吸力樁基盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究

馬寶金，張愛霞

中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 100028

1 概述

近年來，吸力樁基礎(chǔ)已廣泛應(yīng)用于海洋工程各個(gè)領(lǐng)域。與常規(guī)樁基礎(chǔ)相比，這種大直徑桶形結(jié)構(gòu)增加了樁側(cè)壁與土壤之間的接觸面積，從而提高了樁側(cè)摩阻力，具有良好的承載性能。在深水油氣開發(fā)中，吸力樁基盤可用作系泊系統(tǒng)的錨固基礎(chǔ)或水下生產(chǎn)系統(tǒng)的支撐基礎(chǔ)；在海上風(fēng)電開發(fā)等新能源領(lǐng)域，可用作風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)；除此之外，還可用作鉆井井口基盤，為鉆井作業(yè)提供更為有效的支撐。

吸力樁基盤用于鉆井作業(yè)始于2006年，其設(shè)計(jì)開發(fā)者挪威Neodrill公司在北海地區(qū)安裝了直徑5 m、高10 m的桶形基礎(chǔ)井口裝置，工作水深860 m，導(dǎo)管段采用噴射鉆井下入。迄今為止，吸力樁基盤形式已在國外成功應(yīng)用于多口井的鉆井作業(yè)，工作水深涵蓋100～1 500 m。

海洋油氣鉆采作業(yè)中，吸力樁基盤能夠在海底淺部地層提供較大的承載及抗彎能力，比常規(guī)井口更加安全、高效，為深水淺軟地層鉆井作業(yè)提供了可靠的技術(shù)方案。為滿足不同工程地質(zhì)條件下井口系統(tǒng)的作業(yè)要求，將吸力樁基盤分為單樁、三樁及多樁基盤[1]，可根據(jù)實(shí)際工程需要，選取不同的結(jié)構(gòu)形式。

2 吸力樁基盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

吸力樁基盤設(shè)計(jì)包括兩部分內(nèi)容：一是根據(jù)作業(yè)海域土體參數(shù)進(jìn)行承載力分析和貫入過程分析，確定吸力樁基盤的主體尺寸、入泥深度和貫入/回收壓力等參數(shù)；二是根據(jù)吸力樁基盤在位及施工全過程的受力情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，完成整體結(jié)構(gòu)及局部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。本文針對第二部分內(nèi)容，探討吸力樁基盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，旨在為我國深水油氣開發(fā)提供有效的技術(shù)方案。

吸力樁基盤在陸地建造完工后吊裝裝船，然后拖航至作業(yè)海域，吊裝入水并通過負(fù)壓貫入到設(shè)計(jì)入泥深度。根據(jù)整個(gè)流程，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括在位、吊裝、拖航和貫入工況。

2.1 在位工況

吸力樁基盤在作業(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。垂向荷載主要是所支撐井口系統(tǒng)的重量，橫向荷載包括底部海流的作用以及鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)而傳遞過來的彎矩。作業(yè)期間，應(yīng)確保吸力樁基盤能夠抵抗各種外力的作用，以滿足鉆井作業(yè)過程中井口系統(tǒng)的安全要求。

2.2 吊裝工況

根據(jù)Guidelines for Marine Lifting&Lowering Operations[2]相關(guān)規(guī)定，吊裝分析應(yīng)考慮動(dòng)力放大系數(shù)（DAF）、偏載系數(shù)（SKL）、重量不確定系數(shù)、重心不確定系數(shù)以及重要性系數(shù)（CF），使整個(gè)吊裝過程安全可控。

在風(fēng)、浪、流等環(huán)境荷載的作用下，施工船舶和吊機(jī)會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，需要考慮由此產(chǎn)生的動(dòng)力效應(yīng)；吸力樁基盤作為與吊索直接相連的結(jié)構(gòu)，動(dòng)力放大系數(shù)應(yīng)取為2.0。由于索具制造誤差、結(jié)構(gòu)物制造誤差以及結(jié)構(gòu)物吊裝變形等造成索具受力不均勻，還應(yīng)考慮偏載系數(shù)，結(jié)合吸力樁基盤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，SKL可根據(jù)規(guī)范取為1.05；建造誤差或部分不確定重量產(chǎn)生的重量不確定系數(shù)取1.2，重心不確定系數(shù)取1.05。另外，吊裝過程中結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要，將重要性系數(shù)CF取為1.35。綜上，吸力樁基盤吊裝系數(shù)（LF）為各系數(shù)的乘積3.57（=2.0×1.05×1.2×1.05×1.35）。

2.3 拖航工況荷載

吸力樁基盤在建造場地建造完工后裝船，然后由船舶拖航運(yùn)輸至作業(yè)海域。在拖航過程中，船舶在波浪中行進(jìn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生6個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)：橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、縱蕩和升沉。固定在甲板上方的結(jié)構(gòu)物將隨著船舶運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大的加速度，使吸力樁基盤產(chǎn)生與加速度方向相反的慣性力，慣性力又與自身重力疊加，進(jìn)而對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成影響。

船舶在波浪中發(fā)生橫搖、縱搖運(yùn)動(dòng)的同時(shí)也會(huì)存在垂蕩運(yùn)動(dòng)，應(yīng)考慮運(yùn)動(dòng)的組合效應(yīng)。根據(jù)General Guidelines for Marine Transportation相關(guān)規(guī)定[3]，船舶運(yùn)動(dòng)幅值取值如表1所示。

表1 船舶運(yùn)動(dòng)幅值取值

加速度由角加速度和線加速度兩部分組成，可以通過計(jì)算得到。

在橫搖情況下，角加速度為：ar=（2π/10）2×20=7.895（°）/s2；Y方向線加速度為：ετy=g×sin（20°）=0.342g；Z方向線加速度為：ετz=g×cos（20°）=0.94g。

在縱搖情況下，角加速度為：ap=（2π/10）2× 10=3.948（°）/s2；Y方向線加速度為：ετy=g×sin（10°）=0.174g；Z方向線加速度為：ετz=g×cos（10°）=0.985g。

通過上述關(guān)系可以求得線性加速度產(chǎn)生的慣性力和轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度產(chǎn)生的切向及法向慣性力，從而得到總的慣性力。

拖航分析的流程分為以下三步。

（1）吸力樁在自身重力作用下進(jìn)行預(yù)加載分析。

（2）吸力樁在慣性力作用下進(jìn)行預(yù)加載分析。

（3）將前兩步預(yù)加載分析的結(jié)果與風(fēng)力進(jìn)行組合，進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析。

考慮到不同風(fēng)向及工況，拖航工況分析應(yīng)進(jìn)行如表2所示的荷載組合。

表2 拖航工況

2.4 貫入工況荷載

吸力樁基盤吊裝至海床后進(jìn)入貫入階段，貫入過程包括自重貫入和吸力貫入。在吸力貫入階段，排水口關(guān)閉，通過吸水泵不間斷地向外抽水，當(dāng)樁內(nèi)外壓差所產(chǎn)生的貫入力超過海床對吸力樁的阻力時(shí)，吸力樁可以繼續(xù)貫入，直至達(dá)到設(shè)計(jì)入泥深度。在這個(gè)階段，吸力樁需要抵抗側(cè)壁內(nèi)、外摩擦力和端部阻力，如圖1所示。

圖1 吸力樁基盤貫入過程中受力示意[1]

實(shí)際操作時(shí)，為確保安裝精度，吸力樁基盤貫入過程非常緩慢，可視為準(zhǔn)靜態(tài)過程，吸力和基盤自重之和等于貫入阻力。根據(jù)DNV RP E303[4]，吸力樁基盤貫入所需要的壓差為：

式中：dP（z）為深度z處的壓差，kPa；Qz為深度z處的土壤阻力，kN；w′為吸力錨在水中的重量，kN；Ain為吸力錨負(fù)壓作用面積，m2。

吸力樁基盤在到達(dá)設(shè)計(jì)入泥深度之前進(jìn)行取回操作的過程稱為“回收”?；厥找话闶窃诎惭b過程中或者安裝之后即刻開始的操作，目的是作為一種補(bǔ)救措施對吸力樁基盤的垂直度進(jìn)行修正，這時(shí)土壤仍然處于重塑狀態(tài)，施加在吸力樁基盤的壓差為：

在進(jìn)行吸力樁基盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核時(shí)，應(yīng)考慮1.2倍的荷載系數(shù)，將貫入或回收壓力荷載施加在頂板上，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析。

另一方面，基盤在貫入過程中，承受著較大的壓力及土體阻力，作為大直徑薄壁結(jié)構(gòu)，需按照規(guī)范[5-6]要求對板殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲校核，確保頂板及側(cè)壁能夠抵抗外部壓力的作用。

2.5 組合工況

吸力樁基盤設(shè)計(jì)組合工況見表3。吸力樁基盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核采用許用荷載抗力系數(shù)法。根據(jù)DNV-OS-C101[7]規(guī)范要求，操作工況下，材料分項(xiàng)系數(shù)取1.3；極端工況下，材料分項(xiàng)系數(shù)取1.15；短暫工況下，材料分項(xiàng)系數(shù)取1.0。

表3 吸力樁基盤設(shè)計(jì)組合工況

3 案例分析

本文依托南海某項(xiàng)目，針對三樁式吸力基盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究。如圖2所示，三樁之間設(shè)置中心管，中心管上部通過喇叭口等結(jié)構(gòu)支撐井口系統(tǒng)，通過連接板與各樁連接。樁頂分別設(shè)置吸力泵等裝置；樁間連接板上布置監(jiān)控系統(tǒng)，用于監(jiān)控基盤在安裝過程中的傾斜角度等情況。

圖2 三樁吸力基盤組成示意

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

南海某作業(yè)海域的環(huán)境條件（50年一遇）如表4所示。

表4 作業(yè)海域環(huán)境條件

根據(jù)鉆井作業(yè)工況要求，井口系統(tǒng)垂向荷載為5 000 kN（考慮2倍安全系數(shù)）；井口橫向荷載最大彎矩為5 000 kN·m；由于海床附近海流速度接近0，海流對吸力樁基盤的橫向荷載忽略不計(jì)。

經(jīng)過初步承載力分析，吸力樁直徑為4 m，樁長為15.5 m，入泥深度為15 m，壁厚取為25 mm。

3.2 有限元模型

本文采用ABAQUS軟件進(jìn)行吸力樁基盤的有限元分析。首先，根據(jù)其結(jié)構(gòu)組成建立計(jì)算模型，采用通用的完全積分線性殼單元S4單元進(jìn)行模擬。然后，根據(jù)不同工況，對模型施加相應(yīng)的邊界條件和荷載條件。

3.3 工況校核

3.3.1 在位工況

為便于加載，在模型中設(shè)置參考點(diǎn)RP，RP與中心管之間建立tie約束關(guān)系。對RP施加豎向荷載與橫向荷載，以實(shí)現(xiàn)對整體結(jié)構(gòu)的加載，見圖3。處理邊界條件時(shí)，約束吸力樁基盤底部三個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度均為0，即：U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0。有限元計(jì)算結(jié)果顯示：最大應(yīng)力值為214.1 MPa，發(fā)生在中心管與頂板的邊接處。

圖3 在位工況有限元模型及分析結(jié)果

3.3.2 吊裝工況

吸力樁基盤凈質(zhì)量為100 t。吊裝工況有限元模型如圖4（a）所示。分析中，采用連接器模擬吊索，與水平面夾角約為60°；大鉤處采用參考點(diǎn)RP模擬，并施加固定約束；為計(jì)算收斂，各樁底部施加彈簧約束。根據(jù)本文2.2節(jié)，考慮吊裝系數(shù)后，結(jié)構(gòu)吊裝荷載為1 000 kN×3.57=3 570 kN。

具體計(jì)算結(jié)果如圖4（b）所示?？梢钥吹?，吊裝工況下，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為338 MPa，發(fā)生在樁側(cè)壁與樁頂板吊點(diǎn)相連處，滿足規(guī)范對結(jié)構(gòu)受力的要求。同時(shí)，彈簧處支反力接近0，對計(jì)算的影響可忽略不計(jì)。

圖4 吊裝工況有限元模型及分析結(jié)果

3.3.3 拖航工況

拖航船舶布置如圖5所示。吸力樁基盤凈質(zhì)量為100 t，考慮10%的余量，拖航工況中結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為110 t。拖航駁船總長135 m，船寬29 m，型深7.0 m。坐標(biāo)系方向定義為：X軸沿船長方向（由船首指向船尾），Y軸指向船舶右舷，Z軸垂直向上，駁船與吸力樁基盤整體系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)取在基盤局部坐標(biāo)原點(diǎn)處。取船舶縱向長度的中間位置、橫向?qū)挾鹊闹虚g位置及距船底部60%型深處作為船舶的運(yùn)動(dòng)中心。

圖5 拖航船舶布置

根據(jù)本文2.3節(jié)拖航工況準(zhǔn)則進(jìn)行分析，可得到拖航工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖（見圖6），控制工況（橫搖+升沉）時(shí)，基盤最大應(yīng)力為135 MPa。

圖6 拖航工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖

3.3.4 貫入工況

本分析中吸力樁基盤貫入壓力為259 kPa，回收壓力為315 kPa。進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核時(shí)，考慮1.2倍的荷載系數(shù)，將壓力荷載施加在頂板上。同時(shí)，吸力樁內(nèi)、外側(cè)壁及端部還受到土體的摩擦阻力以及自身重力作用，結(jié)構(gòu)荷載情況如圖7所示。經(jīng)計(jì)算，在貫入工況中，樁頂板應(yīng)力最大，具體計(jì)算結(jié)果見圖8。

圖7 貫入工況荷載

圖8 貫入工況頂板應(yīng)力云

按照DNV RP C201[5]及DNV RP C202[6]的要求，對吸力樁側(cè)壁及頂板板殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲校核，施加水壓及貫入壓力。經(jīng)計(jì)算，板殼實(shí)際所受荷載均小于臨界荷載，其穩(wěn)定性滿足要求。

3.4 有限元分析結(jié)果

通過對各工況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，吸力樁頂板和上部連接板在貫入工況下受力最大，樁側(cè)壁在吊裝工況下受力最大，中心管及其他結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較小，具體計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 吸力樁基盤有限元分析結(jié)果

3.5 吸力樁基盤結(jié)構(gòu)布置方案研究

由于吸力樁是大直徑板殼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度較小，因此，需要配置一定數(shù)量的加強(qiáng)筋，提高對外部各種荷載的結(jié)構(gòu)抗力。結(jié)合吸力樁基盤的承載特點(diǎn)，本文針對主要構(gòu)件進(jìn)行研究，推薦最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

為尋找各組成部分與整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)系，采用控制變量法，保持其他組成部分的參數(shù)不變，得到整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與研究對象參數(shù)（如板厚）的變化關(guān)系。

3.5.1 加強(qiáng)筋受力影響分析

3.5.1.1 中心管加強(qiáng)筋

中心管通過連接板將各樁連接為整體，為減小局部應(yīng)力集中，需設(shè)置一定數(shù)量的加強(qiáng)筋。通過分析（如圖9所示）可以看到，中心管加強(qiáng)筋數(shù)量對上部連接板受力影響較大，數(shù)量越少，連接板應(yīng)力越大，甚至?xí)霈F(xiàn)超出許用應(yīng)力的現(xiàn)象；隨著筋板數(shù)量的增加，上部連接板應(yīng)力顯著減小。

圖9 加強(qiáng)筋數(shù)量對板受力影響

另一方面，筋板厚度的變化對連接板及中心管的受力影響很小，僅影響其自身局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，如圖10所示。因此，增加加強(qiáng)筋板厚，僅可改善其自身受力。

圖10 加強(qiáng)筋板厚對板受力影響

3.5.1.2 樁頂及側(cè)壁加強(qiáng)筋

吸力樁在貫入過程中，頂板承受著較大的內(nèi)外壓差，需要根據(jù)總體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在頂板內(nèi)側(cè)設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的加強(qiáng)筋。本案例為三樁基盤，樁頂板加強(qiáng)筋數(shù)量可為3n（n為正整數(shù)），樁側(cè)壁加強(qiáng)筋則相應(yīng)布置。圖11表明，筋板厚度變化對樁頂板及側(cè)壁受力影響不大。

圖11 加強(qiáng)筋板厚對樁頂板及樁側(cè)壁受力影響

3.5.2 主要構(gòu)件板厚受力影響分析

3.5.2.1 吸力樁側(cè)壁板厚

貫入工況和在位工況下，隨著吸力樁側(cè)壁板厚的增加，其自身應(yīng)力減小；樁頂板和中心管的應(yīng)力變化不大，但均有減小的趨勢，如圖12所示。在吊裝工況下（見圖13），樁與吊點(diǎn)直接相連，是主要的受力構(gòu)件，其板厚增加，結(jié)構(gòu)剛度增加，應(yīng)力相應(yīng)提高。應(yīng)綜合考慮各工況特點(diǎn)，選擇適合的側(cè)壁板厚。

圖12 貫入工況下側(cè)壁板厚變化對結(jié)構(gòu)受力影響

圖13 吊裝工況下側(cè)壁板厚變化對結(jié)構(gòu)受力影響

3.5.2.2 吸力樁頂板和上部連接板板厚

如圖14和圖15所示：吸力樁頂板壁厚及上部連接板的板厚變化對其自身受力影響較大，對側(cè)壁和中心管等其他結(jié)構(gòu)的影響則不明顯。增加頂板、上部連接板壁厚，可以顯著提高其自身抵抗外部作用力的能力。

圖14 頂板厚變化對結(jié)構(gòu)受力影響（貫入工況）

圖15 上部連接板板厚變化對結(jié)構(gòu)受力影響

3.5.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)論

通過上述分析，得到吸力樁基盤的結(jié)構(gòu)優(yōu)化布置方案，如表6所示。

表6 吸力樁基盤設(shè)計(jì)組合工況

4 結(jié)論

本文針對適用于深水淺軟地層鉆井作業(yè)的吸力樁基盤進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，剖析了這種基盤形式的結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)?？傮w而言，其自身大直徑薄壁特點(diǎn)決定了這種結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)置合理數(shù)量的加強(qiáng)筋來增加結(jié)構(gòu)剛度，以提高抵抗外部荷載的能力。結(jié)構(gòu)自身板厚增加可有效降低其應(yīng)力值，在實(shí)際工程項(xiàng)目中，應(yīng)根據(jù)具體受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下考慮經(jīng)濟(jì)性。

總之，吸力樁基盤結(jié)構(gòu)可有效改善井口系統(tǒng)的整體承載能力，具有良好的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性，為深水油氣開發(fā)提供了安全可靠的解決方案。