南海北部灣打入式隔水導(dǎo)管承載力CPT設(shè)計(jì)方法*

劉功艷 管 申 劉賢玉 曹 峰 王 騰

(1.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司南海工程分公司 廣東湛江 524057； 2.中海石油(中國(guó))有限公司海南分公司 海南海口 570300;3.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057； 4.中國(guó)石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院 山東青島 266580)

隔水導(dǎo)管是從海上鉆井平臺(tái)下入的第一層套管，為井口和表層套管提供支撐和保護(hù)。鉆井隔水導(dǎo)管的承載力和下深設(shè)計(jì)直接影響井口的穩(wěn)定性[1]。淺海導(dǎo)管架平臺(tái)的隔水導(dǎo)管通常采用打樁法作業(yè)，打入法下鉆井隔水導(dǎo)管具有作業(yè)程序簡(jiǎn)單、時(shí)效高、隔水導(dǎo)管承載力更大等特點(diǎn)。

隔水導(dǎo)管的打樁貫入過(guò)程引起樁側(cè)周?chē)馏w應(yīng)力場(chǎng)劇烈變化，樁周土體的循環(huán)剪切造成樁側(cè)摩阻摩擦疲勞現(xiàn)象[2]。Jardine[3]發(fā)現(xiàn)樁土界面摩擦疲勞是由于樁土界面剪切導(dǎo)致顆粒破碎產(chǎn)生的。國(guó)外許多學(xué)者通過(guò)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)建立樁側(cè)摩阻力與靜力觸探試驗(yàn)(CPT)阻力的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，提出了基于CPT的打入樁設(shè)計(jì)方法，主要有Fugro-O5、ICP-O5、NGI-O5和UWA-O5等方法[4-7]。

CPT設(shè)計(jì)方法充分考慮了樁打入過(guò)程中樁側(cè)應(yīng)力場(chǎng)發(fā)展規(guī)律對(duì)其豎向承載力的影響，其可靠性已經(jīng)通過(guò)大量靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)分析得到了初步驗(yàn)證[8-9]。與傳統(tǒng)的API[10]設(shè)計(jì)方法相比，CPT方法的計(jì)算結(jié)果更接近于實(shí)測(cè)值，且離散性更小[3,6]。API意識(shí)到傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法的缺陷，將上述4種基于CPT的設(shè)計(jì)方法納入到最新版本的附錄條款說(shuō)明中(API RP2GE0 2014)，并建議工程設(shè)計(jì)使用[11]。

本文基于CPT法對(duì)打入式隔水導(dǎo)管的承載力進(jìn)行設(shè)計(jì)，并與API法進(jìn)行對(duì)比分析，研究砂土密實(shí)程度、導(dǎo)管下深對(duì)導(dǎo)管單位側(cè)摩阻力及承載力影響，并通過(guò)南海某工程實(shí)測(cè)CPT數(shù)據(jù)對(duì)打入式隔水導(dǎo)管承載力的可靠性進(jìn)行評(píng)估,以期為隔水導(dǎo)管承載力計(jì)算提供參考。

1 樁側(cè)摩阻力的計(jì)算方法分析

1.1 API和CPT樁側(cè)摩阻力計(jì)算模型

1)API樁側(cè)摩阻力計(jì)算模型。

打入式隔水導(dǎo)管的承載力主要由樁側(cè)摩阻力來(lái)提供。其豎向承載力Q主要由樁側(cè)摩阻力Qs組成，如式(1)所示。

(1)

式(1)中：τf為單位極限樁側(cè)摩阻力，kPa；z為樁端入土深度，m；D為樁基外徑，m。

(2)

式(2)中：Kf是水平土壓力系數(shù)，對(duì)于打入式開(kāi)口管樁，無(wú)土塞時(shí)Kf=0.8，有土塞或密口樁Kf=1.0；δf為鋼—砂界面摩擦角，典型值介于28°～30°。對(duì)于長(zhǎng)樁，API給出了δf樁土界面摩擦角和極限側(cè)摩阻力τflim建議取值。

2)CPT樁側(cè)摩阻力計(jì)算模型。

Lehane研究團(tuán)隊(duì)的UWA-O5 CPT設(shè)計(jì)方法與其他3種CPT方法相比，其可靠性更高[11]。其樁側(cè)局部摩阻力計(jì)算公式如下:

(3)

(4)

式(4)中：h為考察點(diǎn)與樁端的豎向距離，m；Arseff表示考慮土塞效應(yīng)樁端橫截面面積，m2。

Manassero等[12]給出了根據(jù)CPTqc值確定砂土相對(duì)密實(shí)度的方法，如式(5)所示。

(5)

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]，假定均質(zhì)密實(shí)砂土的相對(duì)密實(shí)度Dr=80%，中等密實(shí)砂土Dr=50%。土體的有效重度為9.0 kN/m3,依據(jù)式(5)得到密實(shí)砂土、中等密實(shí)砂土CPTqc隨深度變化曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 均質(zhì)砂土CPT錐端阻力

對(duì)于給定土層的CPTqc數(shù)據(jù)，結(jié)合式(2)～(5)計(jì)算得到樁側(cè)局部側(cè)摩阻力和導(dǎo)管的承載力。

1.2 CPT、API法樁側(cè)摩阻力計(jì)算結(jié)果分析

1)密實(shí)砂土樁側(cè)摩阻力計(jì)算結(jié)果分析。

CPT方法計(jì)算樁側(cè)徑向應(yīng)力表達(dá)式(4)中存在h/D摩擦疲勞效應(yīng)，隨打入樁長(zhǎng)的增大，樁側(cè)土阻力摩擦退化越顯著[13]。所以，對(duì)下深為30、40、50 m等3種下深導(dǎo)管的摩擦疲勞效應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比分析。

給定隔水導(dǎo)管外徑D=0.914 m,內(nèi)徑Di=0.864 m，樁土界面摩擦角δf=29°，Kf=0.8，分別由API法和CPT法得到密實(shí)砂土層中導(dǎo)管的單位側(cè)摩阻力隨深度變化曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 密實(shí)砂土中單位側(cè)摩阻力隨深度變化

從圖2中可以看出，密實(shí)砂土層中，API法樁側(cè)單位側(cè)摩阻力隨深度增大，在30 m處達(dá)到其極限單位側(cè)摩阻力τflim=96 kPa后，隨深度保持不變。CPT法的單位側(cè)摩阻力隨深度近似呈指數(shù)規(guī)律增大；在同一深度處，由于導(dǎo)管長(zhǎng)度越大其淺層側(cè)摩阻力的摩擦疲勞效應(yīng)越顯著。但在導(dǎo)管底部，CPT法的單位側(cè)摩阻力遠(yuǎn)大于A(yíng)PI值。

2)中等密實(shí)砂土樁側(cè)摩阻力計(jì)算結(jié)果分析。

中密砂土層中導(dǎo)管的單位側(cè)摩阻力隨深度變化曲線(xiàn)如圖3所示。從圖3中可以看出，中等密實(shí)砂土層中，API方法得到的樁側(cè)單位側(cè)摩阻力在24.5 m處達(dá)到其極限側(cè)摩阻力后，隨深度保持不變。CPT法中，同一深度處的單位側(cè)摩阻力隨導(dǎo)管下深增大而減小，這與密實(shí)砂土一致。但與密實(shí)砂土不同的是,API法顯著高估了導(dǎo)管的單位側(cè)摩阻力，從而導(dǎo)致極端承載力值也遠(yuǎn)大于CPT法。

圖3 中等密實(shí)砂土中單位側(cè)摩阻力隨深度變化

3)極限承載力計(jì)算結(jié)果分析。

密實(shí)、中密砂土層中導(dǎo)管下深30、40、50 m的承載力比較見(jiàn)表1。密實(shí)砂土層中，導(dǎo)管下深30 m時(shí)，QAPI密實(shí)比QCPT密實(shí)偏小30.8%；下深50 m時(shí)，QAPI密實(shí)比QCPT密實(shí)偏小8.8%；中密砂土層中，下深30 m時(shí)，QAPI密實(shí)比QCPT密實(shí)偏大104.8%；下深50 m時(shí)，QAPI密實(shí)比QCPT密實(shí)偏大134.8%。研究表明，中等密實(shí)砂土摩擦疲勞效應(yīng)顯著，API計(jì)算結(jié)果偏大偏不安全，這與文獻(xiàn)[14]的結(jié)果基本一致。

表1 API法與CPT法導(dǎo)管極限承載力比較

2 南海北部灣現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

南海北部灣場(chǎng)址巖土工程勘察報(bào)告給出土層的原位靜力觸探測(cè)試qc隨深度變化曲線(xiàn)如圖4所示。對(duì)φ914.4 mm隔水導(dǎo)管分別采用CPT法和API法得到的導(dǎo)管單位側(cè)摩阻力、側(cè)摩承載力隨深度變化曲線(xiàn)如圖5、6所示。從圖5單位側(cè)摩阻力曲線(xiàn)分布可以看出，導(dǎo)管上部4/5長(zhǎng)度范圍內(nèi)其單位側(cè)摩阻力小于A(yíng)PI法；而在接近樁端1/5長(zhǎng)度范圍內(nèi)，其單位側(cè)摩阻力遠(yuǎn)大于A(yíng)PI法。從圖6導(dǎo)管承載力比較圖中可以看出，API法對(duì)導(dǎo)管上部的單位側(cè)摩阻力計(jì)算值偏大，對(duì)導(dǎo)管底部的計(jì)算值偏小，但整體承載力與CPT法基本相同。這主要是因?yàn)閳?chǎng)址土層多為密實(shí)到非常密實(shí)砂層，摩擦疲勞效應(yīng)較弱，對(duì)API法計(jì)算結(jié)果影響較小。

圖4 南海某場(chǎng)址CPT錐端阻力曲線(xiàn)

圖5 導(dǎo)管單位側(cè)摩阻力隨深度變化曲線(xiàn)

圖6 導(dǎo)管承載力隨深度變化曲線(xiàn)

3 結(jié)論

1)CPT法考慮了打樁對(duì)樁周土體的摩擦疲勞效應(yīng)，導(dǎo)管同一深度的側(cè)摩阻力隨導(dǎo)管下深增大而減??；與密實(shí)砂土相比，中等密實(shí)砂土摩擦疲勞效應(yīng)顯著。

2)與CPT法相比，密實(shí)砂土中API法低估導(dǎo)管承載力，隨深度增大，偏小幅度增大；中等密實(shí)砂土API高估承載力，隨深度增大，高估程度增大；下深50 m時(shí)高估134.8%。

3)結(jié)合北部灣工程現(xiàn)場(chǎng)40 m導(dǎo)管打入能量分布曲線(xiàn),驗(yàn)證了CPT法的正確性，可為打入式隔水導(dǎo)管承載力的可靠性評(píng)估提供借鑒。