沖樁對減緩自升式平臺重復(fù)插樁滑樁作用研究

摘" " 要：破壞遺留樁坑周邊原狀土可減緩自升式平臺重復(fù)插樁滑樁作用，采用物理模擬方法開展了某一代表性自升式平臺樁靴底部沖樁系統(tǒng)破土效果研究。研究結(jié)果表明，沖樁可有效破壞樁坑周邊原狀黏土，單個噴沖頭的最大有效破土半徑超過了1.5 m，最大噴沖深度在20 cm內(nèi)，同時(shí)揭示了沖樁時(shí)間、沖樁壓力、土體抗剪強(qiáng)度對沖樁破土效果的影響規(guī)律，并提出了一種新型插樁工藝，可提高重復(fù)就位作業(yè)效率。

關(guān)鍵詞：遺留樁坑；自升式平臺；平臺滑移；沖樁

Research on the role of leg jetting in relieving sliding risk of jack-up platform

during re-installation close to existing footprint

DENG Haifeng1， CHEN Jianqiang2， ZHANG Hongqiang3， QI Lei1

1. CNPC Research Institute of Engineering Technology， Tianjin 300451， China

2. Drilling Engineering Division of CPOE， Tianjin 300451， China

3. Exploration， Development and Construction Supervision Center of Jidong Oilfield Company， Tangshan 063000， China

Abstract：Destroying the undisturbed soil around the existing footprint relieves sliding risk during re-installation close to existing footprint. Physical simulation method was used to study soil-breaking effect of the leg jetting system at the bottom of the pile shoes of a typical jack-up platform. The results show that the leg jetting system can destroy the undisturbed clay around the existing footprint， with the maximum effective soil-breaking radius exceeding 1.5 m， and the maximum jetting depth within 0.2 m. Besides， how the jetting time， jetting pressure and soil shear strength act on the soil-breaking effect was revealed， with an innovative pile pitching process proposed， which can improve the efficiency of re-installation.

Keywords：existing footprint; jack-up platform; sliding risk; leg jetting

自升式平臺（帶樁靴）在老腳印處重復(fù)就位存在滑樁風(fēng)險(xiǎn)，可能造成樁腿等結(jié)構(gòu)損傷或破壞、平臺臨近導(dǎo)管架發(fā)生滑樁碰撞等安全事故，以及反復(fù)試踩而增加就位時(shí)間，甚至因難以滿足設(shè)計(jì)要求（井口全覆蓋），需要二次或多次就位而增加投資[1-2]。

針對在遺留樁坑處重復(fù)就位易滑樁問題，國內(nèi)外主要采用試踩法，輔以調(diào)整平臺重心和樁坑修復(fù)，以減小樁坑內(nèi)外土體特性差異，從而減小引起滑樁的不利荷載，減緩滑樁程度[3-4]。

由于試踩法工藝作業(yè)時(shí)間長，調(diào)整平臺中心對減緩滑樁效果不明顯，樁坑修復(fù)成本高，因此國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者[5-6]也在嘗試優(yōu)化或改變樁靴形式，并建立新型插樁工藝，包括將傳統(tǒng)的仿錐體樁靴形狀調(diào)整為新型六孔蓮蓬形樁靴、方形樁靴、平底樁靴、內(nèi)凹形樁靴等其他結(jié)構(gòu)形式，以降低滑移荷載，但目前僅限于理論分析，尚無工程應(yīng)用，且因改造難度大無法應(yīng)用到既有平臺上。

沖樁也被證明是解決滑樁問題的有效措施之一，長時(shí)間的高壓水流能對樁靴周圍土體產(chǎn)生“抹平”效果，具體的沖樁效果因噴沖壓力、噴沖時(shí)間和土質(zhì)情況而異，但目前尚未見該方面的詳細(xì)研究報(bào)道。

為明確沖樁對減緩自升式平臺重復(fù)插樁滑樁的實(shí)際效果，結(jié)合典型自升式平臺噴沖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能參數(shù)，開展了物理模擬試驗(yàn)研究，掌握了噴沖破土效果規(guī)律及其影響因素，對解決自升式平臺重復(fù)插樁滑樁問題具有重要的指導(dǎo)意義。

1" " 沖樁系統(tǒng)介紹

本文以中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司7號自升式平臺（以下簡稱“CPOE 7”）沖樁系統(tǒng)為例開展相關(guān)研究。該平臺每個樁靴（正八邊形，邊長3.52 m，型高1.56 m）底部分內(nèi)外兩層布設(shè)了12個噴沖頭，每層各6個，交叉布設(shè)，噴沖頭距離a=2.8 m、b=1.7 m、c=1.75 m，噴沖頭半徑R=8 cm，如圖1和圖2所示。

每個噴沖頭內(nèi)含有一個可伸縮的噴沖桿，未噴沖時(shí)，噴沖桿內(nèi)置于噴沖頭內(nèi)；噴沖時(shí)，噴沖桿從噴沖頭內(nèi)伸出，噴沖桿四周間隔90°設(shè)置1個噴射口，共4個噴射口，噴射口直徑1 cm，高壓水從噴射口射出時(shí)，水流方向與水平面的夾角近似為15°，如圖3所示。

沖樁系統(tǒng)設(shè)有一套主壓力管道，管道上設(shè)置了壓力控制閥，即最大注水壓力不超過2 MPa，海水從主壓力管道流向樁靴底部的12個噴沖頭，每個噴沖頭與主管道并聯(lián)連接。結(jié)合樁靴內(nèi)部管路布設(shè)方式和距離，考慮水頭損失，按照2 MPa沖樁壓力計(jì)算，進(jìn)而獲得每個噴沖頭的出水口壓力約為1.06 MPa。另外，噴沖水源為海水，因此噴沖時(shí)間不受限制。

2" " 沖樁破土試驗(yàn)研究

結(jié)合大港埕海油田場址海床下20 m深度范圍內(nèi)的典型工程地質(zhì)條件，采用物理模型試驗(yàn)方法開展沖樁系統(tǒng)破土效果模擬。

2.1" " 試驗(yàn)方案

為了考慮沖樁時(shí)間、壓力、土體抗剪強(qiáng)度對沖樁效果的影響，根據(jù)CPOE 7號平臺沖樁壓力參數(shù)、噴沖頭規(guī)格參數(shù)、大港埕海黏土特性，制訂了物理模型試驗(yàn)方案，見表1。

采用原型噴沖頭1：1等比例進(jìn)行破土效果模擬，即試驗(yàn)中采用的噴沖頭尺寸和實(shí)際平臺樁靴底部噴沖頭完全一致。受現(xiàn)場試驗(yàn)條件所限，最大噴沖壓力可達(dá)到1 MPa，與現(xiàn)場壓力范圍接近。土體抗剪強(qiáng)度范圍10 ～50 kPa，覆蓋了大港埕海區(qū)域海床面以下20 m深度內(nèi)的黏土強(qiáng)度范圍。

為了模擬沖樁時(shí)樁靴底部與土完全接觸的實(shí)況，設(shè)計(jì)加工了1m3正方體金屬箱，并將噴沖頭安裝在箱子底部中心位置。

2.2" " 試驗(yàn)過程

全部試驗(yàn)在室外完成，使用的設(shè)備和材料包括挖掘機(jī)、吊機(jī)、帶壓水罐、2 MPa壓力水泵、發(fā)電機(jī)、金屬箱、噴沖頭、噴沖管道、篩子、十字板剪切試驗(yàn)儀、三維掃描儀等。具體試驗(yàn)過程如圖4所示。

1）利用挖掘機(jī)挖3個土坑，3個土坑的長、寬均為2 m，既滿足噴沖頭不受邊界條件影響的要求，也便于在土坑內(nèi)進(jìn)行人工操作。第一個土坑深度1.8 m，坑底為軟黏土；第二個土坑深度1.2 m，坑底為可塑黏土；第三個土坑深度0.5 m，坑底為硬黏土；即土坑越深，土體強(qiáng)度越低。

2）由于第二個土坑底部土體強(qiáng)度與設(shè)計(jì)值20 kPa存在一定差距，因此利用篩子在現(xiàn)場篩出均質(zhì)土體后在坑內(nèi)制備土樣，使土體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值。其余土坑采用實(shí)際場地土層土體開展試驗(yàn)。

3）采用十字板剪切試驗(yàn)儀測試坑底部土體強(qiáng)度，3個坑內(nèi)土體抗剪強(qiáng)度分別為10 、20、50 kPa。

4）向噴沖頭內(nèi)部的噴沖桿上涂油，保證噴沖桿可在高壓水作用下從噴沖頭內(nèi)伸出。

5）安裝噴沖頭和噴沖管道，連接進(jìn)水管道。

6）將金屬箱放置在坑內(nèi)中心位置，靜置20 min后開始起泵噴沖。

7）噴沖操作結(jié)束后，將金屬箱移出坑外，觀察沖樁形成的噴沖溝形態(tài)，并采用米尺測量溝的平面尺寸和深度。

8）將噴沖溝內(nèi)的水全部清除后，在溝表面撒上細(xì)砂和面粉后，利用三維掃描儀掃測溝的幾何形態(tài)，并在處理軟件中計(jì)算破土體積，用于后續(xù)定量分析噴沖效果及其影響因素。

2.3" " 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1" " 試驗(yàn)結(jié)果

噴沖后土體被破壞形成的噴沖溝幾何形態(tài)近似為2個垂直相交的橢圓，隨著噴沖時(shí)間、壓力和土體抗剪強(qiáng)度的不同，溝的幾何形態(tài)參數(shù)略有差異，如圖5所示。

每次噴沖后對溝的幾何形態(tài)進(jìn)行測量，包括噴沖距離A、噴沖深度h、單個噴沖溝的寬度C，由于存在土體不完全均勻、箱子不完全水平等試驗(yàn)誤差，導(dǎo)致每個溝的尺寸略有差異，但差異在可接受范圍內(nèi)，采用三維掃描儀掃測完成后，將噴沖溝的幾何形態(tài)放到AutoCAD軟件中計(jì)算溝的總體積，現(xiàn)場測量和后期數(shù)據(jù)分析結(jié)果見表2。

2.3.2" " 試驗(yàn)結(jié)果分析

進(jìn)一步量化分析沖樁壓力、時(shí)間和土體強(qiáng)度對噴沖效果的影響。

2.3.2.1" " 沖樁壓力影響分析

如圖6所示，在土體抗剪強(qiáng)度為20 kPa、沖樁時(shí)間1 min條件下，隨著沖樁壓力的增加，水平向噴沖距離逐漸增加，二者近似呈線性關(guān)系；噴沖溝寬度C與沖樁壓力p呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，可表示為：

[C=0.354 6lnp?2.032 9]" （ 1 ）

沖樁壓力對噴沖溝深度影響較小，溝深度在0.15～0.18 m之間；噴沖破土體積V與沖樁壓力p近似呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，可表示為：

[V=0.012 6 e0.002 8p]" " （ 2 ）

2.3.2.2" " 沖樁時(shí)間分析

如圖7所示，在沖樁壓力為600 kPa、土體抗剪強(qiáng)度為20 kPa條件下，隨著沖樁時(shí)間t的增加，水平向噴沖距離A逐漸增加，二者近似呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，可表示為式（ 3 ）。

[A=1.117 lnt+1.009 3]" （ 3 ）

噴沖溝寬度C與沖樁時(shí)間t呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，可表示為式（ 4 ）。

[C=0.2147lnt+0.268 6]" "（ 4 ）

沖樁壓力p對噴沖溝深度h影響較小，溝深度在0.15～0.18 m之間；噴沖破土體積V與沖樁壓力p近似呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系，可表示為式（ 5 ）。

[V=0.292 lnt+0.061 9]" "（ 5 ）

可以看出，隨著噴沖時(shí)間的增加，噴沖溝的體積達(dá)到一個上限后會趨于穩(wěn)定。

2.3.2.3" " 土體抗剪強(qiáng)度影響分析

如圖8所示，在沖樁壓力為600 kPa、沖樁時(shí)間為1 min條件下，隨著土體抗剪強(qiáng)度S的增加，水平向噴沖距離A逐漸減小，二者近似呈二次函數(shù)多項(xiàng)式關(guān)系，可表示為式（ 6 ）。

[A=-0.002 S2+0.005 S+0.966 7]" （ 6 ）

隨著土體抗剪強(qiáng)度增加，噴沖溝寬度會有所降低，當(dāng)土體強(qiáng)度超過30 kPa時(shí)，噴沖溝寬度基本維持在0.22 m左右；土體抗剪強(qiáng)度越大，噴沖溝深度越小，二者近似呈線性關(guān)系；噴沖破土體積與土體強(qiáng)度也近似呈現(xiàn)線性關(guān)系。

2.3.3" " 試驗(yàn)成果應(yīng)用效果評價(jià)

根據(jù)以上實(shí)測數(shù)據(jù)和分析發(fā)現(xiàn)的試驗(yàn)規(guī)律，對于CPOE 7號平臺在大港埕海海域易出現(xiàn)滑樁的問題，可以采用沖樁的方式來減緩滑樁，降低平臺插樁安全風(fēng)險(xiǎn)。具體的操作建議為：

1）按照平臺設(shè)計(jì)就位位置進(jìn)行插樁試踩，若出現(xiàn)滑樁，則起拔樁腿后重新插樁，當(dāng)插樁深度達(dá)到上一次滑樁深度時(shí)，打開沖樁系統(tǒng)，主管道壓力設(shè)定為2 MPa；

2）沖樁系統(tǒng)啟動后，維持5 min后，使樁靴底部12個噴沖頭都開始正式噴沖，此時(shí)開始記錄噴沖時(shí)間，噴沖10 min后，停泵1 min后再啟動噴沖系統(tǒng)，此時(shí)各噴沖頭旋轉(zhuǎn)30°重新進(jìn)行噴沖；

3）按照步驟2再次完成噴沖后，停泵1 min后再啟動噴沖系統(tǒng)，此時(shí)各噴沖頭旋轉(zhuǎn)30°重新進(jìn)行噴沖，再噴沖10 min；

4）完成上述3次噴沖后，開始插樁，插樁深度設(shè)定為20 cm；

5）反復(fù)步驟1～4，間斷插樁20 cm，直至完全達(dá)到最終的插樁深度。

上述插樁工藝在大港埕海海域進(jìn)行了推廣應(yīng)用，CPOE 7號平臺在該區(qū)域遺留樁坑處重復(fù)插樁時(shí)，采用傳統(tǒng)試踩法進(jìn)行了插樁作業(yè)，試踩持續(xù)3 d，連續(xù)24 h作業(yè)，但依舊滑樁致使插樁位置偏離設(shè)計(jì)位置，隨后采用上述新型插樁工藝，在13 h內(nèi)完成了精確就位，應(yīng)用效果良好。

3" " 結(jié)束語

針對自升式平臺重復(fù)插樁易出現(xiàn)滑樁的問題，通過試驗(yàn)進(jìn)行了沖樁系統(tǒng)破土效果及其影響因素研究，得出如下結(jié)論。

1）沖樁可有效破壞樁坑周邊原狀黏土，單個噴沖頭的最大有效破土半徑超過了1.5 m，最大噴沖深度在20 cm內(nèi)，借助沖樁作業(yè)可大大提高重復(fù)就位效率，有效減緩滑樁，同時(shí)提出了一套基于沖樁操作的新型插樁工藝。

2）量化了沖樁壓力、沖樁時(shí)間和土體抗剪強(qiáng)度對沖樁破土效果的影響，具體應(yīng)用中可結(jié)合實(shí)際平臺沖樁功能參數(shù)、噴沖頭布置數(shù)量及位置、土體抗剪強(qiáng)度等具體條件，制定對應(yīng)的沖樁輔助插樁工藝，以提高作業(yè)效率，避免滑樁。

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作者簡介：

鄧海峰（1989—），男，吉林舒蘭人，工程師，2014年畢業(yè)于大連理工大學(xué)巖土工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事海洋地基與基礎(chǔ)研究和技術(shù)服務(wù)工作。Email：denghaifeng@cnpc.com.cn

收稿日期：2023-12-29