東海區(qū)域基于有限元軟件的筒型基礎(chǔ)校核分析

嚴(yán)維峰，許文兵，李 根，李利飛，丁意達，施覽玲

1.中海石油有限公司上海分公司，上海 200050

2.中國石油大學(xué)（北京），北京 102200

筒型基礎(chǔ)具有施工便利、造價低、投資少、高機動性和靈活性、可持續(xù)使用等特點，近二十多年來在海洋工程上得到廣泛的應(yīng)用，并且有著廣闊的發(fā)展前景。利用潛水泵，可以很容易地將筒型基礎(chǔ)沉放到海底土內(nèi)，因此常用于各種海上結(jié)構(gòu)設(shè)施，如浮筒定位、海上軍事工程、導(dǎo)管架、燈塔、船只系泊和海上石油鉆取等各種平臺。建造周期短、投入低且安裝工藝簡單的筒型基礎(chǔ)樁基結(jié)構(gòu)能夠為油氣資源豐富但豐度較低區(qū)塊的開發(fā)以及對開發(fā)作業(yè)敏感的海域探井的布置和開發(fā)提供有力支持，大幅度降低勘探開發(fā)成本，對增儲上產(chǎn)具有極為重要的意義。

李文帥等[1]針對沉貫過程中土體變形大的特點，運用顆粒流軟件建立了筒型基礎(chǔ)動態(tài)沉貫安裝模型；劉潤等[2]開展了比較完整的室內(nèi)模型試驗研究，模擬了筒型基礎(chǔ)的自重沉放與負(fù)壓沉貫過程，基于相關(guān)理論推導(dǎo)了筒型基礎(chǔ)沉放最大徑向影響范圍計算公式；Xing等[3]基于上部荷載特性和土體參數(shù)，探究黏性土中筒型基礎(chǔ)承載力規(guī)律，總結(jié)極限水平荷載和極限彎矩荷載對筒型基礎(chǔ)破壞的影響；馬文冠等[4]開展了粉土中筒型基礎(chǔ)的現(xiàn)場貫入試驗，觀測了自重下沉階段與負(fù)壓貫入階段筒型基礎(chǔ)貫入阻力與貫入深度的關(guān)系，提出了粉土中計算沉貫阻力的方法，并對不同筒端形式的減阻效果進行了深入分析；Xu等[5]通過建立單樁復(fù)合管式基礎(chǔ)-基礎(chǔ)的大型三維仿真模型，計算其在各種荷載共同作用下的應(yīng)力和變形，評價了單樁復(fù)合管式基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。通過對前人的研究進行總結(jié)，目前尚缺少結(jié)合具體現(xiàn)場的有限元分析，使用SACS和PLAXIS進行吸力筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，可以有效模擬驗證其施工可行性，以期為現(xiàn)場施工提供指導(dǎo)。

本研究針對東海某海域環(huán)境條件和土質(zhì)情況，利用迭代法比選出同時滿足穩(wěn)定性和經(jīng)濟性要求的筒型基礎(chǔ)。

1 理論模型

1.1 壓拔承載力計算模型

現(xiàn)階段，壓拔承載力Qs（kN）的計算參考API RP 2A-WSD（2005）[6]中6.4節(jié)的要求：

式中：f為導(dǎo)管單位面積表面摩擦力，kPa；As為樁側(cè)表面積，m2；α為無量綱系數(shù)；Su為目標(biāo)區(qū)域土樣的不排水抗剪強度，kPa；Ψ為討論點的系數(shù)，無量綱；P′0為計算點的有效上覆土壓力，kPa；K為水平側(cè)壓力系數(shù)（若未完全閉塞，K取0.8；若完全閉塞，則K取1.0）；P0為有效上覆應(yīng)力，kPa；δ為樁土界面摩擦角，（°）；γi為土層的有效重度，kN/m3；hi為各土層厚度，m。

同時，需要滿足以下公式：

式中：Qt為抗拔承載力，kN；Qs外側(cè)為筒外壁側(cè)摩阻力，kN；Qs內(nèi)側(cè)為筒內(nèi)壁側(cè)摩阻力，kN；G桶內(nèi)土重為桶內(nèi)土體重量，kN；G桶重為筒型基礎(chǔ)自重，kN；T為抗拔力設(shè)計值，kN；Qk為抗壓承載力，kN；Qs為側(cè)壁摩擦力，kN/m2；Qb為桶頂蓋軸向承載力，kN；q為單位樁端承載力，kPa；Ap為筒頂蓋面積，m2；S為承載力設(shè)計值，kN。

1.2 沉貫阻力計算模型

桶基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下沉入土?xí)r的下沉阻力主要包括桶壁的側(cè)摩阻力和桶端部的端阻力兩部分，桶形基礎(chǔ)下沉阻力參照《Offshore soil mechanics and geotechnical engineering》 （DNV GL-RP-C212） 第7.3.3節(jié)筒的沉貫阻力計算公式進行計算：

式中：R為沉貫阻力，kN；kp（d）為筒端端阻力的經(jīng)驗系數(shù)；d為復(fù)合筒貫入深度，m；Ap為裙底面積，m2；c（d） 為筒端持力層錐尖阻力，kPa；c（z）為土層不排水剪切強度，kPa；AS為筒裙面積（內(nèi)外），m2/m；kf（z）為側(cè)摩阻力經(jīng)驗系數(shù)。

2 有限元分析

2.1 建立模型

筒型基礎(chǔ)計算模型（見圖1）由筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、土壤和結(jié)構(gòu)-土界面單元組成。土壤本構(gòu)模型采用HS土體硬化模型，筒型基礎(chǔ)采用3D板單元，筒體和土壤之間設(shè)置界面單元。

圖1 筒型基礎(chǔ)計算模型

考慮到目標(biāo)區(qū)塊的土質(zhì)分層情況及上部載荷估算值，設(shè)計筒型基礎(chǔ)直徑13 m，筒高25 m，壁厚58 mm，筒頂蓋板板厚55 mm。筒頂加強肋板板厚40 mm，共8塊，均勻布置于筒頂蓋板之上。

壓載工況：水平力Fx=6 062 kN，豎向壓力Fz=50 160 kN，彎矩My=5 785 kN·m。

上拔工況：水平力Fx=5 989 kN，豎向拉力Fz=43 018 kN，彎矩My=4 644 kN·m。

2.2 筒頂壓拔承載力分析

筒型基礎(chǔ)的設(shè)計入土深度25 m。根據(jù)式（1）～式（8），計算得到如表1～表4所示的載荷分析結(jié)果。

表1 土層基本參數(shù)

表2 載荷分析統(tǒng)計

表3 抗拔承載力校核結(jié)果

表4 抗壓承載力校核結(jié)果

根據(jù)以上分析得到：給出的筒型基礎(chǔ)尺寸下，其抗壓承載力和抗拔承載力安全系數(shù)均滿足API中規(guī)定的要求（＞1.5）。

2.3 在位穩(wěn)定性分析

提取SACS模型中的合水平力與合彎矩，且二者同向。壓載、上拔工況下的位移云圖見圖2、圖3。

圖2 壓載工況下的位移云圖

圖3 上拔工況下的位移云圖

壓載工況下：最大水平位移100.6 mm，小于1%D（即130 mm）；最大不均勻沉降193.62 mm；筒頂轉(zhuǎn)角9.2‰。

上拔工況下：最大水平位移65.8 mm，小于1%D（即130 mm）；最大向上位移84.3 mm；筒頂轉(zhuǎn)角5.65‰。

2.4 沉貫阻力計算和屈曲驗算

根據(jù)式（9）并根據(jù)不同入泥深度對應(yīng)的沉貫阻力（見圖4），可以得到最大沉貫阻力。

圖4 筒型基礎(chǔ)沉樁阻力隨入泥深度變化規(guī)律

根據(jù)以上結(jié)果可以得到，沉貫到位所需要的壓差值可能為510.16 kPa，在淺層夾砂層的下沉難度較大。建議在現(xiàn)場作業(yè)過程中采用550 kPa以上的設(shè)備進行安裝作業(yè)。

在使用最大沉貫阻力設(shè)計的條件下，沉貫過程中屈曲應(yīng)力小于屈曲強度，結(jié)構(gòu)滿足要求。圓筒殼體屈曲局部穩(wěn)定參照《Buckling strength of shells》（DNV GL-RP-C202）進行計算。

對于經(jīng)受一項或多項荷載（軸拉荷載、軸壓荷載、彎曲荷載、環(huán)向壓或拉荷載、扭轉(zhuǎn)、剪切）的殼結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性需滿足如下要求：

設(shè)計屈曲強度fksd按如下公式計算：

式中：σj,Sd為設(shè)計等效mise應(yīng)力，N/m2；fksd為殼體的設(shè)計屈曲強度，N/m2；fks為殼體的特征屈曲強度，N/m2；γM為材料系數(shù)，無量綱。材料系數(shù)γM按照如下公式取值：

σj,Sd按如下公式計算：

式中：σa,Sd為軸向荷載對應(yīng)的設(shè)計軸向應(yīng)力（拉為正），N/m2；σm,Sd為彎矩荷載對應(yīng)的設(shè)計彎曲應(yīng)力（拉為正），N/m2；σh,Sd為外部水壓荷載對應(yīng)的設(shè)計環(huán)向應(yīng)力（拉為正），N/m2；τSd為扭轉(zhuǎn)荷載和剪切荷載對應(yīng)的設(shè)計剪切應(yīng)力，N/m2。

式中：NSd為軸向荷載，N；M1,Sd，M2,Sd為彎矩荷載，N；Q1,Sd，Q2,Sd為剪切荷載，N；τSd為扭轉(zhuǎn)荷載，N；PSd為環(huán)向荷載，N。

屈曲強度特征值fks按下列公式計算：

式中：fEa為軸向荷載對應(yīng)的彈性屈曲強度，N/m2；fEm為彎矩荷載對應(yīng)的彈性屈曲強度，N/m2；fEh為水壓力、外部壓力和圓周壓力對應(yīng)的彈性屈曲強度，N/m2；fEτ為扭轉(zhuǎn)、剪切對應(yīng)的彈性屈曲強度，N/m2。

結(jié)合校核分析方法及數(shù)值模擬結(jié)果，得到筒型基礎(chǔ)在沉樁過程中屈曲應(yīng)力和屈曲強度隨入泥深度的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 筒型基礎(chǔ)沉樁過程中屈曲應(yīng)力和屈曲強度隨深度變化規(guī)律

從圖5可以看出：隨著入泥深度的增加屈曲應(yīng)力逐漸增大，而屈曲強度則先減小后增大，表明筒型基礎(chǔ)沉入至硬土層（砂粘互層或砂層）時屈曲強度降低；0～25 m的入泥深度范圍之內(nèi)，屈曲強度均大于屈曲應(yīng)力，即滿足規(guī)范對屈曲應(yīng)力的要求；入泥深度為7.5～16 m時，屈曲強度接近屈曲應(yīng)力，實際作業(yè)過程中需要放慢沉入速度并隨時觀察筒型基礎(chǔ)的變形情況，防止發(fā)生屈曲變形。

3 結(jié)論

（1）開展了壓載工況和上拔工況下的承載力分析，結(jié)果表明所給筒型基礎(chǔ)參數(shù)滿足相關(guān)規(guī)范中對抗拔阻力和承載力的要求。筒型基礎(chǔ)得到其最大水平位移小于1%D，滿足穩(wěn)性要求；得到了最大不均勻沉降和筒頂轉(zhuǎn)角，可為現(xiàn)場安裝施工提供參考數(shù)據(jù)。

（2）開展了筒型基礎(chǔ)沉樁阻力計算和屈曲分析，得知隨著入泥深度的增加屈曲應(yīng)力逐漸增大，而屈曲強度則先減小后增大，表明筒型基礎(chǔ)沉入至硬土層（砂粘互層或砂層）時屈曲強度降低；0～25 m的入泥深度范圍之內(nèi)，屈曲強度均大于屈曲應(yīng)力，即滿足規(guī)范對屈曲應(yīng)力的要求；入泥深度為7.5～16 m時，屈曲強度接近屈曲應(yīng)力，實際作業(yè)過程中需要放慢沉入速度并隨時觀察筒型基礎(chǔ)的變形情況，防止發(fā)生屈曲變形。