吸力樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與建造安裝關(guān)鍵技術(shù)研究

馬寶金，魏士鵬，文 江，張愛(ài)霞

中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京100028

上世紀(jì)70 年代起，挪威率先在北海油田使用了一種名為裙式基礎(chǔ)的近海地基基礎(chǔ)。1994 年挪威北海的Europipe16/11-E 大型導(dǎo)管架平臺(tái)采用了四個(gè)直徑為12 m 的吸力式桶形基礎(chǔ)來(lái)代替原來(lái)的裙式重力式基礎(chǔ)，這項(xiàng)工程標(biāo)志著新型海洋平臺(tái)基礎(chǔ)即吸力基礎(chǔ)的誕生。我國(guó)于1994 年9 月在渤海曹妃甸1-6-1 延長(zhǎng)測(cè)試系統(tǒng)首次成功安裝了兩個(gè)直徑3.2 m、桶高6 m 的鋼制吸力桶形基礎(chǔ)。近年來(lái)，吸力基礎(chǔ)已在我國(guó)渤海及南海海域大量使用，具有廣闊的應(yīng)用前景。吸力基礎(chǔ)是一種頂端封閉、底端敞開(kāi)的桶體結(jié)構(gòu)，通過(guò)桶體側(cè)部與土壤的摩擦力來(lái)抵抗外力。由于吸力基礎(chǔ)施工簡(jiǎn)便，安裝速度快捷，可根據(jù)需要進(jìn)行重復(fù)利用，與傳統(tǒng)的固定式樁基結(jié)構(gòu)相比，具有更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性和良好的發(fā)展前景。根據(jù)用途，吸力基礎(chǔ)可分為吸力錨和吸力樁。吸力錨用于船舶或浮式平臺(tái)的錨泊系統(tǒng)，主要承受水平力及斜向上或垂直向上的拉力；吸力樁用于固定平臺(tái)及水下生產(chǎn)系統(tǒng)等基礎(chǔ)，主要承受垂向力及水平力。本文以南海某工程項(xiàng)目為例，針對(duì)吸力樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、建造及安裝過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)開(kāi)展研究，為實(shí)際工程提供方法借鑒。

1 吸力樁基礎(chǔ)方案比選

1.1 吸力樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

吸力樁基礎(chǔ)通過(guò)吸力設(shè)備抽出桶體內(nèi)部流體，利用內(nèi)外壓力差，將桶體壓入海床。為進(jìn)行負(fù)壓操作，需要布置吸力設(shè)備及相關(guān)的輔助操作設(shè)備。一般情況下，吸力樁基礎(chǔ)由頂部的吸力泵系統(tǒng)、監(jiān)控控制面板系統(tǒng)、吊點(diǎn)以及下部的桶體結(jié)構(gòu)組成。典型的吸力樁基礎(chǔ)總體布置如圖1 所示。

圖1 吸力樁基礎(chǔ)及其總體布置

吸力泵的流量及壓力應(yīng)滿足一定的要求，并通過(guò)閥門的開(kāi)、關(guān)操作控制樁內(nèi)外壓差。控制面板是進(jìn)行水下操作及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵部件，分為液壓動(dòng)力區(qū)、參數(shù)顯示區(qū)及操作區(qū)。液壓動(dòng)力區(qū)設(shè)有與ROV 連接的接頭，為吸力泵提供液壓動(dòng)力；參數(shù)顯示區(qū)可以顯示每個(gè)樁內(nèi)部的壓差、樁的入泥深度及傾斜度等參數(shù)，為ROV 操作提供信息；在操作區(qū)內(nèi)可以由ROV 進(jìn)行吸力泵閥門的操作。吸力泵與控制面板之間通過(guò)臍帶纜連接。

1.2 吸力樁基礎(chǔ)方案比選

在本項(xiàng)目中，吸力樁基礎(chǔ)用來(lái)支撐水下井口設(shè)備，并至少提供5 000 kN 的承載力，以滿足設(shè)計(jì)項(xiàng)目對(duì)承載力的基本要求。為此，針對(duì)單樁及三樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比選，確定適應(yīng)項(xiàng)目要求的最優(yōu)方案。比選情況見(jiàn)表1。

表1 單樁與三樁結(jié)構(gòu)方案對(duì)比

由于單樁結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，能夠滿足項(xiàng)目要求，且安裝方便，經(jīng)濟(jì)性良好，因此本項(xiàng)目選用單樁方案。經(jīng)計(jì)算，吸力樁樁徑為6.0 m、壁厚為38 mm，樁長(zhǎng)為15.5 m，在目標(biāo)海域工程地質(zhì)條件下能夠提供6 750 kN 的豎向承載力。以下針對(duì)該單樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、建造及安裝關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論。

2 吸力樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

吸力樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需滿足作業(yè)海域環(huán)境條件的要求，其設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：作業(yè)海域的水深、風(fēng)浪流等環(huán)境數(shù)據(jù)，工程地質(zhì)參數(shù)、設(shè)計(jì)壽命、防腐要求等；相關(guān)專業(yè)還需要提供詳細(xì)的功能要求及界面數(shù)據(jù)。吸力樁基礎(chǔ)承載力設(shè)計(jì)主要由兩種因素決定：作用在樁上的荷載和樁所承受的土體阻力。應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范要求針對(duì)在位工況和安裝工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.2 主要設(shè)計(jì)校核工況

（1） 在位工況校核。吸力樁基礎(chǔ)在作業(yè)海域工作時(shí)，受到上部結(jié)構(gòu)及設(shè)施傳遞的垂向荷載及橫向荷載，如圖2 所示。根據(jù)DNV-OS-C101 規(guī)范[1]要求，采用許用荷載抗力系數(shù)法進(jìn)行極限應(yīng)力狀態(tài)下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。極限工況校核時(shí)，材料分項(xiàng)系數(shù)γm= 1.15；偶然荷載工況下，材料分項(xiàng)系數(shù)γm=1.0。荷載分項(xiàng)系數(shù)γf的選取如表2 所示。

圖2 吸力樁基礎(chǔ)所承受的在位荷載

表2 吸力樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算荷載分項(xiàng)系數(shù)γf

（2） 安裝工況校核。吸力樁基礎(chǔ)在建造場(chǎng)地完成建造后吊裝裝船，然后運(yùn)輸至作業(yè)海域，吊裝入水并貫入至設(shè)計(jì)入泥深度。因此，應(yīng)進(jìn)行吊點(diǎn)及海上固定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并針對(duì)裝船、運(yùn)輸及海上吊裝等各個(gè)施工環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，確保整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

2.3 基礎(chǔ)承載力計(jì)算

由于吸力樁基礎(chǔ)承受垂向荷載和水平荷載，當(dāng)吸力樁周圍土體達(dá)到塑性狀態(tài)時(shí)，吸力樁承載力失效，此時(shí)荷載幾乎不增加而位移大幅增加，荷載-位移曲線將出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，而吸力樁極限承載力為拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的反力。

（1） 豎向承載能力規(guī)范校核。吸力樁基礎(chǔ)的豎向承載能力主要由貫入深度周圍的海底土壤對(duì)樁體側(cè)壁產(chǎn)生的摩擦阻力以及樁體底部土壤對(duì)其產(chǎn)生的支承力決定，如式（1） 所示：

Qd=Qf+QP=f As+qAP（1）式中：Qd為吸力錨體的豎向極限承載力；Qf為側(cè)面摩擦阻力；QP為端底承載力；As為吸力錨側(cè)表面積；f 為單位側(cè)面積摩擦力；q 為單位面積端底承載力；AP為吸力錨端底面積。

（2） 橫向承載能力規(guī)范校核。吸力樁基礎(chǔ)的橫向承載能力則可以根據(jù)黏土、砂土等不同地基，按照API RP 2GEO[2]推薦的相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。如吸力基礎(chǔ)在軟黏土中水平承載力可用下式計(jì)算：

（3） 承載能力有限元校核。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，還應(yīng)采用有限元分析軟件對(duì)吸力樁基礎(chǔ)在地基中的受載過(guò)程進(jìn)行模擬，考慮分析問(wèn)題的幾何復(fù)雜性、土體的非均質(zhì)性，從而得到較為準(zhǔn)確的極限豎向承載力及橫向承載力計(jì)算結(jié)果。

為評(píng)估吸力樁基礎(chǔ)在作業(yè)過(guò)程中是否會(huì)發(fā)生不利于結(jié)構(gòu)安全的沉降，還應(yīng)按照規(guī)范[2]要求進(jìn)行長(zhǎng)期沉降分析，并且在吸力樁安裝到位后，安裝過(guò)程中形成的土塞和吸力樁運(yùn)行過(guò)程中承受的循環(huán)荷載也會(huì)對(duì)其承載力產(chǎn)生影響，應(yīng)該在設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)有限元模擬對(duì)這些因素加以分析計(jì)算。

（1） 土塞效應(yīng)對(duì)吸力樁承載力的影響。吸力樁安裝過(guò)程中由于負(fù)壓作用會(huì)導(dǎo)致錨筒內(nèi)外土體的平衡狀態(tài)發(fā)生破壞，從而產(chǎn)生內(nèi)部土體泥面升高的現(xiàn)象即土塞隆起。吸力樁是一種典型的樁土作用樁，土塞直接影響著樁的承載性能?？梢岳矛F(xiàn)階段較為成熟的有限元分析軟件對(duì)吸力樁置入過(guò)程進(jìn)行建模分析，計(jì)算分析土塞效應(yīng)作用對(duì)吸力樁承載力的影響。吸力樁置入過(guò)程中其下端土體變形較大，采用一般有限元分析算法進(jìn)行處理時(shí)局部網(wǎng)格在計(jì)算過(guò)程中會(huì)發(fā)生過(guò)大變形，導(dǎo)致計(jì)算精度下降甚至計(jì)算不收斂?；谟邢拊治鲕浖腃EL 方法可以有效模擬大變形過(guò)程，利用CEL 方法能夠有效模擬吸力樁置入過(guò)程中土塞形成并考慮土塞隆起效應(yīng)作用的承載力變化。

（2） 循環(huán)荷載對(duì)吸力樁承載力的影響。吸力樁泥面以上桶體及上部結(jié)構(gòu)承受各種海洋環(huán)境因素（如風(fēng)、浪和水流） 引起的循環(huán)荷載，在長(zhǎng)期循環(huán)荷載作用下，吸力樁周圍土體的強(qiáng)度和剛度會(huì)降低，吸力樁的承載力將會(huì)受其影響而弱化。因此，采用一種合理的承載力在循環(huán)荷載作用下弱化的分析方法，對(duì)吸力樁的設(shè)計(jì)和安全使用具有重要意義?？梢詷?gòu)建土體在循環(huán)荷載作用下的土體本構(gòu)模型，在ABAQUS 中采用有限元二次開(kāi)發(fā)子程序?qū)崿F(xiàn)土體本構(gòu)模型的構(gòu)建，通過(guò)有限元軟件模擬循環(huán)荷載對(duì)吸力樁承載力的影響過(guò)程。

2.4 吸力樁置入過(guò)程分析

吸力樁是一種典型的樁土作用基礎(chǔ)，主要依靠負(fù)壓原理進(jìn)行安裝，樁的置入一般分為三個(gè)階段，見(jiàn)圖3。

第一階段，吸力樁下放至海床后，依靠自身重力會(huì)沉入到泥面以下一定深度，這個(gè)階段稱為SWP（Self-weight penetration）。SWP 階段應(yīng)確保自重入泥后，樁體內(nèi)部能夠形成一定的封閉空間，一般至少需要入泥0.5 m 才可以達(dá)到此要求。入泥深度可由下式得到[3]：

圖3 吸力樁置入階段

第二階段，由吸力泵向外泵出海水。吸力泵抽出的水量應(yīng)大于經(jīng)底部土壤滲透進(jìn)入樁體內(nèi)部的水量，從而可以降低樁體內(nèi)部的壓力。當(dāng)樁內(nèi)外的壓差達(dá)到一定數(shù)值Δun，樁體頂部的豎向壓力大于土壤阻力時(shí)，樁體就不斷被壓入土中，直至達(dá)到設(shè)計(jì)入泥深度。負(fù)壓由下式得到[3]：

Δun= （Qtot- W′)/Ain（5）式中：Qtot為總的沉貫阻力，Ain為負(fù)壓作用面積。

第三階段，將吸力泵從樁體移除，樁體內(nèi)外的壓差逐漸消失，與周圍環(huán)境壓力趨于一致，最終依靠周圍土壤的阻力提供承載力。

置入過(guò)程中，吸力樁將承受較大的壓力及土體阻力，必須按照規(guī)范[4]要求對(duì)這些板殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲校核，以確保樁頂板及側(cè)壁能夠抵抗置入過(guò)程的外力作用。

吸力樁在置入過(guò)程中，如果負(fù)壓過(guò)大，可能出現(xiàn)土塞隆起現(xiàn)象，給吸力樁安裝帶來(lái)諸多困難。因此，為避免產(chǎn)生土塞隆起現(xiàn)象，負(fù)壓不能超過(guò)下述公式中定義的許用值[3]：

3 吸力樁基礎(chǔ)建造

吸力樁基礎(chǔ)的建造應(yīng)滿足AWS D1.1（鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范）、API Spe.2B（結(jié)構(gòu)鋼管制造規(guī)范） 及API RP 2A WSD[5]（海上固定平臺(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦做法——工作應(yīng)力法） 等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以及項(xiàng)目的建造規(guī)格書、材料規(guī)格書、焊接及檢驗(yàn)規(guī)格書等要求。

（1） 建造工序。吸力樁基礎(chǔ)的主體為大直徑管狀結(jié)構(gòu)，其建造流程見(jiàn)圖4。

圖4 吸力樁基礎(chǔ)建造流程

（2） 建造過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。為保證吸力樁基礎(chǔ)建造質(zhì)量，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下環(huán)節(jié)：

第一，焊接質(zhì)量控制。建造工作開(kāi)始前，應(yīng)編制詳細(xì)的焊接工藝規(guī)程，并進(jìn)行焊接工藝評(píng)定。焊接質(zhì)量的控制和檢驗(yàn)應(yīng)滿足AWS D1.1 及相關(guān)規(guī)格書的要求。

第二，焊接變形控制。應(yīng)編制合理的焊接程序，將焊接變形控制在要求精度內(nèi)。在構(gòu)件組對(duì)后，進(jìn)行全面焊接前，應(yīng)先使用點(diǎn)焊固定焊縫兩側(cè)構(gòu)件的相對(duì)位置；對(duì)于帶有自由端或自由邊構(gòu)件的連接，應(yīng)在組對(duì)后采用臨時(shí)構(gòu)件限制焊接兩側(cè)構(gòu)件的相對(duì)位置和相對(duì)角度；當(dāng)構(gòu)件組成穩(wěn)定的形狀后，才能開(kāi)始全面焊接。

第三，尺寸控制。建造過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)API RP 2AWSD 等規(guī)范要求測(cè)量、控制桿件及組裝結(jié)構(gòu)的尺寸，并在必要時(shí)進(jìn)行矯正。吊裝結(jié)構(gòu)就位時(shí)，需消除結(jié)構(gòu)的吊裝變形，尺寸檢驗(yàn)合格后再進(jìn)行焊接。

第四，精度控制。在吸力樁基礎(chǔ)建造過(guò)程中，有幾項(xiàng)重要的質(zhì)量控制指標(biāo)：支撐系統(tǒng)的水平度、卷制管的尺寸及焊縫偏移量等指標(biāo)，加強(qiáng)筋的位置、結(jié)構(gòu)整體公差等均應(yīng)滿足規(guī)范要求。例如，根據(jù)API Spe.2B，樁體的不圓度應(yīng)≤公稱直徑的1%，或最大為1/4in（1in=25.4mm）；任何10ft（1ft=0.3048m）長(zhǎng)度內(nèi)最大允許直線度偏差為3/8in，長(zhǎng)度超過(guò)10ft 的鋼管，全長(zhǎng)最大偏差為1/8（in） ×總長(zhǎng)/10（ft/ft），在任何40 ft 長(zhǎng)度上不得超過(guò)3/8in。

第五，重量控制。在吸力樁基礎(chǔ)建造過(guò)程中，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)重量進(jìn)行控制，建造結(jié)束后，應(yīng)進(jìn)行稱重，明確其重量及重心位置。

第六，檢測(cè)。基礎(chǔ)頂部的吸力泵控制面板基座應(yīng)進(jìn)行水平度檢測(cè)，明確控制面板的安裝誤差對(duì)吸力樁垂直度偏差的影響。

第七，調(diào)試。建造完成后，應(yīng)預(yù)安裝導(dǎo)管的鎖緊機(jī)構(gòu)與井口頭，并下入到吸力樁基礎(chǔ)的中心管內(nèi)進(jìn)行適配試驗(yàn)。

4 吸力樁基礎(chǔ)海上安裝

吸力樁基礎(chǔ)采用深水工程船進(jìn)行海上安裝，工程船應(yīng)至少配備DP2 動(dòng)力定位系統(tǒng)、主動(dòng)升沉補(bǔ)償?shù)鯔C(jī)以及工作級(jí)水下機(jī)器人，應(yīng)滿足一定天氣條件下的安裝要求。

（1） 海上安裝流程。吸力樁基礎(chǔ)的海上安裝流程如圖5 所示。

圖5 吸力樁基礎(chǔ)海上安裝流程

（2） 安裝過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。在安裝過(guò)程中，應(yīng)注意以下關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)：

其一，應(yīng)急預(yù)案。海上施工前，應(yīng)針對(duì)安裝過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并制訂詳細(xì)的應(yīng)急預(yù)案，以有效應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的各種風(fēng)險(xiǎn)。

其二，ROV 系統(tǒng)。ROV 系統(tǒng)對(duì)于吸力樁基礎(chǔ)的安裝至關(guān)重要，應(yīng)配備兩臺(tái)滿足要求的ROV，一臺(tái)用于控制面板、吸力泵開(kāi)關(guān)等的操作；另一臺(tái)用于吸力樁入泥深度及垂直度等各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

其三，施工窗口的選擇。要明確施工船舶以及施工設(shè)備如吊機(jī)、ROV 系統(tǒng)等的作業(yè)限制條件，選擇合適的施工天氣窗口。

其四，系統(tǒng)調(diào)試。為避免海上出現(xiàn)不必要的設(shè)備故障而影響施工進(jìn)度、增加施工成本，在裝船前或裝船階段，需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試包括對(duì)定位設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)、完成吸力樁系統(tǒng)自身的功能測(cè)試、ROV 系統(tǒng)自身的功能測(cè)試，以及ROV 與吸力泵及控制面板的整體調(diào)試工作，以確保各部分正常工作。

其五，吸力樁基礎(chǔ)吊裝入水。吸力樁基礎(chǔ)從工程船吊裝入水，特別是穿過(guò)飛濺區(qū)時(shí)，要注意控制下放的速度。應(yīng)避免結(jié)構(gòu)受到過(guò)大的波浪拍擊力，或者因下放速度過(guò)快導(dǎo)致樁體內(nèi)外壓差不平衡，造成整體結(jié)構(gòu)傾斜，甚至引起結(jié)構(gòu)損傷。

其六，吸力樁基礎(chǔ)置入過(guò)程的控制。吸力樁基礎(chǔ)在SWP 階段的垂直度至關(guān)重要，其決定了最終的安裝精度，因此在吸力樁接觸海床時(shí)就要保持垂直。SWP 階段結(jié)束后，ROV 要實(shí)時(shí)監(jiān)控樁內(nèi)的壓力及樁的傾斜角度，以合理控制吸力樁的置入速度。

其七，土壤數(shù)據(jù)對(duì)吸力樁基礎(chǔ)置入的影響。土壤數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性在一定程度上決定了吸力樁基礎(chǔ)置入的成敗。如果實(shí)際工程地質(zhì)與設(shè)計(jì)基礎(chǔ)差別較大或土質(zhì)較硬，會(huì)導(dǎo)致吸力樁難以置入到設(shè)計(jì)入泥深度；如果土質(zhì)較軟則會(huì)造成承載力不足，造成災(zāi)難性的影響。

其八，承載能力評(píng)估。吸力樁基礎(chǔ)安裝完成后，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的承載能力評(píng)估，以確保其能夠安全工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)介紹了南海某工程項(xiàng)目吸力樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)、建造及安裝關(guān)鍵技術(shù)，詳細(xì)描述了在吸力樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中承載力計(jì)算的規(guī)范校核及有限元校核關(guān)鍵技術(shù)，針對(duì)建造工藝和安裝工藝中需要重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，進(jìn)行了總結(jié)并給出詳細(xì)建議，可為實(shí)際工程項(xiàng)目提供參考和借鑒。