幾種穿刺分析法在自升式鉆井平臺插樁中的探討

佘 穩(wěn),蔡龍龍,劉劍濤

(中海油田服務股份有限公司,天津300459)

自升式鉆井平臺是海洋油氣田開發(fā)的重要設備之一,利用該平臺可以進行鉆井、修井和試采等作業(yè)。該平臺具有移動性好、作業(yè)穩(wěn)定性強和適用性高等優(yōu)點,因此在近海油氣開發(fā)中得到了廣泛應用[1-3]。僅在我國,自升式鉆井平臺在移動式鉆井平臺中所占比例高達80%[4],己經(jīng)成為我國海洋油氣勘探開發(fā)的重要裝備。穿刺事故是鉆井平臺就位期間的最大風險因素,根據(jù)HSE(Healt h&Safety Executive)統(tǒng)計資料表明,穿刺事故約占平臺總事故的53%[5]。平臺穿刺事故頻發(fā)主要與復雜的海底地層條件有關,特別是很多區(qū)域存在上部為砂土或硬黏土、下部為軟黏土的類似“雞蛋殼”地層,自升式鉆井平臺在此類區(qū)域作業(yè)時存在穿刺的風險。如果穿刺行程超過了平臺自身調(diào)節(jié)控制的能力,則平臺會急速傾斜或傾覆,造成設備受損或人員傷亡。因此,穿刺分析是鉆井平臺插樁預測過程中分析的重點。

對于海底層狀結構地層,在計算時一般簡化為多個雙層地基的疊加。常用的成層地基極限承載力的計算方法有Hansen加權平均法[6]、Baglioni分析法[7]、3∶1穿刺分析法[8]和沖剪系數(shù)分析法[9]等方法,目前的研究仍難得到嚴格的理論解,所以這些方法大多為經(jīng)驗公式或半經(jīng)驗公式。海上工程地質(zhì)分析中應用較多的穿刺分析法為3∶1穿刺分析法[8],該方法為《海洋井場調(diào)查規(guī)范》[10]中推薦的方法。雖然《海洋井場調(diào)查規(guī)范》[10]和SNA ME規(guī)范[11]都對沖剪系數(shù)分析法[9]進行了介紹說明,但該方法在工程實踐中暫未應用,此外,《建筑地基基礎設計規(guī)范》[12]對地基受力層范圍內(nèi)有軟弱下臥層時,推薦了驗算方法,即“地基壓力擴散角法”,該方法暫未在自升式鉆井平臺插樁中運用。所以,本文將利用地基壓力擴散角法對鉆井平臺基礎承載力進行研究分析,以確定該方法在鉆井平臺穿刺分析中是否可行。

對于某些復雜的場址,穿刺分析的結果仍存在預測不準的情況。因此,如何準確地進行穿刺分析是地質(zhì)工程師需要攻克的一個技術難點?；诖?本文選擇渤海2個場址(命名為A場址和B場址)、南海1個場址(命名為C場址),利用Baglioni分析法[7]、3∶1穿刺分析法[8]、沖剪系數(shù)分析法[9]和地基壓力擴散角法[12]四種穿刺分析法對鉆井平臺基礎進行承載力分析及穿刺分析,以期提高對自升式鉆井平臺穿刺分析的準確性。

1 鉆井平臺基礎承載力分析

鉆井平臺的插樁深度與地層的極限承載力直接相關,土質(zhì)條件、樁靴的形狀及尺寸是影響地層承載力的主要因素。對于自升式鉆井平臺,通常采用靜力壓載的方式將樁腿插入海底面以下的土中,當施加的載荷大于地層的極限承載力時,樁靴就會發(fā)生貫入,直到土的極限承載力不小于樁靴對土所施加的壓力為止。

樁靴基礎的極限承載力Qs表達式[10]為

式中:Qv為基礎底面土的總極限軸向承載力,Wbf為基礎上部回填土的有效荷重,γ1為樁靴排開土的平均有效重度,V為樁靴的體積,qn為單位面積極限承載力,P0為樁靴深度處的有效上覆壓力,A為樁靴的最大水平截面積,Dk為樁靴最大截面入泥深度,Hcav為樁靴坑上部未回填部分的深度,γ1′為基礎上部回填土的有效重度。

黏性土的單位面積極限承載力qn的計算公式[10]為

式中:Bs為樁靴的當量直徑,Sun為樁靴最大截面以下(Bs/2)深度內(nèi)土的平均不排水抗剪強度。

砂性土的單位面積極限承載力qn計算公式[10]為

式中:γ為樁靴最大截面以下(Bs/2)深度內(nèi)土的平均有效重度,Nr和Nq為排水粒狀土的無量綱承載力系數(shù),qmax為qn的限制值(Nq和qmax推薦值參考文獻[13])。

2 穿刺分析

當在上硬下軟的層狀地層中進行預壓插樁時,樁靴很可能會穿透上覆硬土層,造成樁腿的迅速下沉,形成“穿刺”現(xiàn)象。因此,對于這種類型的土質(zhì)剖面必須進行穿刺分析來評價樁靴潛在的穿刺風險。

2.1 Baglioni分析法

Baglioni分析法[7]的原理是假定作用在上部基底的荷載沿某個角度θ(擴散角)向下線性擴散直至下臥軟土層,在下層土上表面形成一個面積按比例放大的等效基礎,該等效基礎所受到的下層土的極限承載力即為原基礎的雙層地基極限承載力(圖1)。

圖1 Baglioni分析法示意圖[7]Fig.1 Schematic diagra m of the Baglioni method[7]

Baglioni等[7]指出,當砂層厚度小于樁靴直徑的2.5倍時,假定砂土的擴散角θ與砂土的有效內(nèi)摩擦角Φ相等,并且當穿刺發(fā)生時,全部荷載將在破壞區(qū)域的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)移到假象樁靴之上,于是成層土極限承載力可以等價為軟土層對假象樁靴的極限承載力,穿刺分析中計算硬土層單位面積等效凈極限承載力q′n的計算公式[7]為

式中:Sub為下伏軟黏土層的平均不排水抗剪強度,H′為樁靴最大截面下硬土層的厚度,W為實際基礎與等效基礎深度間“土塞”的有效荷重,qnh為硬土層的單位面積凈極限承載力。

2.2 3∶1穿刺分析法

3∶1穿刺分析法由Young和Focht[8]于1981年提出。該方法假定施加在上層(硬層)的基礎荷載通過硬層向下擴展,在下臥軟弱層頂面產(chǎn)生一假想的“等效基礎”,該等效基礎的擴展比例為3∶1(垂直方向∶水平方向)。如果施加在等效基礎上的壓力超過下層土的承載力,則穿刺將會發(fā)生(圖2)。該方法與Baglioni分析法的原理基本一致,其相當于使用了一個恒定的擴散角(θ=18.435°)。該方法計算的等效基礎的大小只與砂層厚度有關,忽略了砂層密實度的影響。穿刺分析中計算硬土層單位面積等效凈極限承載力q′n的計算公式[8]為

圖2 3∶1穿刺分析法示意圖[8]Fig.2 Sche matic diagra m of the 3∶1 method[8]

2.3 沖剪系數(shù)分析法

1980年,Hanna和Meyer hof[9]提出沖剪系數(shù)分析法,該方法原理是:假設地基中上層硬土發(fā)生剪切破壞,并根據(jù)相應理論假定破壞面的方向為豎直向下,可以將基底下的柱狀土體(土塞)看作基礎的一部分,則雙層土的極限承載力可以看作是基礎與柱狀土體所受承載力的合力(圖3)。由于上下土層承載力差別較大,基礎底部柱體形狀的土塊將跟隨基礎一起向下運動,進入到下層軟土中,在這一過程中,上層硬土和下層軟土的性質(zhì)不發(fā)生改變。該方法在實際插樁計算中還未得到廣泛應用。利用沖剪系數(shù)分析法計算硬土層單位面積等效凈極限承載力qn′的計算公式[9]為

圖3 沖剪系數(shù)分析法示意圖[9]Fig.3 Sche matic diagra m of the punching shear coefficient method[9]

式中:qnb為下部軟黏土的單位面積凈極限承載力;γy為樁靴底部硬土層的平均有效重度;Ks為上層硬砂層沖剪系數(shù),可近似求得:KstanΦ≈3Sub/(Bsγy)。

2.4 地基壓力擴散角法

地基壓力擴散角法[12]的原理是:假設基底的壓力按擴散角被分散至軟弱下臥層的頂面,然后比較此處的應力與軟弱下臥層承載力的大小(圖4)。

圖4 地基壓力擴散角法示意圖[12]Fig.4 Schematic diagram of the foundation pressure expansion angle method[12]

對矩形基礎,相應于荷載效應標準組合時,軟弱下臥層頂面處的附加壓力值Pz的計算公式[12]為

式中:b為矩形基礎底邊的寬度,l為矩形基礎底邊的長度,Pk為標準組合時基礎底面處的平均壓力值,Pc為基礎底面處土的自重壓力值,z為基礎底面至軟弱下臥層頂面的距離,θ為地基壓力擴散線與垂直線的夾角,可按表1計算。當z/b＜0.25時,取θ=0°,這一參數(shù)在需要時可以通過試驗來確定。當0.25≤z/b≤0.50時,地基壓力擴散角θ可插值使用。當z/b＞0.50時,地基壓力擴散角θ取z/b=0.50時的數(shù)值。實際計算鉆井平臺近似圓形基礎承載力時,可按式(7)簡化計算。

表1 地基壓力擴散角θTable 1 Foundation pressure expansion angleθ

3 鉆井平臺插樁實例

孔壓靜力觸探(Piezocone Penetration Test,PCPT)是目前海上最常用的原位測試技術,其貫入過程連續(xù),測試結果可靠,能如實反映探遇土的類型和強度隨深度的變化,精確劃分土層[14]。其測量指標包括錐端阻力、側摩阻力和孔隙壓力。本文選擇了3個場址(2個渤海場址,命名為A場址和B場址;1個南海場址,命名為C場址)的PCPT測試結果及土質(zhì)設計參數(shù),分別利用Baglioni分析法、3∶1穿刺分析法、沖剪系數(shù)分析法和地基壓力擴散角法對鉆井平臺基礎進行了承載力分析及穿刺分析。

3.1 A場址

在渤海A場址完成了1個PCPT測試孔和1個取樣孔,2個孔在鉆遇深度內(nèi)的土層分布基本一致。A場址的PCPT測試結果(以0～30 m為例)如圖5所示,結果表明:0 m＜d≤10.7 m(d為海底面以下深度)的土質(zhì)為承載力較低的黏性土,10.7 m＜d≤30 m的土質(zhì)主要為黏性土夾薄層砂性土。A場址土質(zhì)設計參數(shù)如表2所示。

圖5 A場址PCPT測試結果Fig.5 Results of PCPT test at Site A

表2 A場址土質(zhì)設計參數(shù)Table 2 Parameters designed for soil at Site A

續(xù)表

A場址插樁就位的鉆井平臺為四腿自升式移動鉆井平臺,其樁靴式基礎的最寬部分面積為83 m2,等效直徑為10.3 m,每只樁靴的最大預壓載為20.6 MN。利用表2中的土質(zhì)參數(shù)進行了樁靴基礎承載力分析及穿刺分析,其結果以承載力曲線形式如圖6所示。Baglioni分析法、3∶1穿刺分析法和沖剪系數(shù)分析法三種方法分析結果表明:在最大預壓載下,鉆井平臺樁靴尖的初始入泥深度均為10.7 m,在該深度處3種方法的穿刺相對安全系數(shù)分別為1.25,1.20和1.23;如果穿刺發(fā)生,鉆井平臺樁靴尖的最終入泥深度為13.8 m。需要說明的是:穿刺相對安全系數(shù)為硬土層計算的最大極限承載力與單樁最大預壓荷載的比值。當穿刺相對安全系數(shù)≥1.5時,穿刺不會發(fā)生;當1.2≤穿刺相對安全系數(shù)＜1.5時,穿刺發(fā)生概率較低;當1.0≤穿刺相對安全系數(shù)＜1.2時,穿刺發(fā)生的概率一般,隨著數(shù)值的減小,穿刺發(fā)生的概率逐步增加;當穿刺相對安全系數(shù)＜1.0時,穿刺會發(fā)生。

圖6 A場址穿刺分析結果Fig.6 Results fro m the punch-through analysis at Site A

地基壓力擴散角法的分析結果表明:在最大預壓載下,鉆井平臺樁靴尖的最終入泥深度為13.8 m。然而A場址的實際插樁結果是:鉆井平臺樁靴尖的最終入泥深度為11.2～11.4 m,且4個樁腿在插樁過程中均未發(fā)生穿刺。

對實際插樁結果進行反分析,可以得出:Baglioni分析法、3∶1穿刺分析法和沖剪系數(shù)分析法三種方法的初始入泥深度(10.7 m)與實際插樁結果(11.2～11.4 m)較為吻合;而初始入泥深度處的穿刺發(fā)生的概率較低,與實際插樁未發(fā)生穿刺也基本吻合。因此,3種方法分析結果能夠?qū)場址就位的鉆井平臺提供較好的參考。但是,地基壓力擴散角法分析的結果(13.8 m)與實際插樁結果(11.2～11.4 m)存在一定偏差。這是由于硬層的厚度(10.7～13.4 m)小于樁靴直徑的1/4,地基壓力擴散角θ取0°,即硬層的承載力直接使用下部軟黏土層頂部的承載力,這顯然是與實際情況存在偏差。該方法主要用來驗算建筑地基基礎,且主要針對的是條形基礎與方形基礎,因此將其應用于鉆井平臺的圓形基礎存在一定的局限性。

此外,我們再探討A場址10.7～13.0 m和18.3～22.0 m的穿刺分析結果:兩個深度處3∶1穿刺分析法計算的硬層頂部承載力均小于Baglioni分析法和沖剪系數(shù)分析法的分析結果。這是由于3∶1穿刺分析法計算的等效基礎的大小只與砂層厚度有關,忽略了砂層密實度的影響,導致該方法對于松散砂的計算結果會偏大,對于密實砂的計算結果會偏小。

3.2 B場址

在渤海B場址完成了1個PCPT測試孔和1個取樣孔,2個孔在鉆遇深度內(nèi)的土層分布基本一致。B場址的PCPT測試結果(以0～30 m為例)如圖7所示,結果表明:0 m＜d≤8.4 m的土質(zhì)為承載力較低黏性土;8.4 m＜d≤10.6 m的土質(zhì)為承載力較好的砂性土;10.6 m＜d≤16.2 m的土質(zhì)為承載力一般的黏性土,16.2 m＜d≤30 m的土質(zhì)為承載力較好的砂性土。B場址土質(zhì)設計參數(shù)(以0～30 m為例)如表3所示。

圖7 B場址PCPT測試結果Fig.7 Results of PCPT test at Site B

B場址插樁就位的鉆井平臺為三腿自升式移動鉆井平臺,其樁靴式基礎的最寬部分面積為156.3 m2,等效直徑為14.1 m,樁靴尖至最大截面處的高度為0.9 m,每只樁靴的最大預壓載為42.2 MN。利用表3的土質(zhì)設計參數(shù)進行了樁靴基礎承載力分析及穿刺分析,其結果如圖8所示。Baglioni分析和3∶1穿刺分析法的分析結果表明:在最大預壓載下,鉆井平臺樁靴尖的初始入泥深度均為9.3 m,在該深度處2種方法的穿刺相對安全系數(shù)分別為1.16和1.14;如果穿刺發(fā)生,鉆井平臺樁靴尖的最終入泥深度為14.9 m。沖剪系數(shù)分析法和地基壓力擴散角法的分析結果表明:在最大預壓載下,鉆井平臺樁靴尖的最終入泥深度為14.9 m。

圖8 B場址穿刺分析結果Fig.8 Results fro m the punch-through analysis at Site B

表3 B場址土質(zhì)設計參數(shù)表Table 3 Parameters designed for soil at Site B

然而,B場址的實際插樁結果是鉆井平臺樁靴尖的最終入泥深度為8.5～9.6 m,且3個樁腿在插樁過程中均未發(fā)生穿刺。

對實際插樁結果進行反分析,可以得出:Baglioni分析法和3∶1穿刺分析法兩種方法的初始入泥深度(9.3 m)與實際插樁結果(8.5～9.6 m)非常吻合;而初始入泥深度處穿刺發(fā)生的概率一般與實際插樁未發(fā)生穿刺一般吻合。因此,Baglioni分析法和3∶1穿刺分析法的分析結果能夠?qū)︺@井平臺在B場址插樁就位提參考。然而,沖剪系數(shù)分析法和地基壓力擴散角法的分析結果(14.9 m)與實際插樁結果(8.5～9.6 m)存在一定偏差。地基壓力擴散角法的分析結果與實際插樁結果存在偏差原因與A場址基本一致;而沖剪系數(shù)分析法計算出來的硬層頂部承載力比下部軟黏土層頂部的承載力還低,這顯然是不合理的,究其原因主要還是沖剪系數(shù)選取的不合理,使用近似公式計算出的沖剪系數(shù)與實際沖剪系數(shù)存在一定的偏差。因此,沖剪系數(shù)的選取還需要根據(jù)更多的工程實踐來進行優(yōu)化。

3.3 C場址

在南海C場址完成了3個PCPT測試孔和1個取樣孔,4個孔在鉆遇深度內(nèi)的土層分布基本一致。我們以1#樁腿位置0～30 m的調(diào)查成果為例來進行分析,C場址1#樁腿的PCPT測試結果和土質(zhì)設計參數(shù)如圖9和表4所示,結果表明:0 m＜d≤1.0 m為承載力較低黏性土;1.0 m＜d≤8.0 m的土質(zhì)為承載力較好的砂性土;8.0 m＜d≤14.3 m的土質(zhì)為承載力一般的黏性土,14.3 m＜d≤30 m的土質(zhì)為承載力較好的砂性土夾薄層黏性土。

圖9 C場址1#樁腿PCPT測試結果Fig.9 Results of PCPT test at Site C

表4 C場址土質(zhì)設計參數(shù)Table 4 Para meters designed for soil at Site C

C場址插樁就位的鉆井平臺為三腿自升式移動鉆井平臺,其樁靴式基礎的最寬部分面積為254 m2,等效直徑為18.0 m,樁靴尖至最大截面處的高度為1.2 m,每只樁靴的最大預壓載為112.2 MN。利用表4中的土質(zhì)設計參數(shù)進行了樁靴基礎承載力分析及穿刺分析,其結果以承載力曲線形式表示,見圖10。

圖10 C場址穿刺分析結果Fig.10 Results from the punch-through analysis at Site C

Baglioni分析和3∶1穿刺分析法的分析結果表明:在最大預壓載下,鉆井平臺樁靴尖的初始入泥深度為2.8 m,在該深度處2種方法的穿刺相對安全系數(shù)分別為1.43和1.28;如果穿刺發(fā)生,鉆井平臺樁靴尖的最終入泥深度為15.5 m。沖剪系數(shù)分析法和地基壓力擴散角法的分析結果表明:在最大預壓載下,鉆井平臺樁靴尖的最終入泥深度為15.5 m。

然而,C場址的實際插樁結果是鉆井平臺1#樁靴尖的最終入泥深度為3.1 m,且在插樁過程中未發(fā)生穿刺。

對實際插樁結果進行反分析,可以得出:Baglioni分析法和3∶1穿刺分析法兩種方法的初始入泥深度(2.8 m)與實際插樁結果(3.1 m)較為吻合;而初始入泥深度處的穿刺發(fā)生的概率較低,與實際插樁未發(fā)生穿刺也基本吻合。因此,Baglioni分析法和3∶1穿刺分析法的分析結果能夠?qū)場址就位的鉆井平臺提供較好的參考。但是沖剪系數(shù)分析法和地基壓力擴散角法的分析結果(15.5 m)與實際插樁結果(3.1 m)存在較大的偏差。地基壓力擴散角法的分析結果與實際插樁結果存在偏差原因與A、B場址基本一致;而沖剪系數(shù)分析法在C場址計算出來的承載力偏低,究其原因主要還是沖剪系數(shù)選取的不合理,因此,沖剪系數(shù)的選取還需要根據(jù)更多的工程實踐來進行優(yōu)化。

此外,我們再探討C場址14.3～18.2 m的穿刺分析結果:按照Baglioni分析法計算的硬層頂部承載力遠大于3∶1穿刺分析法和沖剪系數(shù)分析法計算結果,這是因為Baglioni分析法的計算原理為擴散角θ與有效內(nèi)摩擦角Φ相等關系在一定范圍內(nèi)是合適的,對于松散砂的擴散角θ實際會大于砂土有效內(nèi)摩擦角Φ,密實砂擴散角θ實際會小于砂土有效內(nèi)摩擦角Φ。該層為密實砂,所以Baglioni分析法計算的結果比實際結果偏大。

4 結 論

利用Baglioni分析法、3∶1穿刺分析法、沖剪系數(shù)分析法和地基壓力擴散角法四種方法對本文選取的3個場址進行了穿刺分析,得出主要結論:

①對于常規(guī)場址,單一使用Baglioni分析法或3∶1穿刺分析法進行承載力分析和穿刺分析均能對鉆井平臺就位提供較好的參考結論。

②沖剪系數(shù)分析法評價的結果存在較大不確定性,沖剪系數(shù)的選取仍需根據(jù)工程實踐不斷優(yōu)化。因此,不建議單獨使用沖剪系數(shù)分析法對鉆井平臺的插樁預測結果進行評價。

③地基壓力擴散角法主要用來驗算建筑地基基礎,針對的主要是小型條形基礎或方形基礎,將其應用于大型的鉆井平臺圓形基礎存在較大的局限性。因此,不建議使用地基壓力擴散角法對鉆井平臺的插樁預測結果進行評價。

④對于復雜的場址,利用單一穿刺分析方法對鉆井平臺插樁預測結果的評價存在一定的局限性,建議綜合使用多種方法進行多方位的分析判斷,以提高穿刺分析的準確性,為鉆井平臺插樁就位提供更精確的指導建議。