樁靴在黏土中不連續(xù)加載穿刺現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究

黎之奇 徐文祥

摘? ?要：為解決自升式平臺(tái)在南海等軟黏土區(qū)域作業(yè)時(shí)出現(xiàn)的穿刺問題，對(duì)平臺(tái)樁靴在黏土中加載時(shí)出現(xiàn)的穿刺現(xiàn)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)穿刺機(jī)理和解決方案進(jìn)行探索.以某大樁靴自升式平臺(tái)的實(shí)際加載過程為原型，設(shè)計(jì)一套不連續(xù)加載的單樁模型插樁實(shí)驗(yàn)裝置，通過力加載的方式模擬自升式平臺(tái)預(yù)壓載過程，分析插樁時(shí)的沖樁處理對(duì)穿刺風(fēng)險(xiǎn)的消除效果.研究結(jié)果表明：黏土層中不連續(xù)加載能夠形成穿刺現(xiàn)象，并且減小加載速率在一定程度上可以降低穿刺風(fēng)險(xiǎn);通過在加載過程中進(jìn)行沖樁作業(yè)，能有效減少穿刺的發(fā)生.因此在實(shí)際工程中可通過選擇合適的加載速率，并在加載過程中進(jìn)行沖樁操作來降低穿刺風(fēng)險(xiǎn)，保證作業(yè)安全.

關(guān)鍵詞：海洋平臺(tái);黏土;樁靴;穿刺;沖樁

中圖分類號(hào)：TU411? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674—2974（2019）09—0108—07

Abstract：? In order to solve the punch-through problem of the Jack-up platform in the soft clay area such as the South China Sea， the punch-through phenomenon of the Jack-up platform when penetrating in clay was verified by experiment， and the mechanism and solution for the punch-through were explored. In this paper， an experimental set for single leg penetration test under discontinuous loading was designed to simulate the preloading process of a real Jack-up platform with large spud-can， and a series experiments were performed to investigate the effect of the water jetting process for eliminating the risk of punch-through. The results show that the punch-through can occur in the clay layer under discontinuous loading， and the risk of the punch-through can be mitigated by reducing the loading rate or performing water jetting process. Thus， the present investigation is beneficial for safety operation of the jack-up platform in practice.

Key words： marine platform;clay;spud-can;punch-through;waiter jetting

自升式海上石油鉆井平臺(tái)因其定位能力強(qiáng)、作業(yè)靈活、可移動(dòng)性能好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在近海油氣勘探開發(fā)中發(fā)揮著重要作用. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球自升式鉆井平臺(tái)約占移動(dòng)式鉆井裝置總數(shù)的二分之一，為石油勘探開發(fā)做出了巨大貢獻(xiàn)[1].海上自升式鉆井平臺(tái)作業(yè)分為幾步進(jìn)行，先經(jīng)過拖航、就位、放樁、插樁、預(yù)壓、升船，然后才可以進(jìn)行正常作業(yè).其中在預(yù)壓過程中，樁腿在船艙壓載水等荷載作用下繼續(xù)下沉，樁靴插入海底泥面以下，平臺(tái)船體卻在上升，而實(shí)際作業(yè)時(shí)通常采取分級(jí)加載方式，即平臺(tái)所需的全部壓載水會(huì)分多次注入，各次之間會(huì)使壓載重量維持一段時(shí)間不變，確認(rèn)安全后才可以繼續(xù)注水進(jìn)行下一步的壓載，因此預(yù)壓載為一個(gè)“加載-暫停觀察-繼續(xù)加載”的不連續(xù)加載過程.

由于海底狀況復(fù)雜，插樁穿刺一直是自升式平臺(tái)的潛在安全隱患.穿刺是指預(yù)料之外的單個(gè)樁腿突然下沉，一般發(fā)生在上硬下軟的地層中.樁靴插樁到硬土層時(shí)可能暫時(shí)穩(wěn)定，然而由于持續(xù)加壓及下伏軟土層的影響，平臺(tái)樁腿會(huì)突然穿透上硬土層并進(jìn)入下伏軟土層而快速下沉，形成穿刺事故，最終可能導(dǎo)致船體嚴(yán)重傾斜，造成結(jié)構(gòu)和裝置的損壞，甚至威脅到人員安全[2]. 據(jù)MSL公司統(tǒng)計(jì)，穿刺事故占自升式平臺(tái)總事故的比例高達(dá)53%[3]，而其中超過90%的事故發(fā)生在亞洲[4]. 國內(nèi)外學(xué)者對(duì)穿刺現(xiàn)象展開了廣泛的研究，Lee等人[5-6]在上層砂土下層黏土的土層中開展了一系列離心機(jī)實(shí)驗(yàn)，提出了將樁靴及下部砂土等效為一個(gè)截錐體基礎(chǔ)的新穿刺模型，并發(fā)現(xiàn)測(cè)得的最大貫入阻力發(fā)展趨勢(shì)高度相似;Hossain等人[7-8]在上層硬黏土下層軟黏土以及多層土的土層情況中進(jìn)行了大量離心機(jī)實(shí)驗(yàn)，研究了樁靴貫入時(shí)孔穴的形成、土體流動(dòng)模式及穿刺發(fā)生位置.殷齊麟等[9]運(yùn)用RITSS大變形數(shù)值計(jì)算方法模擬層狀地基插樁，分析可插樁過程土體變形機(jī)理.曹式敬等人[10]和戴兵等人[11]對(duì)平臺(tái)穿刺計(jì)算方法進(jìn)行了討論，對(duì)樁基承載力計(jì)算公式進(jìn)行了歸納和修正.這些穿刺研究主要集中于上硬下軟土層及成層土的連續(xù)加載過程，缺乏對(duì)樁靴在單一土層不連續(xù)貫入的研究.

為了獲得更大的地基承載力，提高在超軟地層井位的作業(yè)能力，新型平臺(tái)通常都配有面積較大的樁靴，也稱“大樁靴”設(shè)計(jì). 大樁靴在提高軟地層適應(yīng)性的同時(shí)，能在較淺的地層獲得足夠的穩(wěn)定性，從而降低穿刺風(fēng)險(xiǎn).但在實(shí)際作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，在黏土層中預(yù)壓載時(shí)也會(huì)發(fā)生穿刺事故. 2004年，印尼Belida B wellhead platform （WHP）插樁時(shí)發(fā)生了穿刺事故[12]，后來重新進(jìn)行地質(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”導(dǎo)致了穿刺. 2017年，南海某大樁靴自升式鉆井平在黏土層預(yù)壓載時(shí)發(fā)生了穿刺現(xiàn)象，穿刺深度近4 m，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重?fù)p傷.因此，對(duì)黏土層地基承載力的研究有助于了解黏土中穿刺的機(jī)理，對(duì)于保障生產(chǎn)安全，減少財(cái)產(chǎn)損失具有重要的意義.

對(duì)于黏土中的穿刺問題，國內(nèi)外的研究較少.Barbosa-Cruz[13]通過離心機(jī)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，黏土中的穿刺現(xiàn)象是由不連續(xù)加載過程中土體固結(jié)所造成的，固結(jié)程度較小也能引起穿刺. Bienen等人[14]在Barbosa-Cruz的基礎(chǔ)上通過離心機(jī)實(shí)驗(yàn)研究了固結(jié)時(shí)間，固結(jié)深度對(duì)穿刺機(jī)理的影響，發(fā)現(xiàn)固結(jié)后孔隙比減小，不排水抗剪強(qiáng)度增加，承載力急劇增加;固結(jié)時(shí)間越長，承載力提高越多.趙明華等人[15]對(duì)軟黏土中沉樁以及隨后的固結(jié)過程進(jìn)行了模擬，研究了不同因素對(duì)固結(jié)完成后樁側(cè)土體不排水抗剪強(qiáng)度的影響.以上研究有的雖然通過離心機(jī)不連續(xù)加載分析了黏土穿刺問題，但都是通過位移加載至固結(jié)深度后停止加載，等待固結(jié)時(shí)間后重新加載，與實(shí)際作業(yè)分級(jí)加載方式有所出入.

綜上所述，目前對(duì)穿刺現(xiàn)象的研究主要集中在上硬下軟的成層土中，現(xiàn)有黏土層中穿刺的研究主要采用位移加載，不能很好地模擬平臺(tái)預(yù)加載方式，而且現(xiàn)有規(guī)范[16]中預(yù)判穿刺的承載力公式大多基于圓餅形樁靴提出，雖然具有較好的通用性，但是對(duì)于采用方形大樁靴的適用性有待商榷.本文以某方形大樁靴自升式平臺(tái)為原型，運(yùn)用模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究了黏土層中不連續(xù)加載的穿刺現(xiàn)象，分析了穿刺產(chǎn)生的機(jī)理和影響因素及降低穿刺風(fēng)險(xiǎn)的方法.對(duì)于完善黏土層穿刺研究和指導(dǎo)工程實(shí)際具有重要意義.

1? ?插樁模型實(shí)驗(yàn)

1.1? ?模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)在土池中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1（a）所示，土池兩側(cè)設(shè)有垂直導(dǎo)軌系統(tǒng)，便于調(diào)整加載系統(tǒng)的位置，同時(shí)也是對(duì)整個(gè)上部測(cè)量系統(tǒng)起到承載的作用. 實(shí)驗(yàn)分為沖樁和非沖樁兩類，首先，在圖1（a）中位置1處進(jìn)行不連續(xù)壓載實(shí)驗(yàn)，測(cè)量壓載過程中的承載力-位移曲線. 然后，將整個(gè)系統(tǒng)移動(dòng)到位置2處進(jìn)行相同的壓載實(shí)驗(yàn)，但在壓載過程中進(jìn)行沖樁操作，測(cè)量承載力-位移曲線.對(duì)比兩種工況以及不同壓載速率下的承載力-位移曲線.

進(jìn)行縮尺實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)相似性分析，1g重力加速度環(huán)境下模型試驗(yàn)長度、位移、應(yīng)力、時(shí)間等均為原型的1/N[17]（N為試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比），應(yīng)變和重度系數(shù)等參數(shù)與原型比例為1，流量與原型比例為1/N2.

插樁實(shí)驗(yàn)加載系統(tǒng)如圖1（b）所示，該系統(tǒng)的上部由水箱注水進(jìn)行垂直方向載荷的持續(xù)加載，豎直導(dǎo)軌配合滾動(dòng)軸承用于水箱垂直移動(dòng);在自升式平臺(tái)樁靴模型上面安裝位移傳感器和力傳感器，用來測(cè)量樁靴在實(shí)驗(yàn)中的載荷和入泥深度等相關(guān)數(shù)據(jù).另外，在樁靴底部布置沖樁孔，并按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)配備相應(yīng)的模擬沖樁系統(tǒng)，通過水泵控制沖樁水壓，對(duì)樁靴以下土體進(jìn)行沖刷，使其處于不排水狀態(tài)，沖樁示意圖如圖2（a）、2（b）所示.插樁位置詳圖如圖2（c）所示，插樁位置距水平邊界1.2d（d為實(shí)驗(yàn)樁靴最大截面邊界方向長度），距豎向邊界1d，由于存在一定的邊界效應(yīng)，將導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)稍有偏大[18]，但左右兩個(gè)插樁位置完全對(duì)稱，并且邊界條件保持一致，因此實(shí)驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果仍具有合理性.尺寸效應(yīng)即為地基承載力系數(shù)Nγ隨基礎(chǔ)寬度的增大而減小，與基礎(chǔ)埋深和大小等因素相關(guān)[19]，本實(shí)驗(yàn)存在一定的尺寸效應(yīng)，但樁靴尺寸、插樁位置和深度都是一定的，其結(jié)果仍具有參考性.

實(shí)驗(yàn)所用的樁靴模型以某自升式平臺(tái)大樁靴為原型，模型如圖2（d）所示，制作比例為1 ∶ 75，平臺(tái)樁靴模型長300 mm，寬236 mm，樁底至樁腿頂面高600 mm，樁靴底部設(shè)有4個(gè)沖樁孔. 實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集采用DH5923動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，該儀器共有32個(gè)測(cè)量通道，每個(gè)通道接口均為7芯航空接頭，能夠輸出最高為24 V的橋路電壓.沖樁系統(tǒng)如圖2（a）所示，主體為XQm型水泵，其排量范圍為0～25 L/min，最大揚(yáng)程為20 m，額定功率為0.125 kW.原位測(cè)量系統(tǒng)采用SZB-1.0型便攜式十字剪切儀，該儀器包括1只扭力計(jì)、6根延長桿、4只不同的十字板頭、1只板頭桿和3只輔助扳手，用于測(cè)定飽和黏性土的原位不排水強(qiáng)度.其中板頭尺寸如表1所示，由于土層厚度一定，板頭越高在深度方向取點(diǎn)就越少，B板頭雖然高度較小可測(cè)點(diǎn)位多，但量程過大不夠精確，D板頭可測(cè)點(diǎn)位又過少，考慮到精確度和土層厚度，最終實(shí)驗(yàn)選用C號(hào)板頭進(jìn)行測(cè)量.在實(shí)驗(yàn)前，分別對(duì)兩個(gè)樁靴加載點(diǎn)的前、后、左、右、中心5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行不排水剪切強(qiáng)度測(cè)量，取其平均值，從而得到抗剪強(qiáng)度隨深度的擬合曲線.

1.2? ?實(shí)驗(yàn)方案及實(shí)施

實(shí)驗(yàn)分為2類（沖樁和非沖樁）共6種工況，如表2所示.每種工況均分為四級(jí)加載，每級(jí)加載分為加載和觀察兩個(gè)過程.參考實(shí)際平臺(tái)預(yù)壓載時(shí)加載和觀察的時(shí)間，將實(shí)驗(yàn)的觀察時(shí)間設(shè)定為30 min，通過改變每級(jí)加載的速率來觀察土體的穿刺情況.在同一級(jí)加載速率下還設(shè)置了沖樁對(duì)比工況，目的是考察在插樁過程中進(jìn)行沖樁操作對(duì)土體承載力以及穿刺現(xiàn)象的影響.沖樁工況下沖樁作業(yè)伴隨整個(gè)加載過程，且沖樁壓力保持一定，對(duì)樁靴底部土體進(jìn)行持續(xù)沖刷.

實(shí)驗(yàn)黏土的主要參數(shù)如表3所示，實(shí)驗(yàn)前先將黏土進(jìn)行晾曬處理，碾碎直徑大于10 mm的黏土塊，之后把黏土倒入土箱中，逐層加水?dāng)嚢?，然后讓黏土靜置固結(jié)一段時(shí)間，配置一定初始含水率的飽和黏土（實(shí)驗(yàn)土層厚度為35 cm）;配好土后安裝樁靴模型與加載裝置，安裝傳感器. 通過控制配重對(duì)樁靴分級(jí)壓載，先通過控制加載管道流量達(dá)到不同的加載速率，加載配重至50 kg，停止加載并靜置30 min，第一級(jí)加載完成;然后按之前的加載速率繼續(xù)加載，將配重加至100 kg，靜置30 min后完成第二級(jí)加載;最后依次將配重加至150 kg和200 kg，完成整個(gè)不連續(xù)的四級(jí)加載流程，并記錄全過程的承載力和位移等數(shù)據(jù).在位置1完成正常插樁實(shí)驗(yàn)后，拔出樁靴，將加載實(shí)驗(yàn)裝置移到位置2進(jìn)行沖樁對(duì)比實(shí)驗(yàn).沖樁工況參考了實(shí)際平臺(tái)沖樁操作，首先將沖樁管線與樁靴連接緊密，之后開啟水泵觀察樁靴沖樁孔是否堵塞，若出現(xiàn)堵塞情況則加大水泵輸出，沖開后4個(gè)孔均能順利沖樁，然后將沖樁壓力控制在7.2 kPa（與實(shí)際比例為1 ∶ 75），同樣記錄全過程的承載力和位移等數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)前使用十字板剪切儀對(duì)不同點(diǎn)位的原位土進(jìn)行了測(cè)試，最后取平均值得到的土體不排水抗剪強(qiáng)度如圖3所示.

2? ?模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1? ?不連續(xù)加載穿刺現(xiàn)象的產(chǎn)生

加載過程中，在每級(jí)加載中間會(huì)有30 min的觀察期，土體的固結(jié)就發(fā)生在此觀察期內(nèi). 從圖4（a）可以看出，T1實(shí)驗(yàn)中在第一次觀察期過后重新加載時(shí)，發(fā)生了快速下沉，下沉深度為5mm，由于插樁深度較淺，且土層厚度較小，可認(rèn)為是一次下沉深度較小的穿刺現(xiàn)象，其相對(duì)土層厚度的穿刺深度為1.4%.從圖4（b）局部放大圖中可以看出，在發(fā)生穿刺前，隨著重新加載時(shí)荷載的增加，樁靴的入泥深度在一定時(shí)間內(nèi)保持不變，這說明在停止加載時(shí)土體產(chǎn)生固結(jié)，從而在樁靴底部形成局部硬層，分析其原因可能是在加載過程中，底部土體孔隙水壓持續(xù)上升，由于土體來不及排水，荷載由孔隙水和土體共同承擔(dān);在靜置過程中土體有充分時(shí)間排水，因此孔隙水壓減小，樁靴局部土體的有效應(yīng)力增加，土體發(fā)生再次固結(jié)，在局部形成硬化層，再次加壓時(shí)荷載超過硬化層的承載力后出現(xiàn)穿刺現(xiàn)象.

2.2? ?加載速率對(duì)穿刺的影響

對(duì)比圖4（a）和圖4（c）、圖4（d）可以看出，T1在第一次和第三次觀察期后都發(fā)生了穿刺現(xiàn)象. 而T2與T3實(shí)驗(yàn)僅在第一次觀察期后發(fā)生了一次穿刺，可以看到加載速率降低后，穿刺風(fēng)險(xiǎn)有了明顯降低.其原因可能是因?yàn)榧虞d速度較快時(shí)，樁靴底部土體的固結(jié)速率較高，上部快速形成的硬土層阻礙了下部軟土層的進(jìn)一步排水，因而最終形成的硬土層較薄，抗剪強(qiáng)度較低.已有研究結(jié)果表明，上硬土層抗剪強(qiáng)度減小時(shí)，穿刺風(fēng)險(xiǎn)隨之增大[20].

2.3? ?加載時(shí)沖樁對(duì)穿刺的影響

沖樁是以大量海水對(duì)樁腿下面的土壤進(jìn)行噴沖，以消除土壤對(duì)結(jié)構(gòu)物吸附力的操作，沖樁一般用于解決鉆井平臺(tái)拔樁困難等問題[21]，能有效減小拔樁阻力，而本實(shí)驗(yàn)將沖樁應(yīng)用在插樁過程中，對(duì)比正常加載工況研究沖樁對(duì)樁靴地基承載力的影響，并觀察沖樁工況下的穿刺情況.從圖5（a）（b）（c）均可以看出，在插樁過程中進(jìn)行沖樁，土體的承載力有明顯降低，其中T4工況中土體承載力下降幅度最大（42%）.圖6表明在沖樁工況下3種加載速率均未出現(xiàn)穿刺現(xiàn)象.沖樁對(duì)樁靴底部土體的作用，一是在樁靴底部形成一層“水膜”，二是當(dāng)沖樁壓力較大時(shí)噴沖作用會(huì)破壞底部土體的整體性，避免硬土層的形成，這兩種作用都有效地阻礙了土體的固結(jié)和局部硬層的形成，規(guī)避了相應(yīng)的穿刺風(fēng)險(xiǎn).

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在預(yù)壓載時(shí)沖樁能夠有效降低穿刺風(fēng)險(xiǎn).在工程中遇到穿刺風(fēng)險(xiǎn)較高的地層可以采用沖樁的方式，保證作業(yè)安全.

2.4? ?施工建議

大樁靴平臺(tái)在軟黏土層中插樁作業(yè)時(shí)，在不影響工期的情況下盡可能降低壓載的速率，避免由于加載過快引起的穿刺事故.并且在遇到穿刺風(fēng)險(xiǎn)較高的黏土區(qū)域，可考慮在插樁時(shí)進(jìn)行沖樁處理，在沖樁初期可增大泵壓直到樁靴底部孔都沖開，然后降低至一定的壓力保證能正常沖樁即可，維持沖樁狀態(tài)至插樁結(jié)束，可在一定程度上降低穿刺風(fēng)險(xiǎn).

3? ?結(jié)? ?論

1）本文針對(duì)某大樁靴自升式平臺(tái)在黏土層發(fā)生的穿刺事故，通過模擬實(shí)際平臺(tái)的加載方式，設(shè)計(jì)了一整套包括加載裝置、測(cè)量裝置和沖樁裝置的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，完成了樁靴在黏土中的插樁實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的有效性.

2）以正常壓載方式進(jìn)行加載時(shí)（T1～T3）均出現(xiàn)了微小的穿刺現(xiàn)象，并且在較高的加載速率下（T1）出現(xiàn)了多次穿刺，表明平臺(tái)在黏土層中插樁時(shí)會(huì)出現(xiàn)穿刺現(xiàn)象，并且穿刺風(fēng)險(xiǎn)隨加載速率的提高而增加.

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在插樁過程中進(jìn)行沖樁操作，能大幅度降低地基承載力，最高可達(dá)42%，并有效降低穿刺風(fēng)險(xiǎn).

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