水下生產(chǎn)系統(tǒng)防沉板基礎(chǔ)的裙板入泥阻力

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

目前，我國(guó)海洋油氣資源開(kāi)發(fā)正處在由淺海向深海過(guò)渡的關(guān)鍵階段[1]。使用水下生產(chǎn)技術(shù)可以避免建造昂貴的海上采油平臺(tái)，從而節(jié)省大量建設(shè)投資，因此水下生產(chǎn)已經(jīng)成為未來(lái)主要的深海油氣開(kāi)發(fā)技術(shù)。帶有裙板的防沉板是深海油氣水下生產(chǎn)系統(tǒng)各組塊的常用基礎(chǔ)[2-5]，具有土壤適應(yīng)性廣、施工簡(jiǎn)單、安裝方便、可重復(fù)利用等諸多優(yōu)勢(shì)。裙板能在海底土體中貫入到設(shè)計(jì)深度是防沉板基礎(chǔ)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)承載力和保證水下設(shè)施穩(wěn)定的前提，防沉板的裙板入泥阻力計(jì)算是水下生產(chǎn)系統(tǒng)防沉板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容[6-7]。計(jì)算防沉板裙板入泥阻力主要采用極限承載力理論計(jì)算和靜力觸探試驗(yàn)兩種方法。

海底土體靜力觸探試驗(yàn)(Cone Penetration Test, CPT)是目前較先進(jìn)可靠的海底土體原位探測(cè)方法，CPT試驗(yàn)?zāi)茉跍p少對(duì)土體擾動(dòng)的情況下測(cè)定土體的力學(xué)特性[8-9]。自1932年荷蘭工程師BARENTSEN首次開(kāi)展靜力觸探試驗(yàn)[10]以來(lái)，CPT試驗(yàn)在地質(zhì)調(diào)查中得到了廣泛應(yīng)用。隨著海洋開(kāi)發(fā)的迅速發(fā)展，CPT試驗(yàn)方法在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越普遍，起到的作用也越來(lái)越重要。

早期的防沉板基礎(chǔ)研究工作主要借鑒陸上淺基礎(chǔ)承載力研究的半經(jīng)驗(yàn)半理論方法，通過(guò)修正系數(shù)設(shè)計(jì)不同條件下的防沉板基礎(chǔ)，并形成了挪威船級(jí)社(DNV)和美國(guó)石油學(xué)會(huì)(API)推薦的防沉板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范，如API RP 2A-WSD 2000和API RP 2GEO 2011等行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范。我國(guó)目前的研究成果主要集中在黏土地基上，而荔灣3-1等深海油氣資源的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中也廣泛分布砂性土地基，因此需要進(jìn)行砂性土地基上防沉板基礎(chǔ)的裙板入泥阻力計(jì)算方法的研究[11]。防沉板基礎(chǔ)裙板的入泥阻力可以根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行估算。為了提高設(shè)計(jì)的可靠性，在南海某項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)用極限承載力理論和DNV規(guī)范推薦的CPT試驗(yàn)方法[12]兩種方式進(jìn)行裙板入泥阻力計(jì)算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)基于靜力觸探試驗(yàn)的裙板入泥阻力計(jì)算值明顯高于極限承載力理論計(jì)算值。為了比較兩種計(jì)算方法的適用性和分析兩種計(jì)算方法產(chǎn)生差異的原因，在水下生產(chǎn)系統(tǒng)安裝施工前設(shè)計(jì)并實(shí)施一次裙板貫入模擬試驗(yàn)，將模擬試驗(yàn)結(jié)果與兩種計(jì)算方法的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，確保實(shí)際水下生產(chǎn)系統(tǒng)防沉板基礎(chǔ)的裙板能貫入到設(shè)計(jì)深度。

1 裙板入泥阻力計(jì)算方法

1.1 基于極限承載力理論的計(jì)算方法

圖1 防沉板裙板入泥阻力示例

在防沉板基礎(chǔ)安裝時(shí)，水下生產(chǎn)系統(tǒng)重量通過(guò)裙板傳遞到海床上。當(dāng)裙板產(chǎn)生的壓力超過(guò)土壤的承載力時(shí)，將造成裙板附近局部土壤承載力失效，使裙板被壓入海床。因此，只要上述水下系統(tǒng)的重量大于裙板入泥最大阻力，即可將防沉板基礎(chǔ)的裙板貫入到設(shè)計(jì)深度。水下生產(chǎn)系統(tǒng)的重量是已知的，并且可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整，因此確保防沉板裙板貫入到設(shè)計(jì)深度的關(guān)鍵是確定裙板入泥阻力大小。

防沉板裙板的入泥阻力來(lái)源于兩部分，一部分是裙板端部擠壓土壤產(chǎn)生的端部阻力，另一部分是裙板側(cè)面與土壤之間的側(cè)摩阻力，如圖1所示。

防沉板裙板入泥阻力為

Qr=Qs+Qt=fsAs1+qtAt

(1)

式中：Qr為裙板總的入泥阻力，kN；Qs為裙板入泥的側(cè)摩阻力，kN；Qt為裙板入泥的端部阻力，kN；fs為裙板側(cè)面單位面積上平均側(cè)摩阻力，kN/m2；qt為裙板端部單位面積上端部阻力，kN/m2；As1為在裙板側(cè)面與土壤的接觸面積，m2；At為裙板端部面積，m2。

側(cè)摩阻力可按照筒-土摩擦計(jì)算，端部阻力基于地基極限承載力理論進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于砂土而言，有

qt=0.5γ′tNγ+qNq

(2)

式中：t為裙板厚度，m；γ′為土壤的浮重，kN/m3；q為作用于裙板端部的側(cè)向壓力，q=γ′D,且D為裙板端部的埋深；Nq、Nγ為承載力系數(shù)。

(3)

式中：K為側(cè)向土壓力系數(shù)；z為裙板端板的埋深，m；δ為土壤與裙板間摩擦角。

(4)

Nγ=1.5(Nq-1)tanφ

(5)

式(4)和式(5)中：φ為有效內(nèi)摩擦角。

1.2 基于靜力觸探試驗(yàn)的計(jì)算方法

靜力觸探試驗(yàn)屬于原位試驗(yàn)，其操作方式也是采用壓力將探頭壓入泥中，與裙板入泥過(guò)程有相似之處。因此，CPT探頭貫入阻力與裙板入泥阻力之間存在聯(lián)系，基于這種聯(lián)系便可以根據(jù)CPT探頭貫入阻力得到裙板的入泥阻力。通常的做法是將CPT探頭貫入阻力與已知的海上CPT試驗(yàn)或?qū)嶋H工程項(xiàng)目的實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，反算得到CPT探頭貫入阻力與裙板入泥阻力之間的關(guān)系。 LUNNE等[13]最早將CPT試驗(yàn)結(jié)果與重力式基礎(chǔ)鋼制裙板的實(shí)測(cè)入泥阻力進(jìn)行比較，得出兩者之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。并且，經(jīng)過(guò)多個(gè)北海項(xiàng)目的實(shí)踐，建立裙板入泥阻力與裙板端部阻力與側(cè)摩阻力之間的關(guān)系為

(6)

式中：Qr為裙板入泥阻力，kN；d為裙板設(shè)計(jì)貫入深度，m；kp(z)為qc與裙板端部阻力之間的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；kf(z)為qc與裙板側(cè)摩阻力之間的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；qc(z)為在裙板貫入深度為z時(shí)的探頭貫入阻力，MPa；As2為單位貫入深度下裙板與土壤的接觸面積，m2/m。

對(duì)于北海區(qū)域土壤，kp和kf的推薦值如表1所示。

表1 北海土壤kp和 kf推薦值[4]

在北海進(jìn)行的實(shí)際測(cè)試顯示，實(shí)際裙板入泥阻力曲線與通過(guò)CPT試驗(yàn)結(jié)果預(yù)估的入泥阻力曲線吻合較好[14]。DNV在總結(jié)北海實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，給出在北海土壤條件下基于CPT探頭貫入阻力計(jì)算裙板入泥阻力時(shí)kp和kf的推薦值，如表2所示。表2中kp和kf的最可能值根據(jù)北海開(kāi)展CPT試驗(yàn)和工程項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)值得出，是用于計(jì)算鋼質(zhì)裙板入泥阻力的期望值，而預(yù)期最大值用于計(jì)算鋼質(zhì)裙板入泥時(shí)受到的預(yù)期最大入泥阻力，該預(yù)期最大入泥阻力通常大于實(shí)際裙板入泥阻力。

表2 DNV給出的北海地區(qū)黏土和砂的kp和 kf推薦值

2 裙板入泥阻力計(jì)算

南海某項(xiàng)目的水下生產(chǎn)設(shè)施選用帶裙板的防沉板作為基礎(chǔ)，裙板設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示，防沉板的設(shè)計(jì)方案如圖2(a)所示，裙板剖面如圖2(b)所示。

表3 裙板設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 水下設(shè)施基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

水下設(shè)施距離中心處理平臺(tái)約50 m，未對(duì)水下設(shè)施單獨(dú)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，而是使用中心處理平臺(tái)樁基礎(chǔ)的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，缺少的參數(shù)依據(jù)API RP 2A-WSD[15]規(guī)范選擇。淺層土壤CPT試驗(yàn)曲線如圖3所示，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告土壤參數(shù)表整理的與裙板入泥計(jì)算相關(guān)的表層土壤參數(shù)如表4所示。

圖3 目標(biāo)安裝位置表層土壤的CPT曲線

土壤描述距泥面深度/m浮重度/(kN·m-3) 有效內(nèi)摩擦角/(°)土壤與裙板間摩擦角(Nq=12)/(°)中等密實(shí)度細(xì)粒到中粒砂4.18.22520

由表4可知，表層土壤為中密度的砂。在依據(jù)土力學(xué)理論計(jì)算裙板的入泥阻力時(shí)，將表4的土壤參數(shù)代入式(1)進(jìn)行裙板入泥阻力計(jì)算。計(jì)算所需的側(cè)向土壓力系數(shù)K根據(jù)API RP 2A推薦取0.8。

在依據(jù)DNV CN 30.4推薦的基于靜力觸探試驗(yàn)方法計(jì)算裙板入泥阻力時(shí)，將表2中相應(yīng)的kp和kf推薦值代入式(6)，根據(jù)表3和圖3可計(jì)算出裙板入泥阻力。另外，從圖3可以看出，CPT阻力曲線在入泥0.30 m和0.45 m處存在明顯拐點(diǎn)，因此在計(jì)算裙板入泥阻力時(shí)，將CPT曲線分為0～0.30 m和0.30 ～0.45 m兩段進(jìn)行計(jì)算。利用極限承載力理論和DNV CN 30.4的推薦方法得到裙板入泥阻力如表5所示。

表5 裙板最大貫入阻力計(jì)算結(jié)果對(duì)比 kN

從表5可以看出，基于極限承載力理論計(jì)算和靜力觸探結(jié)果兩種方法計(jì)算得到的裙板入泥阻力結(jié)果存在較大差異。分析兩種方法的原理和采用的數(shù)據(jù)，造成較大差異的原因是：

(1) 基于極限承載力理論的式(1)在K取定值時(shí)，不能正確反映裙板入泥阻力隨入泥深度變化的過(guò)程。

(2) 基于極限承載力理論的式(1)涉及的土體參數(shù)較多，包括φ、γ′、K、Nγ和Nq，還包含不易確定的外摩擦角δ，計(jì)算結(jié)果受參數(shù)取值影響較大。

(3) 基于極限承載力理論的式(1)基于理想砂土無(wú)黏假設(shè)，而實(shí)際砂土并非理想的無(wú)黏性，顆粒之間存在黏聚力甚至膠結(jié)作用。地質(zhì)調(diào)查報(bào)告中的土壤參數(shù)表只給出反映無(wú)黏土的摩擦角，而沒(méi)有提供反映顆粒之間黏聚力的信息。因此，按照理想砂土參數(shù)進(jìn)行黏性巖土力學(xué)計(jì)算得到的入泥阻力偏小。

但是，DNV推薦的基于CPT試驗(yàn)的式(6)所涉及的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)是基于北海海域的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得到的，這些參數(shù)在我國(guó)南海的適用性還需驗(yàn)證。

3 現(xiàn)場(chǎng)CPT試驗(yàn)

圖4 裙板貫入模擬試驗(yàn)裝置

不同裙板入泥阻力計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果的較大差異使南海項(xiàng)目的防沉板基礎(chǔ)(尤其是裙板高度)設(shè)計(jì)存在問(wèn)題。如果裙板設(shè)計(jì)過(guò)短，將不滿足基礎(chǔ)穩(wěn)定性的要求，會(huì)產(chǎn)生安全隱患；如果裙板設(shè)計(jì)過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致裙板無(wú)法全部貫入，需要回收后再次安裝，不僅需支出巨額的海上作業(yè)施工費(fèi)，而且會(huì)因?yàn)槠茐牧送寥澜Y(jié)構(gòu)而需要重新選擇安裝位置。為了消除防沉板基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和安裝風(fēng)險(xiǎn)，需選擇合理的計(jì)算方法，為此在海上施工前開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證。

直接測(cè)量裙板入泥阻力需要購(gòu)置和安裝專用儀器，需要額外增加采辦設(shè)備費(fèi)用和準(zhǔn)備時(shí)間。為縮短準(zhǔn)備時(shí)間，降低試驗(yàn)難度和費(fèi)用，將直接測(cè)量入泥阻力轉(zhuǎn)換為觀察在固定貫入壓力下試驗(yàn)裝置的入泥深度，與基于極限承載力理論和DNV推薦的基于CPT結(jié)果計(jì)算的兩種入泥阻力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

此次試驗(yàn)裝置在底部焊接多塊平行于鋼板的鋼質(zhì)配重塊，在裙板上沿高度方向以5 cm為間隔劃線，用以觀察裙板的貫入深度，如圖4所示。試驗(yàn)裝置的尺寸和質(zhì)量信息如表6所示。

表6 裙板貫入模擬試驗(yàn)裝置參數(shù)

由表4可知，表層土壤為中密度砂。依據(jù)極限承載力理論將表4的參數(shù)代入式(1)，反算裙板入泥深度。在依據(jù)DNV CN 30.4進(jìn)行計(jì)算時(shí)，將表2中計(jì)算裙板在砂中入泥阻力的kp和kf推薦值代入式(6)，根據(jù)表6和圖3，可計(jì)算裙板在兩種情況下的入泥深度。另外，從圖3可以看出，CPT阻力曲線在入泥0.30 m和0.45 m處存在明顯拐點(diǎn)，在估算模擬裙板入泥深度時(shí)，將CPT曲線分為0～0.30 m和0.30 ～0.45 m兩段進(jìn)行計(jì)算。利用上述兩種方法計(jì)算得到裙板貫入深度如表7所示。

表7 模擬試驗(yàn)裝置裙板貫入深度理論計(jì)算值 m

圖5 裙板貫入模擬試驗(yàn)結(jié)果

鑒于兩種方法計(jì)算的入泥深度差別較大：如果實(shí)測(cè)模擬裙板貫入深度在表7 CPT試驗(yàn)的兩個(gè)結(jié)果之間，說(shuō)明DNV CN 30.4的推薦做法適用于試驗(yàn)區(qū)域土壤的入泥阻力計(jì)算；如果實(shí)測(cè)模擬裙板的貫入深度更接近極限承載力理論的計(jì)算結(jié)果，則基于極限承載力理論公式更適用。

在進(jìn)行裙板貫入模擬試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)裝置吊裝至水下生產(chǎn)設(shè)施目標(biāo)安裝區(qū)域的中心上方，然后豎直下放至海底，使裙板垂直于泥面貫入海床。待穩(wěn)定后，觀察到試驗(yàn)裝置的最終狀態(tài)如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，模擬裙板最終貫入深度約為0.43 m，處于DNV CN 30.4推薦的最高預(yù)期值與最可能值之間，基于CPT試驗(yàn)的裙板入泥阻力計(jì)算結(jié)果與模擬試驗(yàn)結(jié)果誤差小于10%，且遠(yuǎn)小于極限承載力理論對(duì)應(yīng)的3.08 m。這說(shuō)明DNV CN 30.4的推薦做法更適用于本項(xiàng)目的裙板入泥阻力計(jì)算。

基于此次裙板貫入模擬試驗(yàn)結(jié)果，估算南海區(qū)域土壤kp和kf推薦值分別為0.324和0.008 8，依據(jù)DNV CN 30.4的推薦做法計(jì)算防沉板裙板的入泥阻力，設(shè)計(jì)待安裝的水下生產(chǎn)設(shè)施的裙板高度和結(jié)構(gòu)的配重重量。本項(xiàng)目水下生產(chǎn)設(shè)施實(shí)際安裝結(jié)果顯示，防沉板的裙板全部貫入海床，達(dá)到了預(yù)期的效果，保證了水下設(shè)施在服役期間的基礎(chǔ)穩(wěn)定性，也避免了因?yàn)樗丛O(shè)備重量不足裙板不能全部被壓入泥土的狀況發(fā)生。

4 結(jié)論和建議

裙板入泥阻力試驗(yàn)和水下設(shè)施安裝施工結(jié)果表明，與極限承載力理論相比，DNV推薦的基于CPT試驗(yàn)的裙板入泥阻力計(jì)算值與實(shí)際情況接近，對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)具有更好的指導(dǎo)作用。

建議在工程地質(zhì)調(diào)查時(shí)，同時(shí)進(jìn)行土壤鉆孔取樣和CPT試驗(yàn)，并將基于CPT試驗(yàn)的阻力計(jì)算值作為裙板入泥阻力的選擇依據(jù)。當(dāng)計(jì)算所需參數(shù)不可靠時(shí)，建議采用DNV CN 30.4推薦的參數(shù)和做法進(jìn)行裙板入泥阻力計(jì)算，其中，根據(jù)裙板貫入模擬試驗(yàn)結(jié)果，南海區(qū)域土壤裙板端部阻力經(jīng)驗(yàn)系數(shù)kp和裙板側(cè)摩阻力系數(shù)kf的推薦值分別取0.324和0.008 8。在水下設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)，建議為裙板貫入壓力留有一定余量，確保裙板可以貫入到設(shè)計(jì)深度。最后，建議基于工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出適用于我國(guó)土壤情況的CPT試驗(yàn)結(jié)果與裙板入泥阻力之間的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)關(guān)系，用于指導(dǎo)我國(guó)的海洋工程項(xiàng)目。