自升式平臺插拔樁對鄰近樁靴影響的研究

劉賢玉，王 巍，董志滟，趙寶祥，王成龍，陳 力

1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057

2.中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院，山東東營 257000

自升式鉆井平臺在進行海上鉆修井作業(yè)時，主要依靠樁腿底部的大直徑樁靴貫入到泥面下一定深度來固定；鉆修井作業(yè)結(jié)束后，拔出貫入海床土中的樁靴，繼續(xù)拖航到下一工作地點。渤海海域自升式鉆井平臺鉆修井作業(yè)時，由于附近存在既有井口平臺，此時樁靴的插拔過程不可避免地對周圍井口平臺的樁靴基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響，嚴重時會導(dǎo)致周圍井口平臺發(fā)生傾斜甚至傾覆，造成嚴重的工程事故，因此有必要分析樁靴插拔過程對鄰近樁靴承載力的影響，并提出相應(yīng)對策。

1 樁靴插拔問題研究現(xiàn)狀

在現(xiàn)行規(guī)范中，目前對于樁靴插拔的研究主要集中在樁靴插樁承載力或自升式平臺樁腿的穩(wěn)定性，對于樁靴插拔對鄰近樁靴的影響研究甚少[1]。SY/T 6707—2008《海洋井場調(diào)查規(guī)范》[2]僅給出了樁靴貫入過程的極限承載力計算方法，未考慮土體回流。SNAME 中對樁靴的貫入過程中周圍土體回流及孔穴高度有所提及，但對該問題的影響沒有具體展開討論[3]。

在數(shù)值模擬研究方面，對于樁靴插拔問題的模擬主要是關(guān)于樁靴承載能力、貫入深度、基礎(chǔ)穩(wěn)定性、回流孔穴計算等研究，但大多是基于黏土，針對砂土中樁靴的相關(guān)研究較少。針對砂土地基，多集中于導(dǎo)管架平臺樁靴靴插拔對鄰近樁靴基礎(chǔ)承載力影響的研究。因此，開展針對砂土中自升式平臺插拔樁對鄰近樁靴影響的研究意義重大[4-8]。

在試驗研究方面，在與砂土地基承載特性相關(guān)的試驗研究中，對分層土樁靴穿刺問題開展了廣泛的研究，而針對單一砂土層開展的模型試驗較少[9-12]。因此，有必要針對砂土地基開展地基承載特性試驗研究，分析樁靴插拔對鄰近樁靴承載力的影響。

2 樁靴插拔對鄰近樁靴影響的二維數(shù)值研究

通過Plaxis 2D 建立兩種不同土體數(shù)值模型進行計算。

2.1 均質(zhì)土中的數(shù)值模擬

為避免邊界效應(yīng)對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，土體高度取5倍鉆井平臺樁靴直徑（D=16 m），即80 m，土體長度應(yīng)盡可能長，為減少計算量，土體長度取170 m，可滿足鉆井平臺樁靴和井口平臺樁靴距離為2D 時，樁靴周圍土體直徑大于樁靴直徑5 倍的要求，整個土體均為砂土。土體模型如圖1 所示，為確保土體開挖后不會垮塌，對土體進行放坡，放坡角取土體的內(nèi)摩擦角，為34o。樁靴選用彈性本構(gòu)模型，彈性模量取3×108MPa，泊松比為0.15。土體本構(gòu)采用摩爾-庫倫彈塑性模型，土體模型參數(shù)如表1所示。

圖1 Plaxis均質(zhì)土計算模型

表1 土體模型參數(shù)

固定樁靴在位深度為9.4 m，考慮兩個樁靴間距分別為0.25D、0.5D、1D、1.5D、2D，坑深分別為0、3、6、9.4、12、15 m的情況。

用板單元模擬樁靴，板的寬度為鉆井平臺的樁靴高度，為7 m。計算過程中設(shè)置兩個分析步，第一步中凍結(jié)相應(yīng)深度土體，形成開挖坑，模擬插拔過后強度失效的土體；第二步給樁靴一定的豎向位移，從力-位移曲線得出其承載力。通過Plaxis 2D 后處理提取各個工況下樁靴的豎向承載力，以每個間距開挖深度為0 m 時的井口平臺樁靴承載力為基準，得出不同間距、不同開挖深度下樁靴承載力折減率曲線，如圖2所示。

圖2 均質(zhì)土中樁靴承載力折減率曲線

從圖2 可以看出，對同一間距，開挖深度越大，承載力折減率越大，樁靴間距為0.25D 時，開挖15 m，樁靴的承載力折減率最大，可達53.41%，開挖深度為3 m 時，樁靴的承載力折減5.83%。隨著間距的增加，開挖深度對折減率的影響逐漸變小。對同一開挖深度，間距越小，承載力折減率越大，尤其是對開挖深度為12、15 m的情況。

樁靴間距為0.25D，開挖深度6 m 以內(nèi)；間距0.5D、1D，開挖深度9.4 m 以內(nèi)；間距1.5D，開挖深度12 m 以內(nèi)；間距2D，開挖深度15 m 以內(nèi)；上述幾種情況樁靴的承載力折減率均未超過10%，如果樁靴承載力在設(shè)計時留有超過10%的安全儲備，則鉆井平臺在這些間距和深度內(nèi)插拔，不會對井口平臺造成影響。

樁靴間距為0.25D、1.5D、2D 時，部分開挖深度的土體位移云圖與應(yīng)力云圖如圖3～圖5所示。由圖3～圖5可知，開挖坑產(chǎn)生后，土體的位移場會改變，土體的位移以開挖坑為中心，以環(huán)形向外擴散，井口平臺樁靴會產(chǎn)生沉降，離開挖坑越近，沉降就越大；開挖坑深度越大，即鉆井平臺插拔深度越深，井口平臺樁靴沉降就越大。從圖5 得知，當(dāng)樁靴間距為2D 時，樁靴插拔對其產(chǎn)生的位移小于0.004 m，位移較小，鉆井平臺樁靴插拔對井口平臺樁靴的沉降不會產(chǎn)生影響。

圖3 間距0.25D土體變形云圖

圖4 間距1.5D土體變形云圖

圖5 間距2D土體變形云圖

2.2 成層土中的數(shù)值模擬

在實際場址，上層主要為黏土，下層為密實砂土或密實的砂質(zhì)粉土，為提高計算效率，進一步簡化為上下兩層土，上部9.4 m 為黏土，下部20.6 m 為砂土，成層土中鉆井平臺樁靴模型的建立和取值與均質(zhì)土一致，成層土計算模型如圖6 所示，參數(shù)如表2所示。

圖6 成層土計算模型

表2 成層土體模型參數(shù)

計算過程中設(shè)置兩個分析步，第一步中凍結(jié)相應(yīng)深度土體，形成開挖坑，模擬插拔過后強度失效的土體；第二步給樁靴一定的豎向位移，通過Plaxis 2D 后處理提取各工況下的樁靴豎向承載力，以每個間距開挖深度為0 m 時的承載力為基準，得出不同間距、不同開挖深度下樁靴承載力折減率曲線，如圖7所示。

圖7 成層土中樁靴承載力折減率曲線

從圖7 可以看出，對同一間距，開挖深度越大，承載力折減率越大，樁靴間距為0.25D 時，開挖15 m，樁靴的承載力折減率最大，可達53.41%，開挖深度為3 m，樁靴的承載力折減5.83%。隨著間距的增加，開挖深度對折減率的影響逐漸變小。對同一開挖深度，間距越小，承載力折減率越大，尤其是對開挖深度為12、15 m的情況，

樁靴間距為0.25D、1.5D、2D，開挖深度6 m以內(nèi)；間距1.5D，開挖深度12 m 以內(nèi)；間距2D，開挖深度15 m 以內(nèi)；以上各種情況井口平臺樁靴承載力折減率均未超過10%，如果樁靴承載力在設(shè)計時留有超過10%的安全儲備，則鄰近鉆井平臺在這些間距和深度內(nèi)插拔，不會對井口平臺造成影響。由此可見，成層土中樁靴承載力折減率與均質(zhì)土中樁靴承載力折減率趨勢相同。

樁靴間距為0.25D、1.5D、2D 時，部分開挖深度的土體位移云圖與應(yīng)力云圖如圖8～圖10 所示。

圖8 間距0.25D時土體變形云圖

圖9 間距1.5D土體變形云圖

從圖3～圖5 及圖8～圖10 可以看出，成層圖中土體變形情況和均質(zhì)土中一致，開挖坑產(chǎn)生后，土體的位移場會改變，土體的位移以開挖坑為中心，以環(huán)形向外擴散，井口平臺樁靴會產(chǎn)生沉降，離開挖坑越近，沉降就越大；開挖深度越大，即鉆井平臺插拔深度越深，井口平臺樁靴沉降就越大。從圖10 可以看出，當(dāng)樁靴間距為2D 時，開挖對其產(chǎn)生的位移小于0.01 m，可以認為樁靴間距大于2D 時，鉆井平臺樁靴插拔對井口平臺樁靴的沉降不會產(chǎn)生影響。

3 樁靴插拔對樁靴承載力影響的三維數(shù)值研究

采用巖土有限元計算軟件Plaxis 3D 建模來處理土體變形問題，通過建立鉆井平臺樁靴與井口平臺樁靴不同間距及不同插拔深度的有限元分析模型，分析鉆井平臺樁靴插拔對井口平臺樁靴承載力的影響。根據(jù)工程資料，井口平臺的設(shè)計在位深度為9.4 m，分析兩個樁靴間距分別為0.25D、0.5D、1D、1.5D，坑深分別為0、6、9.4、12 m 的情況。

通過建立三維有限元模型，與無插拔條件下樁靴承載力進行對比，得到不同間距及不同插拔深度下的井口平臺樁靴承載力折減率，如圖11 所示。三維有限元模型中樁靴承載力折減率與二維有限元模型中樁靴承載力折減率趨勢基本相同。

圖11 樁靴承載力折減率曲線

圖12～圖14 分別為樁靴間距0.25D、1D、1.5D時，鉆井平臺樁靴插拔深度為6、12 m 時，樁靴插拔對地基土體內(nèi)部變形影響情況。

圖12 間距0.25D時土體內(nèi)部變形情況

圖13 間距1D時土體內(nèi)部變形情況

圖14 間距1.5D時土體內(nèi)部變形情況

通過對比可知，隨著鉆井平臺樁靴插拔作業(yè)深度的增加，對地基內(nèi)部土體變形在深度上影響范圍也在增大。樁靴間距1D范圍內(nèi)，開挖對地基產(chǎn)生的位移大于0.01 m，1D范圍之外，開挖對地基產(chǎn)生的位移量逐漸減小，因此，樁靴插拔在地基內(nèi)部土體的影響范圍集中在樁靴周圍1D 范圍內(nèi)，當(dāng)井口平臺位于鉆井平臺樁靴1D 范圍之外，鉆井平臺樁靴的插拔作業(yè)對井口平臺樁靴基礎(chǔ)影響較小。

二維和三維數(shù)值模擬的結(jié)果均表明，受鉆井平臺樁靴插拔的影響，井口平臺樁靴承載力的下降幅度隨著距鉆井平臺樁靴距離的減小及樁靴插入深度的增加而增加。

分析樁靴插拔對周圍土體影響，三維數(shù)值分析結(jié)果顯示土體受樁靴插拔擾動的影響范圍集中在樁靴間距1D范圍內(nèi)，1D范圍之外影響較?。欢S數(shù)值分析的結(jié)果表明土體受影響區(qū)域主要在樁靴間距1.5D 范圍內(nèi)，此影響范圍結(jié)果較三維數(shù)值模擬結(jié)果偏大，是因為二維數(shù)值分析是用開挖坑等效鉆井平臺樁靴插拔過后完全喪失強度的土體，沒有考慮土體殘余強度以及樁靴插拔過程中土體的回流，故其結(jié)果偏于保守。

4 樁靴插拔的模型試驗研究

4.1 試驗設(shè)計

為測定樁靴在鄰近樁靴插拔前后其豎向承載力的變化，以及監(jiān)測試驗過程中樁靴的插拔阻力，在飽和砂土中開展樁靴插拔過程對鄰近樁靴承載力影響的小比尺模型試驗，試驗比尺為1：100。試驗用砂土采用70～140 目福建西峰標準砂，依據(jù)SL 237—1999《土工試驗規(guī)程》[13]規(guī)定，對干砂進行相對密度試驗，對填入試驗箱的飽和濕砂進行直剪試驗和固結(jié)試驗。試驗裝置如圖15所示。

圖15 模型試驗裝置

根據(jù)理論研究和數(shù)值模擬的初步研究結(jié)果，本試驗取0.5D、1D、1.5D 三種樁靴間距進行試驗，每種間距下依次進行井口平臺樁靴貫入、鉆井平臺樁靴貫入/拔出、井口平臺樁靴二次貫入三步操作，樁靴以0.1 mm/s的速度勻速貫入，預(yù)定貫入深度94 mm。

4.2 試驗結(jié)果分析

通過試驗得到：井口平臺樁靴以0.1 mm/s的速度勻速貫入，貫入阻力隨貫入深度增加，二者近似為線性關(guān)系。當(dāng)貫入深度達到預(yù)定94 mm時，此貫入阻力達到最大為650 N。

鉆井平臺樁靴以0.1 mm/s的速度勻速貫入，在貫入過程中貫入阻力隨貫入深度增加而增加，二者近似為線性關(guān)系。當(dāng)樁靴貫入到預(yù)定深度94 mm時，此時貫入阻力達到最大為3 450 N。貫入完成后保持加載裝置不動，貫入阻力逐漸減小，趨于穩(wěn)定值。再將樁靴以0.1 mm/s速度勻速上拔，樁靴貫入阻力急劇減小。

插拔后，再次將井口平臺樁靴以0.1 mm/s的速度勻速貫入，過程中貫入阻力隨貫入深度增大，且非線性增加。二次貫入時樁靴將從初始預(yù)定深度繼續(xù)向下貫入，工程中一般取二次貫入深度為0.05倍樁靴直徑時的貫入阻力為此深度的樁靴承載力，三種間距二次貫入后地基承載力如表3所示。

表3 不同間距插拔前后承載力隨深度變化

由模型試驗結(jié)果可知：

1）在三種間距情況下，預(yù)定貫入深度處的樁靴承載力小于這一間距的最大貫入阻力，則樁靴承載力發(fā)生折減；

2）承載力折減率隨樁靴間距增大而減小。

5 結(jié)論

1）通過在均質(zhì)土和成層土中的模擬，得出鉆井平臺樁靴插拔會減小鄰近的井口平臺樁靴的承載力，鉆井平臺樁靴插拔深度越大，鄰近的井口平臺樁靴承載力減小得越多；鉆井平臺樁靴和井口平臺樁靴間距越小，鉆井平臺樁靴插拔對井口平臺樁靴承載力減小得越多。

2）通過利用Plaxis3D 建立的分析模型考慮了不同鉆井平臺樁靴插拔位置對鄰近的井口平臺樁靴承載力的影響，探究了其影響規(guī)律。根據(jù)目前的研究成果，樁靴插拔深度越大，引起周圍土體變形越明顯，在樁靴間距1D 范圍內(nèi)影響較大，在1D范圍外影響較小。

3）通過試驗可知，鉆井平臺樁靴插拔會造成周圍土體變形，影響鄰近井口平臺樁靴承載力，承載力較樁靴未插拔前發(fā)生折減。井口平臺樁靴承載力折減率隨著間距的增大而降低。