靜力觸探(CPT)在自升式鉆井船插樁分析中的應(yīng)用

王艷秋

(中海油服物探事業(yè)部工程勘察中心,天津 300451)

靜力觸探(CPT)在自升式鉆井船插樁分析中的應(yīng)用

王艷秋

(中海油服物探事業(yè)部工程勘察中心,天津 300451)

CPT測(cè)試作為巖土工程勘察中一項(xiàng)重要的原位測(cè)試技術(shù),因其能在現(xiàn)場(chǎng)直接、連續(xù)、快捷地對(duì)巖土層的工程特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,并且避免了取樣和室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)土樣所造成的擾動(dòng)等影響,故在國外及國內(nèi)陸地巖土工程勘察領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。以南海某井場(chǎng)海底淺層土質(zhì)工程地質(zhì)特性的資料為基礎(chǔ),借鑒國內(nèi)外CPT解釋技術(shù)的經(jīng)驗(yàn),對(duì)海洋石油941號(hào)鉆井船在南海某井場(chǎng)插樁深度進(jìn)行了分析。

靜力觸探 自升式鉆井船 承載力分析 插樁深度

Cone penetration test is a very important in-situ testing technique , it has been broadly used in geotechnical survey because of its fieldly,continunously and fastly testing the parameters of engineering properties and avoiding the samples being disturbed. The penetration depth of jack-up rig Haiyangshiyou-941 is analysized based on the experience of the interpretation of CPT at a certain site of South China Sea.

Cone penetration test Jack up rig Bearing capacity analysis Penetration depth

隨著海洋資源的開發(fā)和利用,靜力觸探技術(shù)在國內(nèi)外海洋地質(zhì)工程中的使用越來越普遍。靜力觸探實(shí)驗(yàn)不僅具有準(zhǔn)確、快速、經(jīng)濟(jì)及節(jié)省人力等優(yōu)點(diǎn),而且該技術(shù)對(duì)土體擾動(dòng)小,可以更好地反映土體的原始應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)。近幾年來已經(jīng)在南海、東海等海域進(jìn)行了許多CPT測(cè)試,通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與解釋,可獲得被測(cè)試土層相關(guān)的物理及力學(xué)性質(zhì)參數(shù),為基礎(chǔ)工程分析計(jì)算提供依據(jù),在平臺(tái)的樁基礎(chǔ)分析和鉆井船的插樁深度分析方面取得了很好的效果。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前,國外用于海上作業(yè)的靜力觸探測(cè)試技術(shù)已比較成熟,應(yīng)用越來越廣泛。國外公司不僅對(duì)海底土的靜力觸探技術(shù)及相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)的開發(fā)研究,能提供整套的靜力觸探技術(shù)和靜力觸探施工設(shè)備,同時(shí)也能提供從事海上靜力觸探勘察工作服務(wù)?？傮w上說歐美國家在該技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位,如：荷蘭由于其自身的地理位置關(guān)系,在保護(hù)海岸、治理低洼國土以及防洪大壩構(gòu)筑方面有大量投入,推動(dòng)了其靜力觸探技術(shù)的蓬勃發(fā)展。美國自20世紀(jì)70年代以來在應(yīng)用海上靜力觸探實(shí)驗(yàn)方面發(fā)展也比較快,如：制造了應(yīng)用于海洋勘探的圓錐靜力觸探儀,并在水深超過1200m的圣地亞哥海溝中的海底松軟沉積物中成功地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)[1]。

我國海上靜力觸探技術(shù)的研究應(yīng)用起步比較晚,目前尚屬于起步階段,技術(shù)與國外差距比較大。2007年6月我國中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部工程勘察中心從國外引進(jìn)了中國大陸第一套井下深海靜力觸探系統(tǒng),并進(jìn)行了第一次完全由國內(nèi)技術(shù)人員參與的深海靜力觸探實(shí)驗(yàn)。靜力觸探技術(shù)在我國海上主要應(yīng)用于油氣田開發(fā)、鉆井船插樁、海底管道及海底電纜(光纜)路由調(diào)查等海洋勘察工程,其使用的探頭和儀器主要由國外研制。海洋工程地質(zhì)勘察中平臺(tái)的樁基礎(chǔ)分析和鉆井船插樁深度分析主要是基于土的參數(shù)而進(jìn)行的?，F(xiàn)今國內(nèi)海洋工程地質(zhì)勘察主要采取常規(guī)鉆孔取樣和CPT測(cè)試相結(jié)合的方式來確定土的參數(shù),進(jìn)而使用美國API RP 2A規(guī)范中推薦的樁基礎(chǔ)和淺基礎(chǔ)的計(jì)算方法來進(jìn)行平臺(tái)的樁基礎(chǔ)分析和鉆井船的插樁深度分析。

2 CPT實(shí)測(cè)原始參數(shù)

CPT原始數(shù)據(jù)是由Wison-APB downhole CPT系統(tǒng)所帶測(cè)試數(shù)據(jù)采集軟件(GoOnsite)所采集的,所測(cè)得的錐尖阻力、側(cè)摩阻力和孔隙水壓力是地基土物理力學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)的綜合反映,圖2.1為CPT探頭貫入粘性土中所產(chǎn)生的三個(gè)指標(biāo)隨深度變化的曲線示意圖。圖2.2給出了本井場(chǎng)CPT測(cè)試的三條曲線： 錐端阻力、側(cè)摩阻力和孔隙水壓力隨土深度變化曲線。從而得到土體各深度的錐端阻力、側(cè)摩阻力和孔隙水壓力。通過對(duì)原始數(shù)據(jù)的解釋和結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查得到的土質(zhì)資料給出了自升式鉆井船插樁所需的參數(shù)。

3 CPT資料解釋

國內(nèi)CPT測(cè)試結(jié)果主要用于劃分土層、估算粘性土的不排水抗剪強(qiáng)度和粒狀土的相對(duì)密實(shí)度。土層中所測(cè)得的錐尖阻力和通過試驗(yàn)室土質(zhì)試驗(yàn)?zāi)艿玫秸承缘牟慌潘辜魪?qiáng)度。摩阻比和超孔隙水壓力數(shù)據(jù)一般支持對(duì)粘性土和砂性土的分類,同時(shí)還能直觀地判定出砂土與粘土迭層和互層土。

3.1 粘性土抗剪強(qiáng)度估計(jì)

粘性土的不排水抗剪強(qiáng)度可以根據(jù)CPT測(cè)試結(jié)果來估算[5]。其公式為：

圖2.1 CPT測(cè)試的示意圖Fig. 2.1 Schematic view of cone penetration test

圖2.2 南海某井場(chǎng)CPT實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Fig. 2.2 Cone penetration test result

圖3.1 相對(duì)密實(shí)度剖面Fig. 3.1 Relative Density Profile

圖3.2 超固結(jié)比剖面Fig. 3.2 Overconsolidation Ratio Profile

圖3.3 靈敏度剖面Fig. 3.3 Sensitivity Index Profile

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)表Tab.1 Tabulation of design parameters

式中,cu=不排水抗剪強(qiáng)度

qt=校正后的PCPT錐尖阻力

σvo=總上覆壓力(包括靜水壓力)

Nkt=錐頭系數(shù)

有關(guān)資料所推薦的有代表性的Nkt系數(shù)的取值范圍為4至30。對(duì)于本次調(diào)查的場(chǎng)址,依據(jù)此海域的經(jīng)驗(yàn)性,我們所采用的Nkt系數(shù)的取值范圍為20至25。

3.2 粒狀土相對(duì)密度估計(jì)

粒狀土的內(nèi)摩擦角通常根據(jù)CPT測(cè)試得出的相對(duì)密度和顆分試驗(yàn)得出的土的級(jí)配之間的關(guān)系而選定。CPT測(cè)試提供了海底面以下土質(zhì)狀況的連續(xù)記錄,能反映出粒狀土的原位密實(shí)度狀態(tài)。

Baldi等(1986)提出的方法可用來估計(jì)粒狀土的相對(duì)密實(shí)度[6]。Baldi等(1986)推薦的估計(jì)粒狀土相對(duì)密度(Dr)的公式為：

根據(jù)CPT解釋結(jié)果表明(見圖3.1)：本場(chǎng)址粒狀土的相對(duì)密度在入泥深度13.6m以上一般為松散到中密實(shí),該深度以下為密實(shí)到非常密實(shí)。

3.3 粘性土的固結(jié)狀態(tài)

上世紀(jì)八十年代以來,根據(jù)CPT資料估計(jì)OCR總結(jié)出了很多OCR和不同形式的歸一化孔隙壓力和歸一化錐尖阻力之間的關(guān)系[7]。對(duì)于有較少經(jīng)驗(yàn)可供利用的土質(zhì),超固結(jié)比(OCR)可以由以下公式估計(jì)：

式中,k值的取值范圍為0.2至0.5,平均值為0.3。高值一般用于重度超固結(jié)的粘性土。

根據(jù)以上方法做出該場(chǎng)址粘性土超固結(jié)比剖面(見圖3.2)。由圖3.2所示的粘性土超固結(jié)比剖面可以判斷：該場(chǎng)址揭露深度范圍內(nèi)的粘性土一般為超固結(jié)土。

3.4 粘性土的靈敏度

粘性土的靈敏度(St)定義為原狀土的抗剪強(qiáng)度與擾動(dòng)土的抗剪強(qiáng)度之比。靈敏度(St)可以根據(jù)由CPT得出的摩阻比(Rf)來估計(jì)[5]。其表達(dá)式為：式中Ns為一常量。對(duì)于本場(chǎng)址的土質(zhì)條件,Ns取值為6.0。

以上分析方法所得出的敏度剖面見(圖3.3),結(jié)果表明：本場(chǎng)址粘性土的靈敏度指數(shù)為2到5。

4 海洋石油941號(hào)鉆井船插樁深度分析

4.1 土質(zhì)設(shè)計(jì)參數(shù)

CPT測(cè)試和解釋結(jié)果可以看出,0～1.8m錐尖阻力較大為2～4兆帕,孔隙水壓力為負(fù)值,密實(shí)度為中密實(shí);1.8～7.3m錐尖阻力較小,孔隙水壓力為正值,錐尖阻力成鋸齒狀,夾大量的錐尖阻力稍大的砂土細(xì)層和微細(xì)層。結(jié)合取樣資料可以判斷出第一層為中密實(shí)的粉質(zhì)細(xì)砂,設(shè)計(jì)內(nèi)摩擦角為25度。第二層為粉質(zhì)粘土夾大量的粉土微細(xì)層,按互層土取參數(shù),設(shè)計(jì)抗剪強(qiáng)度35kPa,設(shè)計(jì)內(nèi)摩擦角20度。

4.2 海洋石油941鉆井船的參數(shù)

海洋石油941號(hào)鉆井船為三腿自升式移動(dòng)鉆井船。其樁腳式基礎(chǔ)的最寬部分面積為254m2,有效直徑為18.0m。預(yù)壓載時(shí),每只樁腳的最大預(yù)壓載為112.2MN(11 436t)。樁靴示意圖見圖4.1。

4.3 海洋石油941號(hào)鉆井船的承載力分析

當(dāng)施加的基礎(chǔ)荷載等于或大于土的極限承載力時(shí)樁腳尖貫入就會(huì)發(fā)生,近似于圓形或者方形基礎(chǔ)的極限承載力(Q)[1],用下式計(jì)算：

式中：qn=樁腳尖的單位面積極限承載力

=SuNc.........用于不排水(粘性)土

圖4.1 海洋石油941鉆井船樁靴示意圖Fig. 4.1 Footing configuration schematic view of hai yang shi you-941

圖4.2 極限樁腳載荷與樁腳尖入泥深度關(guān)系曲線Fig. 4.2 Ultimate leg load vs footing tip penetration curve

=0.3γ2BNr+P0(Nq-1)....用于排水粒狀土

P0=樁腳尖深度處的有效上覆壓力

Nq,Nr=據(jù)內(nèi)摩擦角而定的排水粒狀土無量綱承載力系數(shù)

Nc=不排水粘土的無量綱承載力系數(shù)

=6(1+0.2D/B)≤9

Su=樁腳尖下B/2深度以內(nèi)平均不排水抗剪強(qiáng)度

γ1=由樁腳尖排出土的平均有效重度

γ2=樁腳尖下B/2以內(nèi)土的平均有效重度

B=樁腳尖的直徑(最寬截面)

D=樁腳尖入泥深度(最寬截面)

A=樁腳尖的最大平面積

V=樁腳尖的體積

鉆井船樁腳尖穿過土層后所形成的孔隙,假設(shè)是由回填土充滿的。排水粒狀土(硅質(zhì)土)的承載力系數(shù)Nq和Nr的典型值在API RP 2A中關(guān)于淺基礎(chǔ)一節(jié)中給出。

4.4 刺穿分析

當(dāng)一硬粘土層或粒狀土層之下潛伏著一層軟粘土層時(shí),上下之間承載力的不同可能會(huì)存在樁腳尖潛在的刺穿危險(xiǎn)。3：1荷載擴(kuò)展分析法[3,4]亦常用于實(shí)際分析中,這個(gè)方法假定施加在上層(硬土層)上的基礎(chǔ)荷載被擴(kuò)展通過硬層,在軟弱層的頂面產(chǎn)生一假設(shè)的等效基礎(chǔ)。通過硬層的擴(kuò)展比例為1：3(水平方向：垂直方向),如果施加在等效基礎(chǔ)上的壓力超過下層土的承載力,則穿刺將會(huì)發(fā)生。在這種情況下,穿刺的安全性主要取決于上覆硬層的厚度。穿刺分析中承載力qn的表達(dá)式為：

式中：Ap'=等效基礎(chǔ)面積=Ap[1+2H/3B]2

B'=等效基礎(chǔ)直徑=B+[2/3]H

D'=等效基礎(chǔ)深度=D+H

Ap=實(shí)際基礎(chǔ)面積

H=實(shí)際基礎(chǔ)面之下硬土層的厚度

B=實(shí)際基礎(chǔ)直徑

D=實(shí)際基礎(chǔ)深度

qn(硬層)=假設(shè)硬土層無限厚時(shí)的承載力

4.5 鉆井船承載力分析

海洋石油941號(hào)鉆井船插樁深度分析時(shí),對(duì)于1.8m到7.3m的土層,進(jìn)行承載力分析時(shí),按照排水條件和不排水條件來考慮。按照此種土體破壞模型得出如下結(jié)果：上限：1.8m到7.3m的土層按照排水條件考慮,海洋石油941號(hào)鉆井船在112.2MN(11436t)的單樁最大預(yù)壓載下樁腳尖部的入泥深度為4.7m;下限：1.8m到7.3m的土層按照不排水條件考慮,海洋石油941號(hào)鉆井船在112.2MN

(11436t)的單樁最大預(yù)壓載下樁腳尖部的入泥深度為9.5m。實(shí)際的插樁結(jié)果為：三個(gè)樁腿的入泥深度分別為9.0m、5.1m和9.5m,與計(jì)算的結(jié)果較吻合（如圖4.2）。

5 結(jié)語

在鉆井船插樁入泥深度分析中,最主要的兩個(gè)步驟為土質(zhì)參數(shù)的確定以及承載力分析方法的選擇,對(duì)于粘性土和粒狀土組成的迭層土或互層土,土的破壞模型還與鉆井船樁靴的壓載速率有關(guān),鉆井船采取多級(jí)低增量緩慢壓載時(shí),迭層土破壞模式表現(xiàn)為排水性質(zhì);鉆井船采取多增量快速壓載時(shí),迭層土破壞模式表現(xiàn)為不排水性質(zhì)。文中通過CPT測(cè)試得出的粘性土的不排水抗剪強(qiáng)度、靈敏度、超固結(jié)比和砂土的相對(duì)密實(shí)度以及土的包含物的確定給出了該井場(chǎng)土質(zhì)的設(shè)計(jì)參數(shù)。采用Skemptom公式,通過TehKL方法較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了海洋石油941號(hào)鉆井船的插樁入泥深度。

[1]陳培雄,劉奎,等.靜力觸探技術(shù)在東海陸架工程勘察中的應(yīng)用研究.海洋學(xué)研究,2011(4).

[2]American Petroleum Institute, "Recommended Practice for Planning,Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design", API RP 2A - WSD, 21st Ed.,December 2000.

[3]TehKL, LeungCF, ChowYK, etal. Analysis of spudcan installation through loose sand into clay [C]//1st Jack-up Asia Conference and Exhibition, Singapore, 2006：2-9.

[4]TehKL. Punch-through of spudcan foundation in sand overlying clay [D]. Singapore： National University of Singapore, 2007.

[5]SCHMERTMANN, J. H., Guidelines for cone penetration tests：Performance and Design, U.S. Department of Transportation,Federal Highway Administration Office of Research and Development, Washington, D.C., Report TS-78-209,1978.

[6]BALDI,G.,BELLOTTI R.,GHIONNA,V., JAMIOLKOWSKI,M.and PASQUALINI E.,Interpretation of CPT's and CPTU's, 2nd Part： Drained Penetration in Sands,Fourth Intl.Geotechnical Seminar Field Instrumentation and In Situ Measurements,Nanyang Technological Institute,Singapore, November,1986,pp. 143-156.

[7]Powell,J.J.M.and Quarterman,R.S.T.,Guidelines for geotechnical design using CPT and CPTU,University of british Columbia,Vancouver,Deparment of Civil Engineering,Soil Mechanics Series 120,1988.