“老腳印”對(duì)自升式鉆井平臺(tái)插樁滑移的影響研究

劉　陽(yáng)， 冮　鵬， 趙少偉， 王菲菲

(1.中海石油〈中國(guó)〉有限公司天津分公司，天津 300450； 2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300450)

0　引言

渤海海域作為我國(guó)海洋石油的重要產(chǎn)區(qū)之一，隨著作業(yè)頻次的增多，自升式鉆井平臺(tái)在相近、甚至是同一位置二次甚至是多次插樁作業(yè)的情況越來(lái)越多，頻繁的作業(yè)使得渤海海域的“踩腳印”問(wèn)題日益突出，嚴(yán)重威脅著平臺(tái)的作業(yè)安全。以某區(qū)塊為例，自2007年3月至2010年10月，先后有4個(gè)自升式鉆井平臺(tái)在該區(qū)塊進(jìn)行作業(yè)，由于先前作業(yè)遺留“老腳印”的存在，給后續(xù)平臺(tái)在附近位置插樁就位帶來(lái)了不可忽略的安全隱患，嚴(yán)重影響了平臺(tái)插樁就位作業(yè)的安全。

如圖1所示，有一根樁腿的就位受到“老腳印”的影響，樁坑的存在導(dǎo)致的不均勻承載力將使得樁靴壓樁過(guò)程中可能會(huì)滑向老腳印，滑移的趨勢(shì)被樁腿的剛度、樁腿與船體的連接以及其他兩根樁腿的就位等因素所限制，而滑移趨勢(shì)的大小則由水平的力大小和樁靴對(duì)樁腿與船體的連接處的力矩大小來(lái)衡量。這種潛在的滑移風(fēng)險(xiǎn)很大程度上給平臺(tái)的作業(yè)安全帶來(lái)隱患。先前遺留的樁坑(老腳印)使得平臺(tái)后續(xù)在該位置或相近位置插樁就位時(shí)可能出現(xiàn)滑移的情況，當(dāng)樁靴滑移時(shí)，會(huì)發(fā)生幾個(gè)樁腿向不同方向傾斜，造成樁腿與平臺(tái)卡住，導(dǎo)致鉆井平臺(tái)不能升起，并嚴(yán)重影響了樁腿結(jié)構(gòu)乃至整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)[1]。本文就“老腳印”的存在及距離“老腳印”不同位置壓樁過(guò)程中樁基土體的運(yùn)移、破壞規(guī)律及最終承載力等情況進(jìn)行了分析，并與無(wú)“老腳印”的情況進(jìn)行了對(duì)比，得出”老腳印”對(duì)平臺(tái)滑移風(fēng)險(xiǎn)的影響規(guī)律。

圖1“踩腳印”問(wèn)題示意

1　樁靴及土體有限元分析模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)的材料和受力特性，鋼制的樁腿、樁靴結(jié)構(gòu)在使用和施工過(guò)程中大多處于彈性范圍內(nèi)，可采用彈性理論計(jì)算。與樁腿、樁靴結(jié)構(gòu)接觸的土體可能因承受較大的作用力而發(fā)生拉裂或剪切破壞，需要采用合理的接觸面單元來(lái)模擬。相對(duì)于樁靴的小變形、彈性模型，壓樁過(guò)程中樁基土將發(fā)生大的變形，因此要用彈塑性本構(gòu)模型對(duì)土體進(jìn)行分析。由于海底土體的滲透系數(shù)較小，粘土一般在10-7～10-9m/s，砂土在10-2～10-3m/s，插樁時(shí)產(chǎn)生的孔隙水壓力無(wú)法及時(shí)消散，故插樁模型需要考慮土體中滲流的影響?？紤]到樁土模型的非對(duì)稱(chēng)性、三維模型極高的計(jì)算成本及二維模型已能得到足夠精確的結(jié)果，建立二維有限元模型，單元類(lèi)型用考慮孔隙壓力的CPE8P八節(jié)點(diǎn)單元。考慮到樁靴側(cè)面積較大，不能忽略其側(cè)面與土體之間的摩擦阻力，所以樁靴的建模采用實(shí)體模型[2]。

土體的變形規(guī)律是復(fù)雜的，如非線(xiàn)性變形、塑性體積變形、剪脹性等，此外土體受載的應(yīng)力路徑、應(yīng)力歷史和固結(jié)壓力等對(duì)土體的變形均有顯著的影響，土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系必須采用合理的土體本構(gòu)關(guān)系來(lái)描述[3]?，F(xiàn)已提出了大量的土體本構(gòu)關(guān)系模型，這里采用彈塑性模型，該模型認(rèn)為土體的變形包括彈性變形和塑性變形兩部分，同時(shí)把彈性理論和塑性理論結(jié)合起來(lái)建立本構(gòu)模型，這種方法已成功模擬了土體變形的一些特性[4]。

針對(duì)“老腳印”對(duì)樁基土體運(yùn)行規(guī)律、破壞機(jī)理及滑移風(fēng)險(xiǎn)影響的問(wèn)題，對(duì)方形和錐形兩種不同幾何特征的樁靴，建立數(shù)值模型，相對(duì)于土體的大變形，鋼制樁靴的變形幾乎可以忽略不計(jì)。這里取樁靴彈性模量E=2.10×1011Pa，泊松比μ=0.3。如圖2所示。

2　樁基土體塑性破壞特征研究

2.1　“老腳印”對(duì)樁基土塑性破壞機(jī)理影響

針對(duì)方形和錐形樁靴，就距離“老腳印”的兩種不同位置(樁靴距離“老腳印”一定距離和樁靴一部分懸空)，壓樁過(guò)程中樁基土體的塑性破壞特征進(jìn)行分析，并與無(wú)“老腳印”的情況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，相對(duì)于無(wú)“老腳印”的情況，樁基土體的塑性破壞特征發(fā)生明顯變化。受“老腳印”的影響，樁靴底部與“老腳印”底部靠近樁靴一側(cè)的塑性區(qū)逐漸延展、連通，最終達(dá)到塑性破壞。隨著距離“老腳印”的距離減小，塑性區(qū)更易貫通，樁基承載力更低，潛在的滑移風(fēng)險(xiǎn)也更大[5]。

2.2　不同土質(zhì)條件樁基土塑性破壞規(guī)律研究

以錐形樁靴為例，就距離“老腳印”的不同位置(樁靴距離“老腳印”一定距離和樁靴一部分懸空)，在不同土體性質(zhì)下(粘土和砂土)，對(duì)壓樁過(guò)程中樁基土體的塑性破壞規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，這里列出了1、3、6、9 m的情況，結(jié)果如圖4、圖5所示。

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，在粘土中，當(dāng)樁靴距離“老腳印”一定距離時(shí)，如樁靴未懸空工況(距離9 m)，樁基土體的塑性破壞區(qū)為圍繞樁靴底面的塑性貫通區(qū)域，隨著距離“老腳印”距離越來(lái)越近，樁靴底部靠近“老腳印”一側(cè)底部土體的塑性破壞逐漸轉(zhuǎn)移到“老腳印”壁的中間某位置。當(dāng)樁靴部分懸空時(shí)(距離1 m)，樁基土體的塑性破壞特征發(fā)生明顯變化，沿“老腳印”壁與樁靴底部右下角塑性區(qū)逐漸貫通并發(fā)生滑移。樁基土的承載區(qū)域(塑性破壞區(qū)域)隨著樁靴不斷接近“老腳印”而減小，承載力更小，滑移風(fēng)險(xiǎn)更高，對(duì)平臺(tái)的潛在威脅更大。在砂土中，塑性貫通區(qū)隨距離變化破壞規(guī)律與粘土相似，但砂土中貫通區(qū)域明顯減小，滑移風(fēng)險(xiǎn)較粘土更大。

圖2樁基土體破壞機(jī)理有限元分析模型

圖3　距離“老腳印”不同距離壓樁過(guò)程中樁基土體的塑性破壞特征

圖4　距離“老腳印”不同距離壓樁過(guò)程中樁基土體塑性應(yīng)變?cè)茍D(粘土)

3　樁基土體運(yùn)移規(guī)律研究

3.1　“老腳印”對(duì)樁基土體運(yùn)移規(guī)律影響

針對(duì)方形樁靴，就距離“老腳印”的兩種不同位置(樁靴距離“老腳印”一定距離和樁靴一部分懸空)，對(duì)壓樁過(guò)程中樁基土體的位移及運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行分析，并與無(wú)“老腳印”的情況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

圖5　距離“老腳印”不同距離壓樁過(guò)程中樁基土體塑性應(yīng)變?cè)茍D(砂土)

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，“老腳印”對(duì)樁基土體的運(yùn)移規(guī)律影響明顯。隨著距離“老腳印”的距離減小，樁基土體的運(yùn)移規(guī)律發(fā)生顯著變化，由無(wú)“老腳印”時(shí)的先隨著樁靴豎直向下再側(cè)向展開(kāi)，變?yōu)閴簶冻跏季烷_(kāi)始偏向有腳印的一側(cè)，當(dāng)樁靴一部分懸空時(shí)，偏移情況明顯，存在潛在的滑移風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)錐形樁靴，就距離“老腳印”的兩種不同位置(樁靴距離“老腳印”一定距離和樁靴一部分懸空)，壓樁過(guò)程中樁基土體的位移及運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行分析，并與無(wú)“老腳印”的情況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，跟方形樁靴時(shí)樁基土體的運(yùn)移規(guī)律類(lèi)似，但是，變化趨勢(shì)更加明顯，即樁基土體偏向“老腳印”的趨勢(shì)更明顯。當(dāng)樁靴底部突出部分(樁尖)懸空或者接近懸空時(shí)，滑移風(fēng)險(xiǎn)顯著增大。

圖6距離“老腳印”不同距離方形樁靴壓樁過(guò)程中樁基土體的運(yùn)移規(guī)律

圖7　距離“老腳印”不同距離錐形樁靴壓樁過(guò)程中樁基土體的運(yùn)移規(guī)律

3.2　不同土質(zhì)條件樁基土體運(yùn)移規(guī)律研究

以錐形樁靴為例，就距離“老腳印”的不同位置(樁靴距離“老腳印”一定距離和樁靴一部分懸空)，在不同土質(zhì)條件下，對(duì)壓樁過(guò)程中樁基土體的位移及運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析，這里列出了1、3、6、9 m的情況，結(jié)果如圖8、圖9所示。

由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，“老腳印”對(duì)樁基土體的運(yùn)移規(guī)律影響明顯。由樁靴距“老腳印”一定距離工況(距離9 m)時(shí)的樁靴底部土體沿樁靴邊沿與“老腳印”底部滑移面的滑移破壞，到樁靴部分懸空工況(距離1 m)下的樁靴直接滑入“老腳印”，“老腳印”底部沒(méi)有隆起，滑移面由“老腳印”壁中間某位置貫通而不是“老腳印”底部，滑移風(fēng)險(xiǎn)更高，對(duì)平臺(tái)的威脅更大。粘土中樁靴距“老腳印”一定距離時(shí)，“老腳印”底部隆起十分明顯，近“老腳印”一側(cè)土體明顯向“老腳印”運(yùn)移。通過(guò)與方形樁靴計(jì)算結(jié)果對(duì)比，錐形樁靴被影響樁基土區(qū)域更大，樁靴兩側(cè)土體隆起現(xiàn)象更為明顯。

圖8　距離“老腳印”不同距離壓樁過(guò)程中樁基土體位移矢量圖(粘土)

4　樁靴側(cè)向滑移力分析

在對(duì)樁基土體運(yùn)移規(guī)律、塑性破壞特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)錐形和方形兩種樁靴壓樁過(guò)程中樁靴所受側(cè)向滑移力隨壓樁深度變化進(jìn)行研究，得出關(guān)系曲線(xiàn)圖，如圖10所示?？梢?jiàn)，隨著插樁深度的增加，樁靴所受側(cè)向滑移力逐漸增大，直至到某一深度時(shí)達(dá)到峰值，而后，側(cè)向滑移力逐漸減小。通過(guò)對(duì)錐形和方形兩種典型幾何特征的樁靴壓樁過(guò)程中所受側(cè)向滑移力對(duì)比發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于錐形樁靴，方形樁靴所受側(cè)向滑移力達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的豎直位移要小，側(cè)向滑移力也小。

圖9　距離“老腳印”不同距離壓樁過(guò)程中樁基土體位移矢量圖(砂土)

針對(duì)“老腳印”與樁靴不同距離的工況，分別提取了在不同土質(zhì)條件下，樁靴壓樁過(guò)程中所受側(cè)向滑移力，就其與距“老腳印”距離的關(guān)系進(jìn)行了分析。以錐形樁靴為例，如圖11所示，是樁靴所受側(cè)向滑移力(對(duì)應(yīng)相同的壓樁深度)關(guān)于距“老腳印”距離的關(guān)系圖。

對(duì)比可見(jiàn)，當(dāng)距“老腳印”距離為0，即樁靴完全懸空時(shí)，所受水平力為0，隨著樁靴與“老腳印”距離的增大，水平力逐漸增大直至峰值，而后有所減小。而砂土與粘土相比，其峰值力出現(xiàn)時(shí)樁靴與“老腳印”的距離略為減小且峰值力遠(yuǎn)大于粘土，且其水平力變化率隨距離變化較粘土更快。

圖10　壓樁過(guò)程中樁靴所受側(cè)向滑移力分析

圖11　所受側(cè)向滑移力與“老腳印”距離的關(guān)系

5　結(jié)論

(1)通過(guò)對(duì)樁靴及樁基土特性的分析，采用彈塑性模型建立土體本構(gòu)模型，單元類(lèi)型采用考慮了孔隙壓力的CPE8P八節(jié)點(diǎn)單元，分別建立了方形和錐形樁靴實(shí)體有限元分析模型。

(2)通過(guò)對(duì)樁基土塑性破壞特性的研究，對(duì)比分析了有無(wú)“老腳印”對(duì)樁基土塑性破壞的影響及不同土質(zhì)條件下樁基土塑性破壞的規(guī)律。在有“老腳印”的情況下，塑性破壞特性變化明顯，與“老腳印”底部靠近樁靴一側(cè)的塑性區(qū)逐漸延展、連通，最終達(dá)到塑性破壞。同時(shí)研究了樁靴與“老腳印”間不同的距離對(duì)樁基土塑性破壞的影響。

(3)通過(guò)對(duì)樁基土體運(yùn)移規(guī)律的研究，對(duì)比分析了有無(wú)“老腳印”對(duì)樁基土體運(yùn)移規(guī)律的影響及不同土質(zhì)條件下樁基土的運(yùn)移規(guī)律。樁基土由無(wú)“老腳印”時(shí)的先隨著樁靴豎直向下再側(cè)向展開(kāi)，變?yōu)閴簶冻跏季烷_(kāi)始偏向有“老腳印”的一側(cè)。粘土中樁靴距“老腳印”一定距離時(shí)，“老腳印”底部隆起十分明顯，近“老腳印”一側(cè)土體明顯向“老腳印”運(yùn)移。

(4)通過(guò)對(duì)樁靴受側(cè)向滑移力的分析，得出了兩種類(lèi)型樁靴的插樁深度與側(cè)向滑移力關(guān)系曲線(xiàn)，以及不同土質(zhì)條件下“老腳印”距離與側(cè)向滑移力的關(guān)系曲線(xiàn)。