非連續(xù)壓載下黏土層中樁靴承載力變化規(guī)律*

王冬石 袁 燁 徐文祥 譚瑞龍 段夢蘭

(1. 中海油田服務(wù)股份有限公司 河北三河 065201； 2. 復(fù)旦大學(xué)航空航天系 上海 200433；3. 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院 湖南長沙 410082； 4. 中國石油大學(xué)(北京)海洋工程研究院 北京 102249)

1 問題的提出

自升式鉆井平臺拖航到指定位置后，須對平臺進(jìn)行預(yù)壓載，將樁靴插入泥面以下一定深度。實(shí)際作業(yè)中平臺所需的全部壓載水分多次注入，每次之間會使壓載重量維持一段時(shí)間不變，確認(rèn)安全后方可繼續(xù)注水進(jìn)行下一步壓載，即預(yù)壓載是樁靴貫入—維持—貫入的非連續(xù)過程。然而，在某些上硬下軟的地層(俗稱“雞蛋殼”地層)，由于樁靴的壓強(qiáng)較大，需要穿過“雞蛋殼”才能達(dá)到其額定的支撐反力，但在穿過“雞蛋殼”時(shí)樁腿會發(fā)生快速沉降，即為 “穿刺”現(xiàn)象。

為了提高對軟黏土地層海域的作業(yè)適應(yīng)性，在更淺的地層獲得足夠大的地基承載力，某些新型自升式平臺使用了面積較大的樁靴設(shè)計(jì)，也稱“大腳”設(shè)計(jì)。大樁靴在提高軟地層適應(yīng)性的同時(shí)，可在較淺的地層獲得足夠的穩(wěn)定性而避免穿透“雞蛋殼”地層，降低了穿刺風(fēng)險(xiǎn)。雖然業(yè)界一般認(rèn)為自升式鉆井平臺在均質(zhì)黏土層中不會發(fā)生穿刺事故，但穿刺事故依舊時(shí)有發(fā)生，如：印尼Belida B WHP平臺在插樁時(shí)發(fā)生了穿刺事故[1]，后續(xù)地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)在預(yù)壓載過程中黏土層產(chǎn)生了“人工硬層”而導(dǎo)致穿刺；南海某井位某大樁靴自升式鉆井平臺在黏土層預(yù)壓載作業(yè)時(shí)也發(fā)生了穿刺事故，穿刺深度接近4 m，對平臺結(jié)構(gòu)造成了損傷。因此，研究不連續(xù)壓載工況下大樁靴平臺在黏土層中穿刺發(fā)生的原因和特性，對于提高安全生產(chǎn)，減少作業(yè)事故有著極其重要的意義。

對于單一軟黏土層極限地基承載力的理論計(jì)算，國內(nèi)外眾多學(xué)者均提出了經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。Skempton等[2]提出了樁靴在單一黏土層不排水情況下的地基承載力計(jì)算公式；Houlsby等[3]考慮了樁尖的設(shè)計(jì)形狀、樁靴埋置深度、土體不排水抗剪強(qiáng)度隨深度線性增加等條件，提出了不考慮回填影響的表達(dá)式；Hossain等[4]研究了樁靴在土體中的運(yùn)動模式和破壞機(jī)理，考慮了空洞的形成，提出了計(jì)算公式；張愛霞[5]構(gòu)造了方形樁靴三維地基復(fù)合滑移破壞面，根據(jù)極限平衡理論，提出了新的方形樁靴單層地基承載力的計(jì)算方法。目前，我國關(guān)于地基承載力的計(jì)算所采用的《海洋井場調(diào)查規(guī)范》[6]與SNAME[7]推薦方法相同，該計(jì)算方法忽略樁靴的摩擦力、形狀對地基極限承載力的影響，同時(shí)不考慮抗剪強(qiáng)度隨深度加深而增大帶來的影響，其計(jì)算公式為

(1)

對于自升式鉆井平臺非連續(xù)壓載問題的試驗(yàn)研究，Purwana等[8]進(jìn)行了離心機(jī)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)壓載停止時(shí)土體會發(fā)生固結(jié)，超孔隙水壓會隨著入泥深度線性增長；Barbose[9]通過離心機(jī)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),即使黏土固結(jié)程度較低，依然會出現(xiàn)穿刺現(xiàn)象，而且固結(jié)后土體承載力和穿刺深度隨著固結(jié)停止時(shí)的深度增加而增加；Bienen等[10-11]通過改變固結(jié)時(shí)間和固結(jié)時(shí)垂直載荷大小，發(fā)現(xiàn)固結(jié)后土體孔隙比減小，不排水抗剪強(qiáng)度增加,承載力急劇增加，而且固結(jié)時(shí)間越長，承載力提高得越多。Wang等[12]認(rèn)為，影響穿刺深度的關(guān)鍵因素包括固結(jié)時(shí)間、固結(jié)深度、固結(jié)系數(shù)、土體滲透性和固結(jié)時(shí)的上覆載荷，并提出了一種固結(jié)后承載力的預(yù)測方法。

由于業(yè)界一般認(rèn)為自升式鉆井平臺在軟黏土地層中難以發(fā)生穿刺，因此對自升式鉆井平臺在單一軟黏土層中穿刺的問題研究較少。大方形樁靴作為一種減少穿刺的新型設(shè)計(jì)，還沒有針對其在軟黏土層中承載力變化規(guī)律的研究，因此開展對在軟黏土層中大方形樁靴發(fā)生新型穿刺現(xiàn)象的原因以及承載力變化規(guī)律的研究具有重要意義?，F(xiàn)有對樁靴穿刺問題的試驗(yàn)研究中，離心機(jī)試驗(yàn)都是以恒定的位移速率進(jìn)行加載，不能模擬正常工況下分級壓載的情形。因此，為了探究在均質(zhì)黏土層中分級壓載是否會產(chǎn)生“人工硬層”及發(fā)生樁靴快速下沉甚至引發(fā)穿刺現(xiàn)象，本文以某大樁靴自升式鉆井平臺為原型，通過模型試驗(yàn)的方法設(shè)計(jì)了一套具備分級加載能力的自升式鉆井平臺方形大樁靴插樁試驗(yàn)系統(tǒng)，然后根據(jù)工程實(shí)際壓載操作開展了自升式鉆井平臺樁靴模型的非連續(xù)壓載試驗(yàn)，記錄了壓載過程中的土體變形和承載力變化等，分析了非連續(xù)壓載過程對軟黏土層中自升式鉆井平臺大樁靴承載力的影響規(guī)律，從而為大樁靴平臺的壓載作業(yè)提供參考依據(jù)。

2 模型試驗(yàn)系統(tǒng)的研制

2.1 相似性分析

根據(jù)相似性原理，本文參考文獻(xiàn)[13]中的方法，通過對插樁過程各控制方程的分析，確定各物理量的相似關(guān)系。通過相似性分析，得出在1倍重力加速度下模型土體本構(gòu)縮比N倍時(shí)即可使得模型和原型相似，此時(shí)模型應(yīng)力為原型應(yīng)力的1/N，模型中滲流時(shí)間為原型的1/N。本文模型試驗(yàn)各物理量的相似系數(shù)見表1。

表1 模型試驗(yàn)主要物理量的相似系數(shù)

2.2 模型試驗(yàn)系統(tǒng)組成

以某自升式鉆井平臺方形大樁靴為原型，按照1∶75比例制作了模型試驗(yàn)系統(tǒng)，樁靴模型長300 mm，寬236 mm，高600 mm，如圖1a所示。插樁模型試驗(yàn)原理如圖1b所示，由土池、加載和支撐裝置、測量系統(tǒng)和樁靴等組成。加載裝置由上部水箱組成，水箱放在支架上，最多可以放置4個水箱。樁腿與水箱支架的底部連接，上面安裝壓力傳感器和位移傳感器。樁靴底部布置4個孔壓計(jì)。試驗(yàn)時(shí)通過向水箱內(nèi)注水，實(shí)現(xiàn)向下施加均勻增大的壓載力。樁腿連同水箱支架在垂直滑動導(dǎo)軌上一起做垂直運(yùn)動，樁靴貫入到土體深處。傳感器數(shù)據(jù)使用DH5923動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，具有采集速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。制作完成的大樁靴插樁模型試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 某自升式鉆井平臺大樁靴插樁模型試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 安裝后的某自升式鉆井平臺大樁靴插樁模型試驗(yàn)系統(tǒng)裝置

為了保證本次試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，提前將試驗(yàn)所用的黏土進(jìn)行曬干，并進(jìn)行粉碎處理(不破壞黏土原有微結(jié)構(gòu))，然后分層倒入土池中，邊填埋邊攪拌，填埋完成后使其靜置固結(jié)。試驗(yàn)前，使用十字板剪切儀對黏土的不排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測試，取土池的前、后、左、右、中心共5個位置進(jìn)行測試，每個位置自泥面向下每隔5 cm測量黏土的不排水抗剪強(qiáng)度，將5個位置的不同深度結(jié)果取平均值，從而得到試驗(yàn)黏土抗剪強(qiáng)度隨深度的擬合曲線(圖3)。

圖3 本文試驗(yàn)用黏土抗剪強(qiáng)度擬合曲線

3 不同壓載工況下樁靴承載力的變化規(guī)律試驗(yàn)研究

為了模擬現(xiàn)場插樁過程，本次試驗(yàn)通過水箱進(jìn)行分級加載，每級加載50 kg，每級加載完成后靜置30 min，試驗(yàn)共進(jìn)行4次加載，總加載質(zhì)量200 kg。由于實(shí)際工況預(yù)壓載每級的壓載時(shí)間約為2.5 h，因此，試驗(yàn)中將加載分為快速壓載、正常壓載和慢速壓載等3種工況，每級壓載的時(shí)間分別為1.5、2.5、3.5 h。

3.1 快速壓載

快速壓載工況下承載力、樁靴入泥深度與實(shí)踐的關(guān)系曲線如圖4所示，可以看出，整個快速壓載過程中分別在第1次和第3次靜置觀察結(jié)束時(shí)重新加載后發(fā)生了2次樁靴快速下沉的現(xiàn)象，主要原因是：加載過程中土體受到外部載荷作用，總應(yīng)力增加，土體來不及排水，增加的應(yīng)力主要由孔隙水壓來承擔(dān)；在靜置過程中土體發(fā)生滲流排水，孔隙水壓減小，土體顆粒間有效應(yīng)力增加，靠近樁靴附近的土體排水效果好，土體發(fā)生固結(jié)，重新加壓后發(fā)生了快速下沉現(xiàn)象。在黏土層固結(jié)后繼續(xù)加載的初期，樁靴位移保持不變；繼續(xù)加載，位移出現(xiàn)了一次快速增加，表明土體固結(jié)后抗剪強(qiáng)度增加，再次壓載后樁靴穿過了固結(jié)后的“硬地層”，導(dǎo)致樁靴出現(xiàn)快速下沉。在每級加載結(jié)束后靜置觀察開始時(shí)，承載力發(fā)生了小幅的增加，然后回落并保持為每級加載載荷不變，這是由于樁靴在插入到更深的土層時(shí)具有向下的加速度，結(jié)束加載后樁靴由于加速度作用產(chǎn)生了附加質(zhì)量，造成了承載力的增加；而靜置后樁靴加速度減小到零，系統(tǒng)變?yōu)闇?zhǔn)靜態(tài)，承載力也才有所回落。

圖4 快速壓載工況下承載力、入泥深度與時(shí)間的關(guān)系曲線

3.2 正常壓載

圖5 正常壓載工況下承載力、入泥深度與時(shí)間的關(guān)系曲線

正常壓載工況下承載力、樁靴入泥深度與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖5所示，可以看出，該工況下樁靴入泥深度與時(shí)間的關(guān)系曲線和快速加載工況類似，但是樁靴僅在第1次靜置觀察結(jié)束時(shí)發(fā)生快速下沉現(xiàn)象，且穿刺的深度也比快速加載工況要淺。這是因?yàn)檎狠d工況下加載速度減小，底部的土體有更多的時(shí)間排水，與靜置排水后的土體強(qiáng)度相差不大，故在靜置結(jié)束時(shí)未發(fā)生明顯的快速下沉現(xiàn)象。這說明，加載時(shí)間對人工硬層的產(chǎn)生有影響，延長加載時(shí)間有利于消除人工硬層和樁靴快速下沉。

3.3 慢速壓載

慢速壓載工況下承載力、樁靴入泥深度與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖6所示，可以看出，樁靴同樣在第1次靜置觀察結(jié)束時(shí)發(fā)生了快速下沉，在第2次和第3次靜置觀察結(jié)束時(shí)承載力均未發(fā)生突然增大的現(xiàn)象，說明慢速加載可讓樁靴底部的土體有更多的時(shí)間排出水分，土體幾乎沒有發(fā)生固結(jié)現(xiàn)象，因此樁靴也未發(fā)生快速下沉。這進(jìn)一步說明，越慢的加載速度，越有利于消除人工硬層的形成和減小樁靴快速下沉的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 慢速壓載工況下承載力、入泥深度與時(shí)間的關(guān)系曲線

4 結(jié)論

1) 自升式鉆井平臺大樁靴插樁模型試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了在軟黏土地層中非連續(xù)壓載會造成大樁靴自升式鉆井平臺發(fā)生快速下沉的現(xiàn)象，與南海某平臺發(fā)生的穿刺現(xiàn)象相吻合。

2) 大樁靴自升式鉆井平臺發(fā)生快速下沉或者“穿刺”現(xiàn)象的本質(zhì)是因?yàn)閴狠d過程來不及排水，導(dǎo)致樁靴下方黏土孔隙水壓力增加；在靜置觀察階段發(fā)生滲流作用，造成孔隙水壓力減小，土體顆粒間的有效應(yīng)力增加，黏土發(fā)生固結(jié)?？拷鼧堆ゲ糠值酿ね凉探Y(jié)程度較高，土體抗剪強(qiáng)度增加，形成了“人工硬殼”。當(dāng)壓載力加大時(shí)，樁靴穿過硬殼層，發(fā)生了快速下沉。

3) 在靜置時(shí)間一定的條件下，壓載速度對大樁靴自升式鉆井平臺快速下沉有較大影響，較慢的壓載速度使得樁靴下方的土體有足夠的時(shí)間排水，不容易形成“人工硬層”，從而能夠有效降低快速下沉的風(fēng)險(xiǎn)。故工程實(shí)際操作過程中可通過降低壓載速度來減小發(fā)生快速下沉或穿刺的風(fēng)險(xiǎn)。

4) 由于本次試驗(yàn)樁靴插入的深度較小，快速下沉的深度也較小，因此無法準(zhǔn)確衡量不同壓載速度下快速下沉的深度及嚴(yán)重程度。此外，本次工作是對于新出現(xiàn)的大樁靴黏土層穿刺問題的試驗(yàn)論證，并未涉及到理論研究。