自升式平臺樁腿穿刺分析及風險控制方法探討

許 浩，劉振紋，祁 磊，鄧海峰，李 春

中國石油集團工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

自升式平臺樁腿穿刺分析及風險控制方法探討

許 浩，劉振紋，祁 磊，鄧海峰，李 春

中國石油集團工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

對于自升式平臺，目前常用的樁腿穿刺可能性分析方法偏于保守。為此，首先提出了復(fù)雜多層土體的承載力計算方法，即先按單層土計算各層基礎(chǔ)承載力，然后由下往上按雙層土修正各層土的承載力；而后結(jié)合具體平臺實例，通過有限元分析，進行平臺樁腿穿刺安全性評價，給出平臺樁腿極限穿刺深度；在上述研究的基礎(chǔ)上，提出了控制穿刺風險的穿刺分析流程、穿刺風險規(guī)避措施；最后結(jié)合現(xiàn)場計算實例，驗證了上述提出方法的準確性，驗證結(jié)果表明平臺預(yù)測插樁深度與實際插樁深度基本一致。

自升式平臺；穿刺分析；復(fù)雜多層土體；風險控制

自升式平臺樁腿穿刺，是指平臺在升船插樁過程中，樁腿基礎(chǔ)遇到硬殼層而樁靴施加的壓載超過層狀地基承載力時，地基土發(fā)生沖剪破壞，樁靴穿過硬土層進入軟土層，由于承載力大幅度下降，造成平臺樁腿迅速下沉。一旦穿刺發(fā)生，就可能引起樁腿損壞，船體傾斜，甚至翻沉。因此，在硬殼層發(fā)育的海區(qū)，平臺樁腿基礎(chǔ)的潛在穿刺危險是平臺安全作業(yè)的嚴重威脅。

海底土硬殼層的承載能力受到下臥軟土層的影響，一般會遭受不同程度的削弱。目前計算土層承載力的方法一般是基于單層土進行的[1]，沒有充分考慮硬土層下的軟土層對承載力的影響。本文依據(jù)雙層土體的承載力計算方法[2]，提出了適用于復(fù)雜多層土體的承載力分析方法（所謂復(fù)雜多層土體，即不同類型的土體交替存在，硬土層下臥軟土層或軟土層下臥硬土層），可用于穿刺分析計算，并且基于樁腿結(jié)構(gòu)強度的有限元分析，計算得到了平臺的極限穿刺深度，形成了穿刺風險分析流程，可供相關(guān)實際工程參考。

1 復(fù)雜多層土體中樁腿穿刺的分析方法

1.1 承載力計算

目前無論是在國內(nèi)還是國外，對多層土體的承載力分析研究較少。本文提出了一種復(fù)雜多層土體的承載力分析方法，首先按單層土計算各層基礎(chǔ)承載力，然后由下往上按雙層土修正各層土的承載力。具體的計算步驟如下：

假設(shè)土體按強度不同，分為n層：

（1）根據(jù)單層土承載力計算公式[2]，分別計算各層土在各自深度范圍的基礎(chǔ)承載力：FVti1、FVbi1，其中的右上角數(shù)字1表示采用單層土計算公式進行計算，i為土層編碼，t表示土層頂端，b表示土層底端。某樁靴極限承載力曲線見圖1。

（2）將第n層土頂部與底部的承載力分別設(shè)為：FVtn2、FVbn2，規(guī)定 FVtn2=FVtn1、FVbn2=FVbn1，其中的右上角數(shù)字2表示采用雙層土計算公式進行計算。

圖1 按照單層土體計算的樁靴極限承載力曲線

（3） 對比 FVb（n-1）1和 FVtn2的大小：若 FVb（n-1）1>FVtn2，則按照上硬下軟的雙層土計算公式[2]重新計算第n-1層、第n層土組成的組合土層，計算得到FVt（n-1）2；若FVb（n-1）1

（4）當為上硬下軟土層時，按照穿刺計算分析方法進行計算，可分為上硬黏土層下軟黏土層和上砂層下黏土層兩種情況；當為上軟下硬土層時，需要首先判斷土體失效類型，當B≥3.45 T（1+1.1 D/B）時發(fā)生排擠，排擠失效采用排擠的計算方法[3]，其中B為樁靴最大橫截面直徑，T為軟黏土層厚度，D為插樁深度。

（5）如步驟（3）、（4），計算第n-2層以上所有土層的極限承載力，并繪制出修正的樁靴貫入深度計算曲線，見圖2。

圖2 修正后的樁靴極限承載力曲線

1.2 樁靴形狀與土層分界面的位置關(guān)系

對于復(fù)雜多層土體，為提高樁靴基礎(chǔ)承載力計算精度，應(yīng)充分考慮大直徑樁靴形狀與土層分界面的位置關(guān)系。在土層的分界面，應(yīng)按樁靴實際形狀進行分部計算。即當樁靴最大橫截面位于上層土體時，由于倒錐形的存在，下層土體也將貢獻一部分承載力，此時樁靴的承載力為樁靴上部形狀在上層土體中對應(yīng)的承載力和下部倒錐形在下層土體中對應(yīng)的承載力之和，見圖3。

其中圖3（a）表示樁靴最大橫截面位于海底泥面以上；圖3（b）表示樁靴最大橫截面位于土層分界面上；圖3（c）表示樁靴整體位于某層土中；圖3（d）表示樁靴的最大橫截面位于上層土體中，倒錐形部分位于下層土中。

圖3 樁靴與土層的位置關(guān)系

2 穿刺安全性評價

對于存在穿刺可能性的井位進行插樁分析時，利用穿刺安全系數(shù)[1]判斷平臺作業(yè)可行性的方法有時過于簡單，甚至保守。確定平臺是否進行插樁作業(yè)的依據(jù)不僅是安全系數(shù)，還要進一步分析穿刺的可能性及穿刺對平臺的危害性[4]。

為此，建立自升式平臺有限元模型，確定穿刺發(fā)生時需重點關(guān)注的結(jié)構(gòu)區(qū)域，評價穿刺對平臺的危害程度，計算得到平臺的極限穿刺深度。平臺某一樁腿發(fā)生穿刺時，當平臺結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力接近或達到其屈服極限時，此時的穿刺深度視為極限穿刺深度。

結(jié)合井位的土層分布情況，判斷平臺在該井位的穿刺深度，參考有限元計算的平臺極限穿刺深度，進一步判斷是否可以繼續(xù)插樁，從而形成了自升式平臺穿刺風險控制方法。

2.1 穿刺分析有限元模型的建立

本自升式平臺為三腿獨立樁靴式平臺，平臺自身重量為67 510 kN，單樁最大壓載量為43 780 kN（約取為43MN），平臺長54.86m，樁腿長125.27m，樁腿之間縱向距離為35.02 m，橫向距離為36.58 m。

基于平臺操船手冊建立平臺有限元模型，主船體、圍阱區(qū)、固樁架和樁腿的結(jié)構(gòu)采用大型有限元計算軟件ANSYS完成，模型中采用shell 181單元對板進行模擬，beam 188單元對弦桿和齒條進行模擬，pipe 288單元對水平撐管、斜撐管和跨距間撐管進行模擬，pipe 16單元模擬樁底入泥的結(jié)構(gòu)。對于平臺附屬結(jié)構(gòu)，例如甲板室、工程房、直升飛機平臺、懸臂梁、橫向軌道、鉆桿堆場等沒有直接進行建模，而是將這些結(jié)構(gòu)簡化成載荷的形式施加到平臺上。平臺有限元模型見圖4。

圖4 平臺有限元模型示意

平臺主體與樁腿采用節(jié)點耦合方式進行連接。平臺的上導(dǎo)向和下導(dǎo)向部位主要約束樁腿與平臺主體水平的相對位移，在ANSYS中需要注意的是每個樁腿的左、右兩個弦管齒條以及上、下導(dǎo)向的耦合節(jié)點應(yīng)轉(zhuǎn)換節(jié)點坐標系，這樣才能保證上、下導(dǎo)向?qū)锻鹊暮侠砑s束。

齒輪主要約束樁腿的垂向相對位移，模型中使用線剛度為2×1014Pa的剛性桿與樁腿的弦管齒條連接，剛性桿包括橫桿和豎桿。橫桿的長度為從齒條中心到鋸齒的半寬的距離，豎桿的長度為齒輪的半徑，豎桿的頂端正好與齒輪的中心高度平行。最后，將豎桿頂端與該側(cè)升降室齒輪所在位置進行豎直方向的耦合。將未發(fā)生穿刺的樁腿底部鉸支，發(fā)生穿刺的樁腿存在豎向自由度見圖5。在主船體的底板施加預(yù)壓的均布載荷。

圖5 模型的邊界條件

2.2 載荷施加

海上鉆井平臺插樁為靜力沉樁，即通過平臺自重及所加配重將樁腿壓入海底預(yù)定深度，三腿獨立樁靴自升式平臺插樁壓載一般分為三步：初壓、輪番壓和整體壓。

模型中平臺的預(yù)壓載方法是：首先在底板對應(yīng)的艙室部位施加均布載荷，進行初壓；然后輪番施壓：先壓艏腿，而后壓左腿，最后壓右腿。按照平臺操船手冊的規(guī)定每個樁腿的最大壓載量為43 MN。當壓載量達到或超過43 MN時，假設(shè)其中的某一樁腿發(fā)生穿刺，在該樁腿底施加Z向（豎向）位移模擬穿刺，當樁腿某一結(jié)構(gòu)超過其屈服極限時，即認為當前Z向位移為極限穿刺深度。

2.3 計算結(jié)果

本模型計算中取平臺的工作水深為60 m，氣隙為1.5 m。計算結(jié)果見表1。

穿刺發(fā)生時，需要關(guān)注的區(qū)域為樁腿弦管齒條和齒輪的耦合處、弦管齒條和上導(dǎo)向的耦合處。艏腿發(fā)生穿刺時，艏腿右弦管齒條與齒輪耦合連接處附近結(jié)構(gòu)的應(yīng)力先達到屈服極限；左腿發(fā)生穿刺時，右腿前弦管齒條與上導(dǎo)向耦合處結(jié)構(gòu)的應(yīng)力先達到屈服極限；右腿發(fā)生穿刺時，艏腿前弦管齒條與齒輪耦合處弦管的應(yīng)力先達到屈服極限。

表1 平臺有限元模型計算結(jié)果

3 穿刺風險控制方法

3.1 穿刺分析流程

在分析國內(nèi)外平臺穿刺及其事故分析和應(yīng)對措施的基礎(chǔ)上，制訂了穿刺風險分析評價流程，見圖6。

圖6 穿刺風險分析評價流程

確定平臺是否進行插樁的依據(jù)：安全系數(shù)的分析，穿刺可能性的再分析（土性參數(shù)的再分析），穿刺對平臺的危害評估。

結(jié)合井位的土層分布情況，判斷平臺在該井位的穿刺深度，對比有限元計算的平臺樁腿極限穿刺深度，如果預(yù)測的穿刺深度大于極限穿刺深度，則應(yīng)該考慮換井位或者更換作業(yè)平臺，或者降低壓載量。

3.2 穿刺風險規(guī)避措施

穿刺會對平臺結(jié)構(gòu)造成巨大的損害，為盡量減少穿刺事故帶來的損失，平臺操作者在進行高質(zhì)量的地質(zhì)調(diào)查后，可以考慮采取以下措施進行風險規(guī)避：

（1）減小氣隙進行單樁預(yù)壓載。分析表明穿刺時船體會向穿刺腿傾斜，如果此時氣隙較小，平臺可以很快傾斜入水。平臺獲得的浮力將有助于減緩穿刺速度，降低穿刺停止時的入泥深度，從而減少平臺結(jié)構(gòu)的損傷。

（2） 如果需要，可以在水中進行壓載，即漂浮壓載，以便減小因貫入軟土層而產(chǎn)生的樁腿載荷，減輕穿刺發(fā)生時對平臺船體和樁腿桁架、齒輪的影響和損壞[5-9]。

（3）在硬土層中使用噴沖的方法，使得樁靴在最小載荷的情況下貫入軟土層。

（4）在條件允許的情況下，比如在海況比較溫和，井位作業(yè)時間相對短，且作業(yè)期間風力、波高和海流速度相對較小的情況下，通過降低預(yù)壓載量可以減小平臺樁腳的入泥深度，降低穿刺風險，提高平臺作業(yè)的安全性。

4 現(xiàn)場計算實例

以上述平臺在波斯灣某井位插樁計算為例，探討穿刺計算方法。表2為該井位平臺艏腿位置地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)，表3為平臺樁靴數(shù)據(jù)。

表2 作業(yè)井位艏腿位置工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)

表3 平臺樁靴參數(shù)

根據(jù)復(fù)雜多層土體的穿刺分析方法，以第8層黏土為基礎(chǔ)，由下往上按雙層土修正各層土的承載力，其中第2層、第5層和第7層按照穿刺工況進行分析（上硬土層下軟土層計算模式），分析計算的結(jié)果見圖7。可以看出，按單層土體計算公式計算得到的承載力未考慮下臥軟層的影響，即硬軟土層交接處的承載力存在不合理之處，而按本文提出的復(fù)雜多層土體的承載力計算方法考慮了下臥軟層對上部硬土層承載力的影響，并進行了修正，則顯得更為合理。

圖7 極限承載力與插樁深度關(guān)系曲線

在壓載過程中，樁腿首先刺穿9.2～12.8 m的第2層粉砂層，最后到達16.2～17.2 m的第5層粉砂層。由于第5層粉砂層厚僅1 m，而樁靴底部的尖端高度1.1 m，樁靴最大橫截面坐落在第5層粉砂層頂層時，樁靴尖端已刺穿了第5層粉砂層到達第6層黏土層內(nèi)。第5層和第6層修正后的承載力達到要求，不會發(fā)生穿刺事故，故最后的插樁深度為17 m左右，與實際插樁深度基本一致。

5 結(jié)論

（1）對于樁靴式平臺，目前常用的穿刺可能性分析方法偏于保守，提出了復(fù)雜多層土體的承載力計算方法，首先按單層土計算各層基礎(chǔ)承載力，然后由下往上按雙層土修正各層土的承載力。

（2）通過有限元分析，發(fā)現(xiàn)穿刺發(fā)生時，樁腿弦管齒條與齒輪耦合處和弦管齒條與上導(dǎo)向的耦合處最容易發(fā)生損壞，為減少穿刺對結(jié)構(gòu)的影響，可以考慮采用主動刺穿或減少氣隙等方式進行單樁預(yù)壓載，但需嚴格控制穿刺深度。

（3）利用穿刺安全系數(shù)判斷平臺穿刺的方法過于簡單，應(yīng)綜合分析井位的工程地質(zhì)性質(zhì)，穿刺深度及穿刺對平臺結(jié)構(gòu)的危害程度，以便給出客觀的判斷。

（4）結(jié)合自升式平臺的插樁實例，對比了多層土體承載力計算方法與單層土體承載力計算方法的差別，可供相關(guān)工程參考。

[1]SY/T6707-2008，海洋井場調(diào)查規(guī)范[S].

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[5]張寶平.一種全新的自升式鉆井平臺預(yù)壓方法[J].船海工程，2015（2）：164-166.

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[7]鄧海峰.復(fù)雜地層條件下自升式平臺樁腿插樁深度對比分析[J].石油工程建設(shè)，2015，41（5）：12-15.

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Study on punch-through analysis and risk controlmethod of jack-up spudcan

XU Hao，LIU Zhenwen，QILei，DENG Haifeng，LIChun
CNPC Engineering Technology Research Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China

The commonly used analytical methods of jack-up spudcan punch-through possibility are conservative.Thus，this paper proposes a calculation method for jack-up spudcan punch-through in multiple soil layers，that is calculating soil bearing capacity of each layer respectively，then calculating combined soil bearing capacity of first layer and second layer using the two layer soil bearing capacity calculation method，and applying this modified bearing capacity method in turn untilthe last layer.Limit penetration depth of jack-up spudcan is analyzed based on the finite element method for leg structure strength.The more improved analysis process of jack-up spudcan punch-through is discussed and the risk control measures are proposed.Finaly，the accuracy of the method is verified by the analysis and calculation of the actual piling process.

jack-up；punch-through analysis；complex multiple soillayer；risk control

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.004

許 浩（1985-），男，山東青島人，工程師，2010年畢業(yè)于天津大學(xué)港口、海岸與近海工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事與海洋工程地基與基礎(chǔ)分析研究有關(guān)的工作。Email：xuh.cpoe@cnpc.com.cn

2017-10-26