鉆井船插拔樁對(duì)臨近樁靴承載力的擬靜力模擬研究

唐德佳,曹添銘,梁 超,陳廣思

(1.中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司物裝采購(gòu)中心,天津 300457;2.天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

近年來(lái),我國(guó)廣泛采用自升式鉆井平臺(tái)進(jìn)行海上油田開(kāi)采。自升式平臺(tái)由上層船體平臺(tái)、樁腿、樁靴和升降裝置等部分組成。平臺(tái)作業(yè)過(guò)程中,需經(jīng)拖航到達(dá)預(yù)定位置,并進(jìn)行插樁作業(yè),將大直徑樁靴壓入海底泥面,平臺(tái)作業(yè)完成后,將樁靴上拔后離開(kāi),在原位置會(huì)留下樁坑腳印。鉆井船的插拔樁過(guò)程強(qiáng)烈擠壓周?chē)馏w,進(jìn)而影響臨近井口平臺(tái)的穩(wěn)定性,如圖1所示。

圖1 鉆井平臺(tái)對(duì)臨近平臺(tái)的影響Fig.1 The influence of the drilling platform on adjacent platform

針對(duì)平臺(tái)樁靴承載力及插樁過(guò)程阻力的研究,早期學(xué)者根據(jù)傳統(tǒng)地基承載力理論進(jìn)行預(yù)測(cè),主要基于PRANDTL或TERZAGHI提出的條形基礎(chǔ)地基承載力解[1-2],SNAME規(guī)范[3]提出了考慮土體回流的計(jì)算公式。HOSSAIN等[4-6]通過(guò)開(kāi)展一系列的離心模型試驗(yàn)對(duì)樁靴基礎(chǔ)的貫入問(wèn)題進(jìn)行了研究,MARTIN等[7]和CASSIDY等[8]通過(guò)模型試驗(yàn)得到樁靴基礎(chǔ)在豎向荷載V、水平荷載H、彎矩荷載M耦合作用下的承載力以及VHM荷載空間承載力包絡(luò)面。數(shù)值模擬方面,LIU等[9]采用基于網(wǎng)格重劃分小應(yīng)變插值技術(shù)的RITSS(Remeshing and Interpolation Technique with Small Strain Approach)方法對(duì)上層砂土下層粘土地基進(jìn)行了分析,研究了插樁阻力并預(yù)測(cè)了穿刺的易發(fā)位置。LI等[10]、MAO等[11]利用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian),對(duì)樁靴插樁過(guò)程進(jìn)行了分析。THO等[12-13]利用耦合歐拉-拉格朗日CEL法(Coupled Eulerian-Lagrangian)引入到了樁靴在粘土層中的貫入阻力預(yù)測(cè),計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)有離心模型試驗(yàn)[14]吻合較好。安永寧[15]采用有限元方法計(jì)算地基承載力并與各經(jīng)典公式和規(guī)范方法對(duì)比,驗(yàn)證有限元方法的便利性和有效性。

在實(shí)際工程中,已在位平臺(tái)會(huì)有鉆井船臨時(shí)?？窟M(jìn)行鉆修井作業(yè),鉆井船樁靴的插拔過(guò)程對(duì)已在位的臨近樁基礎(chǔ)造成不利影響。已有離心機(jī)試驗(yàn)[14,16-17]表明樁靴插入與拔出引起周邊土體應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化,進(jìn)而影響已在位的樁基礎(chǔ),其中影響承載力、樁身彎矩、樁身變形的關(guān)鍵因素包括樁靴尺寸、貫入深度、樁靴與臨近樁基礎(chǔ)間距。針對(duì)以上不同因素的影響程度,許多學(xué)者借助數(shù)值模擬方法開(kāi)展樁靴插拔對(duì)臨近樁基礎(chǔ)的影響研究,其中CEL[18-20]方法較為常見(jiàn),也取得了許多有價(jià)值的研究成果。

目前的研究成果多集中在對(duì)樁靴插拔本身的研究或其對(duì)臨近鋼管樁基礎(chǔ)的影響,但工程中許多已在位平臺(tái)采用樁靴基礎(chǔ),鉆井船樁靴插拔過(guò)程對(duì)已在位樁靴基礎(chǔ)的影響亦不可忽視,針對(duì)臨近樁靴影響的研究,劉潤(rùn)等[21-22]開(kāi)展了砂土中模型試驗(yàn),但尚未有學(xué)者采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同因素的影響程度開(kāi)展規(guī)律性研究。本文基于巖土工程軟件PLAXIS,開(kāi)展樁靴插拔對(duì)臨近平臺(tái)樁靴承載力影響進(jìn)行研究,旨在揭示已在位樁靴承載力受樁靴插拔的影響。

1 簡(jiǎn)化的擬靜力方法

1.1 擬靜力模擬方法的建立

樁靴插拔過(guò)程的模擬涉及大變形問(wèn)題,常規(guī)有限元模擬方法易出現(xiàn)網(wǎng)格畸變,動(dòng)力算法因無(wú)法準(zhǔn)確模擬樁靴插拔后土體強(qiáng)度的降低,在研究樁靴插拔引起的臨近結(jié)構(gòu)物承載力變化方面存在缺陷。因此建立合理的擬靜力方法成為解決這一問(wèn)題的重要途徑。觀察樁靴插拔的模型試驗(yàn)過(guò)程,研究樁靴對(duì)土體的擾動(dòng)范圍和土體強(qiáng)度的下降規(guī)律是建立樁靴插拔過(guò)程擬靜力模擬的關(guān)鍵。

根據(jù)SICILIANO等[16]和XIE[14]離心機(jī)模型試驗(yàn)以及KELLEZI等[23]數(shù)值模擬研究可知,樁靴插拔對(duì)土體的擾動(dòng)區(qū)域,在水平方向約為樁靴以外1倍樁靴直徑D范圍內(nèi)。張海洋等[24-25]的樁靴插拔模型試驗(yàn)表明,插拔樁過(guò)程對(duì)周邊土體的影響主要包括兩個(gè)方面：一是對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生卸荷作用,土體應(yīng)力狀態(tài)改變;二是導(dǎo)致周?chē)馏w強(qiáng)度的下降,且土體強(qiáng)度的下降程度隨距樁靴腳印中心距離及埋深的增加而逐漸減弱。劉潤(rùn)等[21]給出了樁靴插拔后周邊土體強(qiáng)度隨間距的變化,如圖2-a中曲線所示。以此為基礎(chǔ),將樁靴插拔的動(dòng)態(tài)作用過(guò)程簡(jiǎn)化為對(duì)周邊土體擾動(dòng)的擬靜力模擬方法,即將樁靴插拔后的地基分為3個(gè)區(qū)域：(1)樁靴腳印區(qū);(2)影響區(qū);(3)無(wú)影響區(qū),如圖2-b所示。

2-a 摩擦角-距離規(guī)律 2-b 整體分區(qū)圖2 土體分區(qū)示意圖Fig.2 Soil model area division

圖2中腳印區(qū)為樁靴插拔后在土體中遺留的坑洼孔穴,數(shù)值計(jì)算中難以模擬孔穴內(nèi)的真實(shí)狀態(tài),將腳印區(qū)簡(jiǎn)化為與樁靴直徑D相同的圓柱體區(qū)域,高度等于樁靴插深H,土體填滿(mǎn)孔穴,對(duì)腳印區(qū)原土體參數(shù)進(jìn)行折減,形成等效土體參數(shù),模擬孔穴對(duì)整個(gè)腳印區(qū)土體的影響;影響區(qū)為插拔樁作業(yè)引起的周?chē)軘_動(dòng)土體區(qū)域,依據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果,圓環(huán)影響區(qū)徑向范圍距腳印區(qū)邊緣1.25D,深度范圍等于樁靴插深H,此部分可按照試驗(yàn)確定的土體強(qiáng)度折減規(guī)律對(duì)影響區(qū)土體進(jìn)行折減計(jì)算,模擬插拔對(duì)土體的影響;其余部分土體為無(wú)影響區(qū)。

1.2 擬靜力分析模型的建立

按照上述分區(qū)方法建立數(shù)值模型,采用PLAXIS軟件對(duì)張海洋等[24-25]的離心機(jī)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行模擬,計(jì)算砂土中樁靴插拔樁對(duì)臨近樁基礎(chǔ)豎向承載力的影響。計(jì)算模型如圖3所示,圖3中D為樁靴直徑,H為樁靴貫入深度,L為臨近樁到腳印區(qū)外邊緣最小間距。土體采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,對(duì)各區(qū)域設(shè)置相應(yīng)的模型材料屬性參數(shù),其中腳印區(qū)土體,降低原有土體強(qiáng)度、壓縮模量、容重等參數(shù),模擬樁靴貫入-拔出動(dòng)作結(jié)束后的孔穴擾動(dòng)土體,將影響區(qū)內(nèi)的土體細(xì)分若干環(huán)形區(qū)域,各環(huán)形區(qū)土體結(jié)合土體強(qiáng)度隨距離降低規(guī)律[21]按比例折減,臨近樁采用梁?jiǎn)卧M,各計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)Tab.1 Soil material parameter

圖3 PLAXIS中臨近樁承載力模型Fig.3 Bearing capacity model of adjacent piles in PLAXIS

1.3 擬靜力方法計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證

分別計(jì)算土體無(wú)折減情況下單樁以及當(dāng)樁基礎(chǔ)位于距樁靴邊緣0.75D與0.5D時(shí)的樁基豎向承載力,樁頂施加位移s=0.1 m。對(duì)比計(jì)算結(jié)果可得到樁靴插拔導(dǎo)致的樁基承載力下降程度,樁基的載荷-沉降曲線如圖4所示,計(jì)算的單樁承載力折減率結(jié)果如表2所示。

表2 豎向承載力折減率η對(duì)比Tab.2 Comparison of vertical bearing capacity reduction rate η

圖4 單樁豎向沉降-載荷曲線Fig.4 Vertical settlement-load curve of single pile

根據(jù)表2可知,采用PLAXIS計(jì)算的承載力折減率結(jié)果與張海洋等[24-25]的離心機(jī)試驗(yàn)吻合較好,說(shuō)明建立的簡(jiǎn)化擬靜力方法具有可行性。

2 樁靴插拔對(duì)臨近樁靴的影響

2.1 數(shù)值分析模型的建立

采用前述方法,建立模擬樁靴插拔影響的簡(jiǎn)化擬靜力分析模型,如圖5所示,圖5中D為樁靴直徑,H為樁靴貫入深度,d為已在位臨近樁靴直徑,h為已在位樁靴目標(biāo)貫入深度,L為2個(gè)臨近樁靴外邊緣最小間距。各區(qū)域材料參數(shù)如表3所示。

表3 材料參數(shù)Tab.3 Material parameter

圖5 模型圖Fig.5 Finite element model diagram

本次研究重點(diǎn)關(guān)注樁靴承載力發(fā)揮,不考慮樁靴本身的結(jié)構(gòu)變形,為此在計(jì)算過(guò)程中將樁靴材料彈性模量設(shè)置足夠大,近似模擬為剛體以提升模型計(jì)算效率,同時(shí)考慮樁靴貫入對(duì)土體孔穴形狀影響主要為樁靴自身最大面積截面的形狀,將樁靴簡(jiǎn)化為圓形平板,直徑為樁靴面積最大截面位置的直徑。模型中土體和樁靴均采用四面體單元,在變形和應(yīng)力較為敏感的腳印區(qū)和影響區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行加密以提升計(jì)算精度,模型如圖6所示。

6-a 整體網(wǎng)格 6-b 腳印區(qū)局部網(wǎng)格圖6 模型網(wǎng)格Fig.6 Model mesh

2.2 擬靜力計(jì)算方法

擬靜力計(jì)算方法主要將樁靴貫入—拔出過(guò)程對(duì)土體的擾動(dòng)由動(dòng)力簡(jiǎn)化為靜力算法,并將擾動(dòng)前的樁靴承載力和擾動(dòng)后的承載力進(jìn)行對(duì)比,量化承載力的影響程度。計(jì)算總體分為兩個(gè)模型,包含土體未擾動(dòng)計(jì)算模型和土體擾動(dòng)計(jì)算模型。其中土體未擾動(dòng)模型計(jì)算步驟為：

(1)初始地應(yīng)力平衡分析。用于計(jì)算土體初始應(yīng)力場(chǎng)。

(2)樁靴承載力計(jì)算分析。給予已在位臨近樁靴豎向位移模擬貫入,得到樁靴貫入阻力與貫入位移曲線,得到在目標(biāo)貫入深度h時(shí)的樁靴承載力。

土體擾動(dòng)模型分析步驟：

(1)初始地應(yīng)力平衡分析。用于計(jì)算土體初始應(yīng)力場(chǎng)。

(2)卸荷分析。此步驟模擬樁靴貫入—拔出對(duì)土體的擾動(dòng),采用表3所示的方法,對(duì)腳印區(qū)、影響區(qū)進(jìn)行土體參數(shù)折減,模擬孔穴的影響。

(3)樁靴承載力分析。對(duì)已在位樁靴進(jìn)行下壓至目標(biāo)h深度,得到樁靴貫入阻力和貫入位移關(guān)系,分析得到已在位樁靴的承載力,并與土體未擾動(dòng)模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,得到承載力折減規(guī)律。

根據(jù)以上步驟設(shè)計(jì)了6個(gè)組次的計(jì)算工況,如表4所示。

表4 計(jì)算工況Tab.4 Calculation condition

2.3 結(jié)果分析

以表4中B-5組次L/D=1的計(jì)算結(jié)果為例,給出了樁靴貫入阻力-位移曲線,如圖7所示。

圖7 貫入阻力-貫入深度曲線Fig.7 Penetration resistance-displacement curve

圖7的結(jié)果顯示,在相同位移條件下,樁靴插拔過(guò)程對(duì)已在位樁靴的承載力影響顯著。為了量化其影響程度,定義樁靴承載力折減率為η,可按照下式計(jì)算

(1)

式中：P0為樁靴插拔前已在位樁靴承載力;P1為樁靴插拔后已在位樁靴承載力。

利用式(1)將表4中計(jì)算工況結(jié)果進(jìn)行匯總,得到不同間距L/D條件下臨近樁靴在目標(biāo)貫入深度h時(shí)的樁靴承載力折減率,結(jié)果繪制如圖8、圖9所示。

8-a A-1、A-2、A-3組 8-b B-4、B-5、B-6組圖8 折減率η與相對(duì)貫入深度H/h關(guān)系Fig.8 The relationship between η and the relative depth H/h

9-a A-1、A-2、A-3組 9-b B-4、B-5、B-6組圖9 折減率η與相對(duì)間距L/D關(guān)系Fig.9 The relationship between η and the relative spacing L/D

通過(guò)分析強(qiáng)度折減率η與相對(duì)間距L/D關(guān)系可知,折減率η隨相對(duì)貫入深度H/h的增加而增大,即樁靴貫入深度越小,樁靴承載力的影響程度越小;折減率η隨兩樁靴的相對(duì)間距L/D的增大而減小,即樁靴插拔位置距已在位樁靴越遠(yuǎn),樁靴承載力的影響程度越小,相對(duì)間距L/D超過(guò)2.0時(shí),折減率η小于1%,影響可忽略不計(jì)。

3 土體參數(shù)影響分析

3.1 土體初始強(qiáng)度的影響

以樁靴D=7 m、H=9.4 m、樁靴間距L/D=1的算例分析初始土體強(qiáng)度參數(shù)的影響,土體選取為砂土,采用內(nèi)摩擦角φ為25°、30°、35°、40°四種工況,其他參數(shù)均相同。經(jīng)計(jì)算得到不同摩擦角下樁靴承載力折減率變化規(guī)律如表5所示。

表5 不同摩擦角的計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation results of different friction angles

由表5中結(jié)果可知,在樁靴插拔的擬靜力數(shù)值模擬方法中,土體內(nèi)摩擦角為25°～40°時(shí),樁靴承載力隨土體內(nèi)摩擦角增加,樁靴承載力折減率隨內(nèi)摩擦角增大。

3.2 腳印區(qū)折減率的影響

擬靜力算法中樁靴插拔過(guò)程形成的土體孔穴采用土體參數(shù)折減模擬,忽略了實(shí)際樁靴插拔時(shí)土體的位移、卸荷、回流等過(guò)程,但其折減率無(wú)法如影響區(qū)中可以采用試驗(yàn)測(cè)得,因此其參數(shù)選取對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響存在不確定性,為此對(duì)腳印區(qū)折減率的影響開(kāi)展分析。

分別計(jì)算樁靴腳印區(qū)土體參數(shù)降低率為0%、20%、40%、60%和80%時(shí)的樁靴承載力折減規(guī)律,土體影響區(qū)參數(shù)分別對(duì)應(yīng)按比例設(shè)置,結(jié)果如圖10及表6所示。劉潤(rùn)等[21-22]的模型試驗(yàn)曲線如圖11所示。

表6 不同土體參數(shù)降低率對(duì)應(yīng)承載力折減率Tab.6 Reduction rate of bearing capacity with different reducing rate of soil parameters

圖10 不同土體參數(shù)降低率貫入阻力-貫入深度曲線Fig.10 Resistance-depth curve with different reducing rate of soil parameters

圖11 模型試驗(yàn)中貫入阻力-貫入深度曲線Fig.11 Penetration resistance-displacement curve in the test

由表6結(jié)果可知,樁靴承載力折減率隨樁靴腳印區(qū)土體參數(shù)降低率增加。對(duì)比圖10和圖11可知,當(dāng)樁靴插拔腳印區(qū)降低率為40%時(shí),其結(jié)果與劉潤(rùn)等[21-22]、張海洋等[24-25]的模型試驗(yàn)結(jié)果最為接近,因此擬靜力算法中建議采用40%的腳印區(qū)強(qiáng)度折減率。

4 結(jié)論

本文針對(duì)鉆井船樁靴插拔對(duì)臨近樁靴承載力產(chǎn)生不利影響的問(wèn)題,開(kāi)展數(shù)值模擬研究,主要結(jié)論如下：

(1)基于PLAXIS軟件建立了考慮土體參數(shù)折減的簡(jiǎn)化擬靜力分析法,并采用已有試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可靠性。

(2)樁靴承載力折減率η隨相對(duì)貫入深度H/h的增加而增大,即樁靴貫入深度越小,樁靴承載力的影響程度越小;折減率η隨兩樁靴的相對(duì)間距L/D的增大而減小,即樁靴插拔位置距已在位樁靴越遠(yuǎn),樁靴承載力的影響程度越小,相對(duì)間距L/D超過(guò)2.0時(shí),折減率η小于1%。

(3)樁靴承載力折減率隨樁靴腳印區(qū)土體參數(shù)降低率增加,砂土中樁靴腳印區(qū)土體強(qiáng)度的降低率宜取為40%。