自升式平臺(tái)拔樁阻力分析及校核

陸淦金 李玉芬 李成福

摘 ? ?要：拔樁能力是海上自升式平臺(tái)的重要性能指標(biāo)之一，對(duì)平臺(tái)的運(yùn)營安全有著重大影響。本文分析了海底土壤與浸沒結(jié)構(gòu)物間的作用機(jī)理，以及影響結(jié)構(gòu)物提升出泥阻力的主要因素，并提出阻力值的估算方法海上平臺(tái)拔樁能力校核的方法，為平臺(tái)拔樁能力的校核和升降系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：自升式平臺(tái);拔樁阻力;沖樁系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U674.98?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： Pile extraction capacity is one of the important performance indexes of the offshore jack-up platform， which has a significant impact on the operation safety of the platform. The interaction mechanism of seabed soil and submerged structures is analyzed， the main factors affecting the resistance to extract structures out from sea mud are determined and analyzed， specific evaluation method of the pile extraction resistance and verification method of platform pile extraction capability are summarized and proposed.

Key words： Jack-up platform; Leg extracting resistance; Spudcan jetting

1 ? ? 前言

自升式海洋平臺(tái)在移位之前需要把樁腿拔出收回至原位，在樁靴出泥過程中需要克服包含樁腿自重在內(nèi)的阻力，統(tǒng)稱為拔樁阻力。除樁腿自身重量外，拔樁阻力的最主要部分是海床泥土與樁靴之間的吸附力。目前實(shí)際工程中大多仍采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，對(duì)樁靴樁腿結(jié)構(gòu)物形狀、泥土性質(zhì)等因素考慮不充分，估算結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性不理想。因此，準(zhǔn)確計(jì)算預(yù)測拔樁吸附力對(duì)自升式平臺(tái)和其他坐底結(jié)構(gòu)物的工程運(yùn)營具有重要意義。

2 ? ? 平臺(tái)拔樁阻力分析

2.1 ? 拔樁阻力的理論基礎(chǔ)

平臺(tái)拔樁過程中需要克服的超過樁腿自重的額外阻力，即海床泥土對(duì)樁腿樁靴的吸附力。泥土吸附力的形成機(jī)理極其復(fù)雜，業(yè)界提出過多種理論模型，但均不能很好地解決這個(gè)問題。目前較合理的解釋是認(rèn)為由于樁靴底面與海底土長時(shí)間保持高壓接觸，在兩者之間形成了一個(gè)穩(wěn)定的力學(xué)系統(tǒng)[1]，而破壞這個(gè)系統(tǒng)需施加強(qiáng)大的外作用力，即在平臺(tái)拔起樁腿時(shí)海底土對(duì)樁腿的吸附作用力。

2.2 ? 泥土的吸附效應(yīng)

泥土對(duì)樁靴等結(jié)構(gòu)物的吸附力主要組成部分有：土體對(duì)樁靴結(jié)構(gòu)的粘著力;樁靴結(jié)構(gòu)提升時(shí)土體中的負(fù)孔隙水壓力;土體對(duì)樁靴側(cè)面的摩擦力;對(duì)完全浸沒于底床泥土中的樁靴結(jié)構(gòu)，還需考慮上覆回填土體的重量。

2.2.1泥土的粘著力

泥土對(duì)結(jié)構(gòu)物的粘著作用，實(shí)際上是泥土顆粒和結(jié)構(gòu)物同時(shí)對(duì)相同分子產(chǎn)生方向相反的吸引力而形成的。根據(jù)結(jié)合水理論，土體的含水量對(duì)其粘性有重要的影響：當(dāng)土體水含量較低時(shí)，土體中的水大部分是強(qiáng)結(jié)合水，強(qiáng)結(jié)合水分子無法被結(jié)構(gòu)物分子吸引，因此這時(shí)土體的粘性很小;當(dāng)含水量增加到一定程度時(shí)，土體中出現(xiàn)弱結(jié)合水，弱結(jié)合水可被土體顆粒與結(jié)構(gòu)物吸引，這時(shí)土體開始表現(xiàn)出粘性;如果含水量繼續(xù)增加，土體中將出現(xiàn)自由水，如果自由水多到能把土顆粒與結(jié)構(gòu)物完全隔開，這時(shí)土的粘性顯著減弱甚至消失。

2.2.2負(fù)孔隙水壓力

持續(xù)承受高壓的土體在開始卸載荷的瞬間，水分子來不及進(jìn)入土中，土體的骨架未發(fā)生變形，此時(shí)外界卸去的荷載量完全由孔隙水承擔(dān)，出現(xiàn)負(fù)孔隙水壓力以抵消荷載，表現(xiàn)為拔樁時(shí)海床泥土對(duì)樁靴的額外吸附力;在這個(gè)瞬間之后，土體的骨架開始膨脹，水分子開始進(jìn)入土體，負(fù)孔隙水壓力逐漸消散，原來由孔隙水承擔(dān)的荷載逐漸轉(zhuǎn)化為由土骨架承擔(dān)，最終達(dá)到新的平衡;負(fù)孔隙水壓力的消散速度主要取決于土的滲透性，滲透性差的土體會(huì)產(chǎn)生明顯的負(fù)孔隙水壓力，并且消散速度慢;而滲透性好的土產(chǎn)生的負(fù)孔隙水壓力通常較小甚至不產(chǎn)生，并且消散速度快。

2.2.3側(cè)摩擦阻力

側(cè)摩擦阻力是樁靴結(jié)構(gòu)被提升的過程中，樁靴側(cè)面與土體之間產(chǎn)生的摩擦力，主要受土體性質(zhì)、樁靴形狀和尺寸、樁靴入泥深度等因素的影響。一般來說，密度越大、強(qiáng)度越高、含水量越低的土體對(duì)樁靴側(cè)面的摩擦力越大。有試驗(yàn)證明，在一般粘性土中，側(cè)摩擦阻力等于樁靴周土的不排水抗剪強(qiáng)度;在砂性土中，側(cè)摩擦阻力系數(shù)平均值接近于主動(dòng)壓力系數(shù)，即與上覆土應(yīng)力有明顯的關(guān)聯(lián)。

2.2.4 回填土重量

如果樁靴入泥深度較大，上部泥土回填將不可避免。如果樁靴的平面投影面積大并且斜度小，其上覆土的重量將是樁腿提升過程中不可忽視的因素。

2.3 ? 沖樁的原理

在前面討論的作用力中，土的粘著力和提升時(shí)產(chǎn)生的負(fù)孔隙水壓力占據(jù)了的最大比例。根據(jù)其形成原理可知，增加土體的含水量是削弱這兩個(gè)作用力的有效手段，自升式平臺(tái)的沖樁系統(tǒng)就是根據(jù)這個(gè)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

沖樁系統(tǒng)的作用和目的是在平臺(tái)拔樁前和拔樁過程中，通過向樁靴表面（主要指下表面）注入大量高壓水來減弱土體對(duì)樁靴表面的粘著力和土體中的負(fù)孔隙水壓力，從而有效減弱拔樁時(shí)的阻力，降低拔樁的難度和危險(xiǎn)系數(shù)。沖樁系統(tǒng)的壓力、流量以及噴嘴的數(shù)量、布置位置等因素，對(duì)沖樁效果有重大影響。[2]

3 ? ?平臺(tái)拔樁能力校核

3.1 ? 拔樁阻力的理論計(jì)算方法

3.1.1樁靴上覆土重

海底表層土基本是飽和土，計(jì)算土體的重量時(shí)應(yīng)使用土的有效容重，即消除水浮力的影響。當(dāng)樁靴入泥較深時(shí)，如果土質(zhì)隨深度增加有明顯的變化，應(yīng)根據(jù)勘探結(jié)果將地質(zhì)數(shù)據(jù)分層列出以減小誤差，泥土重量也應(yīng)按各層地質(zhì)數(shù)據(jù)分別計(jì)算：

式中：Fsoil—第i層上覆土重力，kN;

γi—第i層上覆土有效容重，kN/m3;

hi─第i層上覆土厚度，m;

A─樁靴水平投影面積，m2

3.1.2樁腿樁靴側(cè)摩擦阻力

自升式平臺(tái)樁腿和樁靴的側(cè)摩擦阻力計(jì)算，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況考慮;對(duì)于圓柱形樁腿，應(yīng)該著重考慮樁腿筒壁的側(cè)摩擦阻力;對(duì)于桁架式和類桁架式樁腿，則應(yīng)著重考慮樁靴側(cè)摩擦阻力。

對(duì)比中國、歐洲標(biāo)準(zhǔn)和美國API系列標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)中國和歐洲的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文本沒有明確給出樁基極限承載力的計(jì)算公式，而國內(nèi)業(yè)界目前主要采用的還是工程試驗(yàn)總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)公式和美國API標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算方法[3]。API 2GEO詳細(xì)規(guī)定了各種形式樁基的極限承載力的計(jì)算方法，對(duì)各計(jì)算公式的適用范圍也有比較詳細(xì)的界定，對(duì)公式中主要參數(shù)的取值有明確要求[4]：

3.1.3樁靴底面吸附力

對(duì)于泥土中結(jié)構(gòu)物提升過程中出現(xiàn)的吸附力的計(jì)算，有研究認(rèn)為可以轉(zhuǎn)化為浸沒于介質(zhì)中的剛體被提升時(shí)的塑性極限問題，結(jié)合斯肯普頓計(jì)算模型、太沙基極限承載理論，可推導(dǎo)出結(jié)構(gòu)物離底的吸附力計(jì)算公式。根據(jù)驗(yàn)證，在浸深較小的情況下，該公式的計(jì)算結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果大25%左右，誤差隨結(jié)構(gòu)物的浸深增加而減小。下列計(jì)算公式，可應(yīng)用于計(jì)算自升式平臺(tái)拔樁過程中的樁靴吸附力：

3.2 ? 拔樁能力校核算例

3.2.1計(jì)算平臺(tái)拔樁阻力

平臺(tái)總拔樁阻力主要由樁腿自重、海床泥土對(duì)樁靴的吸附力、樁靴側(cè)摩擦阻力等組成。本文以某自升式大型海上風(fēng)電安裝平臺(tái)為例，計(jì)算其拔樁阻力并校核其拔樁能力。

該平臺(tái)樁腿和樁靴的結(jié)構(gòu)型式，如圖1所示;平臺(tái)的主尺度和海床泥土地質(zhì)參數(shù)，見表2和表3;假定平臺(tái)在給定的狀態(tài)和地質(zhì)數(shù)據(jù)下樁腿入泥深度為10 m，單根樁腿的拔樁阻力計(jì)算結(jié)果見表4。

3.2.2校核平臺(tái)拔樁能力

該平臺(tái)最多可裝載4套6 MW風(fēng)機(jī)設(shè)備，總重量約3 200 t。平臺(tái)安裝完第1套風(fēng)機(jī)后，需拔樁遷移至下一風(fēng)機(jī)安裝位，這時(shí)平臺(tái)上仍有3套風(fēng)機(jī)，總重量約2 400 t，從實(shí)際作業(yè)需要考慮，選定該狀態(tài)來校核平臺(tái)的拔樁能力。

拔樁方案一：依靠平臺(tái)浮力，同時(shí)拔起對(duì)角2根樁腿;

拔樁方案二：依靠平臺(tái)浮力，每次拔起1根樁腿。

根據(jù)靜水力計(jì)算書：平臺(tái)滿載吃水約5.1 m、TPC約41.57 t/cm;扣除1套風(fēng)機(jī)設(shè)備重量后，吃水約為5.0 m;該平臺(tái)允許的最大吃水為5.3 m，該狀態(tài)下平臺(tái)提供的最大浮力約為1 600 t;平臺(tái)升降裝置最大載荷能力為7752 t。

根據(jù)表5所示校核結(jié)果，該平臺(tái)滿載時(shí)能提供的最大額外浮力為約830 t，低于單根樁腿的最小拔樁阻力1118.0 t，因此滿載時(shí)平臺(tái)無法拔出拔腿;在安裝完第1套風(fēng)機(jī)設(shè)備后，通過沖樁消除樁靴吸附力，平臺(tái)能提供最大額外浮力約1 600 t，能夠完成拔樁任務(wù)。

4 ? ? 結(jié)束語

海床泥土的吸附力、對(duì)樁靴側(cè)面的摩擦力和樁靴上覆土的重量，是桁架式樁腿自升式平臺(tái)總拔樁阻力主要組成部分。通過沖樁系統(tǒng)對(duì)樁靴上下表面進(jìn)行沖刷，可以減小土體的粘力和負(fù)孔隙水壓力，從而有效削減泥土對(duì)樁靴的吸附作用。

在自升式平臺(tái)的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)對(duì)平臺(tái)樁腿入泥深度和拔樁能力進(jìn)行校核計(jì)算，從而選擇合理的樁靴型式、尺寸，并且應(yīng)嚴(yán)格控制平臺(tái)重量，保證平臺(tái)的拔樁能力。

參考文獻(xiàn)

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