舟山某海域自升式平臺樁基承載力對比分析研究

陳大江，陳洪飛，李東偉，黃華杰

(1.中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；3.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310016；4.浙江大學海洋學院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

目前我國主要的海洋能源開發(fā)正由近海大陸架區(qū)域向遠海區(qū)域發(fā)展，因此海洋工程作業(yè)也需要在近海甚至遠海中進行，而自升式海洋平臺是海上海上風電項目開發(fā)和海上油氣勘探不可缺少的作業(yè)平臺[1]。僅在我國，自升式海洋平臺就占移動式鉆井裝置的70%以上[2]。平臺工作時，主要承受自重荷載以及上覆荷載，通過樁腿傳遞至地基。當荷載超過地基承載力時，地基發(fā)生變形甚至破壞，而發(fā)生樁腿傾斜、刺穿、滑移等事故。因此，地基承載力的準確計算對于平臺安全作業(yè)非常重要[3-5]。經(jīng)典的地基承載力計算公式為自升式海洋平臺地基承載力的計算提供了理論指導。Prandtl提出了利用塑性力學針對無埋深的條形基礎(chǔ)得到極限承載力的理論解[6]；Terzaghi和Peck提出了考慮基礎(chǔ)下土自重的極限承載力公式[7]；Skempton提出了飽和軟粘土地基極限承載力公式[8]；Hansen通過對荷載傾斜系數(shù)、基礎(chǔ)形狀系數(shù)以及深度系數(shù)等的討論，提出了在中心傾斜荷載作用下，不同基礎(chǔ)形狀及不同埋深時的極限承載力計算公式，對承載力計算公式做了進一步改進[9]；Young和Focht由應力擴散原理發(fā)展了3∶1載荷擴散分析法，對平臺樁靴插樁的刺穿進行分析，該方法對我國自升式平臺使用最廣的渤海海域插樁分析非常有效[10]。目前，國內(nèi)外廣泛采用《海洋井場調(diào)查規(guī)范》[11]和SNAME規(guī)范法[12]計算樁靴式基礎(chǔ)地基的承載力。

本文以舟山某海域自升式海洋平臺為研究對象，采用不同的地基承載力理論模型，計算平臺樁腿地基承載力，并進行對比分析研究，以確定平臺樁腿的安全插樁深度，同時開展了土體參數(shù)對地基承載力的敏感度分析，并計算敏感度系數(shù)以量化參數(shù)對地基承載力的影響程度。

1 工程概況

3號舾裝碼頭工程海工平臺位于舟山群島中部，蓬萊仙島岱山小長涂島西側(cè)，岱山水道東岸。該自升式平臺與碼頭間距為8 m；樁靴與碼頭邊緣間距為2.2 m，主船體與3號舾裝碼頭平行，由4根樁(ZK101、ZK102、ZK103、ZK104)支撐主平臺，該自升式平臺總質(zhì)量7 860.96 t，由4根樁支撐，樁身為長90 m的圓柱，直徑為3.3 m，底部是方形樁靴，底面為邊長11.7 m的正方形，樁高1.5 m，平臺立體模型見圖1。

圖1 某自升式平臺模型示意

現(xiàn)場勘測得到的ZK101與ZK102測點之間的工程地質(zhì)剖面如圖2所示。ZK101樁腿下方可探測區(qū)域土層一共有4層：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、角礫、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土，其厚度分別為2.5、2.8、7.9、8.8 m，場地各主要巖土層物理力學參數(shù)見表1。

圖2 工程地質(zhì)剖面

表1 巖土體物理力學參數(shù)

2 地基承載力理論模型

2.1 《海洋井場調(diào)查規(guī)范》法

目前國內(nèi)計算海洋平臺地基承載力主要依據(jù)《海洋井場調(diào)查規(guī)范》[11]，其計算公式如下：

Q=qnA+γV

(1)

qn=0.3γBNγ+γD(Nq-1)

(2)

(3)

Nγ=2(Nq+1)tanφ

(4)

式中，Q為基礎(chǔ)入泥深度范圍內(nèi)的總極限承載力，kN；D為插樁深度，m；qn為單位極限承壓力，kPa；A為樁靴式基礎(chǔ)的最大水平截面積，m2；γ為樁靴式基礎(chǔ)排出土的有效重度，kN/m3；V為樁靴式基礎(chǔ)排出土的體積，m3；B為樁靴長度，m；Nγ、Nq為承載力系數(shù)，無量綱；φ為摩擦角，°。

2.2 SNAME規(guī)范法

國際上應用比較廣泛的是美國艦船工程師協(xié)會《SNAME Recommended Practice for Site Specific Assessment of Mobile Jack-up Units》中的計算公式[12]，即

Fvi=(NcSuiscdc+p′0)A

(5)

(6)

(7)

p′0=γD

(8)

式中，F(xiàn)vi為樁靴基礎(chǔ)極限垂向承載能力，kPa；Nc為承載能力系數(shù)，取5.14；Nq為承載力系數(shù)，同《海洋井場調(diào)查規(guī)范》，無量綱；Sui為基礎(chǔ)底面以下B/2深度內(nèi)的平均不排水抗剪強度，kPa；dc為承載力深度因子，無量綱；sc為形狀系數(shù)，無量綱；p′0為有效過載壓力，kPa；γ為樁靴式基礎(chǔ)排出土的重度，kN/m3；B為樁靴長度，m。

2.3 Terzaghi公式

針對方形基礎(chǔ)完全摩擦的情況，Terzaghi提出的整體剪切破壞的地基極限承載力計算公式為

Pu=1.2cNc+qNq+0.4γBNγ

(9)

式中，Pu為樁靴基礎(chǔ)極限垂向承載能力，kPa；Nc、Nq、Nγ為承載能力系數(shù)，無量綱；c為黏聚力，kPa；q為基底土自重應力，kPa。

2.4 Hansen公式

Hansen在彈性力學極限分析法的基礎(chǔ)上，加入了一些修正系數(shù)，得到了計算地基承載力的公式為

(10)

(11)

Nc=(Nq-1)cotφ

(12)

Nγ=2(Nq+1)tanφ

(13)

式中，Nc、Nq、Nγ為承載能力系數(shù)，無量綱；c為黏聚力，kPa；φ為摩擦角；q為基底土自重應力，kPa；Sc=1+Nq/Nc、Sq=1+tanφ、Sγ=0.6為基礎(chǔ)形狀修正系數(shù)，無量綱；dc=1+0.4D/B、dq=1+2tanφ(1-sinφ)2D/B、dγ=1.0為深度系數(shù)，無量綱；ic、iq、iγ為與荷載傾斜角有關(guān)的傾斜系數(shù)，中心豎直荷載取1，無量綱。

3 地基承載力計算結(jié)果

分別采用《海洋井場調(diào)查規(guī)范》法、SNAME規(guī)范法、Terzaghi公式法、Hansen公式法，對海洋平臺ZK101樁腿進行地基承載力分析，計算結(jié)果如圖3；由于第2層角礫層缺乏理論計算依據(jù)，計算結(jié)果空置。對比分析發(fā)現(xiàn)：4條地基承載力曲線隨樁腿入泥深度的整體變化趨勢較為相似，其中《海洋井場調(diào)查規(guī)范》與SNAME規(guī)范所得承載力相對比較保守，Terzaghi公式以及Hansen公式所得承載力偏大。《海上固定平臺規(guī)劃、設(shè)計和建造的推薦作法》[13]中6.13.4推薦海洋平臺樁基承載力破壞的安全系數(shù)取2，而單樁腿設(shè)計極限荷載為23 000 t，因此根據(jù)《海洋井場調(diào)查規(guī)范》、SNAME規(guī)范、Terzaghi公式、Hansen公式所得的插樁深度分別為14、14、10、8 m。

圖3 平臺地基承載力理論計算結(jié)果

4 地基承載力參數(shù)敏感性分析

分析上述地基承載力理論公式，可知影響地基承載力的因素主要有土體黏聚力、摩擦角、重度、基礎(chǔ)形狀等。由于基礎(chǔ)行狀容易準確測量，而土體物理力學參數(shù)具有不確定性，因此開展土體的黏聚力、摩擦角以及重度對地基承載力的影響研究。將理論公式中的各項土體參數(shù)作為自變量，將理論公式計算得到的地基承載力作為因變量進行敏感性分析。以Terzaghi公式以及Hansen公式為研究對象。計算時采用黏聚力c=10 kPa，摩擦角φ=5°，重度γ=15 kN/m3(有效重度為γd=5 kN/m3)作為系統(tǒng)的基準狀態(tài)，仍以金自升式平臺ZK101為計算模型進行單土層計算，插樁深度為5 m。

由于影響參數(shù)自變量的單位不同，物理意義不同，為了比較三者對地基承載力的影響，進行了自變量和因變量的相對變化分析。自變量(黏聚力、摩擦角)的絕對變化引起地基承載力的絕對變化的分析，見圖4。隨著相對黏聚力、相對摩擦角以及相對重度的增加，相對地基承載力均增加。對于相對黏聚力，Terzaghi公式以及Hansen公式中相對地基承載力-相對黏聚力的變化斜率分別為0.53、0.64；對于摩擦角，Terzaghi公式以及Hansen公式中相對摩擦角引起的相對地基承載力的變化呈現(xiàn)明顯的非線性，當相對摩擦角小于6°時，相對摩擦角引起的相對地基承載力的變化較小，當相對摩擦角大于6°時，相對摩擦角引起的相對地基承載力的變化明顯增大，計算范圍內(nèi)最大斜率分別為45.49、23.28。

圖4 地基承載力敏感度分析結(jié)果

此外，由于地質(zhì)資料中黏聚力和摩擦角實測值較為離散，統(tǒng)計結(jié)果見表1。上述敏感度分析中地基承載力計算時采用了各項標準值，考慮到測量誤差，以及摩擦角對地基承載力的影響較大，故對摩擦角的取值擴大到最大值和最小值，再分別用4種理論公式計算地基承載力范圍，得到的承載力范圍-深度曲線，如圖5所示。《海洋井場調(diào)查規(guī)范》計算所得最大承載力約比標準值大27%，最小承載力約比標準值小7%；SNAME規(guī)范計算所得最大承載力約比標準值大7%，最小承載力約比標準值小2%；Terzaghi公式計算所得最大承載力約比標準值大21%，最小承載力約比標準值小6%；Hansen公式計算所得最大承載力約比標準值大23%，最小承載力約比標準值小6%。因此，對于該計算案例，理論公式中擴大摩擦角的計算范圍對插樁深度最多有27%的影響。此外，相比于其他3種計算方法，SNAME規(guī)范計算結(jié)果相對保守，插樁深度為14 m，而且土體參數(shù)對其地基承載力的影響不敏感，故推薦采用SNAME規(guī)范計算地基承載力。

圖5 地基承載力范圍-深度曲線

5 結(jié) 論

本文以舟山某自升式海洋平臺為研究對象，采用不同的理論計算的模型對平臺插樁作業(yè)的地基承載力進行了對比分析研究，主要結(jié)論如下：

(1)《海洋井場調(diào)查規(guī)范》與SNAME規(guī)范所得承載力相對比較保守，Terzaghi公式以及Hansen公式所得承載力偏大。《海洋井場調(diào)查規(guī)范》、SNAME規(guī)范、Terzaghi公式、Hansen公式計算所得的插樁深度分別為14、14、10、8 m。

(2)隨著相對黏聚力、相對摩擦角以及相對重度的增加，相對地基承載力均增加。但是，摩擦角對于地基承載力的影響最大，黏聚力、重度的影響相對較小。

(3)《海洋井場調(diào)查規(guī)范》、SNAME規(guī)范、Terzaghi公式和Hansen公式計算所得最大承載力分別比標準值大27%、7%、21%和23%，表明對于該計算案例，理論公式中擴大摩擦角的計算范圍對插樁深度最多有27%的影響。

(4)相比于其他3種計算方法，SNAME規(guī)范計算結(jié)果相對保守，插樁深度為14 m，而且土體參數(shù)對其地基承載力的影響不敏感，故推薦采用SNAME規(guī)范計算平臺的地基承載力。