-li

(China Ship Design and Research Center, Dalian Liaoning 116001, China)

Based on the single layer soil methods adopted commonly in practice, the design method was proposed, aiming at solving the spudcan penetration problem in soils with multiple layers. This method adopt bottom-up correction for every two layer gradually.The proposed method was verified with published data obtain in site. The jack-up unit penetration in multiple layers, as well as the soil squeezing and punch-through problems, can be well solved by this method.

bearing capacity; multiple soil; punch through

U674.38;P751

A

1671-7953(2017)05-0046-03

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.014

2016-10-13

修回日期：2016-11-09

工信部高技術(shù)艦船科研項(xiàng)目2014

冷述棟(1988—)，男，碩士，工程師

研究方向：海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)