自升式鉆井平臺(tái)插樁深度探析＊

陳建強(qiáng),王建會(huì),李明海,張 梁

(中石油海洋公司鉆井事業(yè)部,天津 300280)

目前自升式鉆井平臺(tái)主要為樁靴式,樁端面積普遍很大,這已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了樁基礎(chǔ)的一般范疇,在應(yīng)用Terzaghi和Peck公式進(jìn)行插樁深度預(yù)測(cè)時(shí)所得的結(jié)果與實(shí)際插樁深度有較大出入。本文通過考慮樁靴尺寸,分析插樁過程中樁靴對(duì)地層物理力學(xué)性質(zhì)的影響,結(jié)合海調(diào)資料和平臺(tái)實(shí)際的插樁深度,運(yùn)用最小二乘法求得樁靴對(duì)地層承載力的影響系數(shù),從而對(duì)Terzaghi和Peck公式進(jìn)行修正,提高插樁深度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

1 插樁深度計(jì)算

自升式鉆井平臺(tái)以樁腿支撐平臺(tái)上部結(jié)構(gòu),提供軸向和橫向抗力。平臺(tái)的插樁深度與地層的極限承載力直接相關(guān),土質(zhì)條件(土的物理、力學(xué)性質(zhì))和樁靴的尺寸、形狀和埋深是影響地層承載力的主要因素。自升式平臺(tái)采用靜力壓載的方式(即平臺(tái)自重和壓載水重力)將樁腿插入海底面以下的土中,當(dāng)施加的基礎(chǔ)載荷等于或者大于地層的極限承載力時(shí)樁靴的貫入就會(huì)發(fā)生,直到土的極限承載力等于或者大于樁靴對(duì)土所施加的壓力為止。對(duì)于單樁極限承載力的計(jì)算常采用Terzaghi和Peck公式：

式中,qn為樁腳的單位面積極限承載力;r1為由樁腳排出土的平均有效重度;A為樁腳的最大平面積;V為樁腳的體積。

對(duì)于排水粒狀土：

結(jié)合工程地質(zhì)鉆孔及常規(guī)資料中提供的物理參數(shù),運(yùn)用Terzaghi和Peck公式對(duì)插樁深度進(jìn)行預(yù)測(cè),所得到的預(yù)測(cè)插樁深度往往比平臺(tái)實(shí)際的插樁深度大,分析原因有以下幾點(diǎn)：

1)由于砂土的原狀取樣技術(shù)的局限性,砂土在取樣、保存及運(yùn)輸過程中不可避免地要受到擾動(dòng),而且取樣過程本身就是一個(gè)卸荷過程,土體的原始性狀必然受到影響[1]。因此,土工實(shí)驗(yàn)測(cè)得的砂土內(nèi)摩擦角相比其真實(shí)內(nèi)摩擦角應(yīng)偏低。標(biāo)貫試驗(yàn)雖然在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行,試驗(yàn)時(shí)砂體上覆壓力驟減,標(biāo)貫試驗(yàn)過程中砂土發(fā)生振動(dòng)液化等,導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果所反映的土體強(qiáng)度低于其實(shí)際強(qiáng)度。

2)根據(jù)大直徑樁靴下砂層與原始地層的物理力學(xué)性質(zhì)的對(duì)比發(fā)現(xiàn),樁靴下地層的內(nèi)摩擦角、壓縮模量等參數(shù)有不同程度的提高[2]。在靜壓插樁過程中,隨著荷載的逐漸增加,樁靴下砂層在樁荷載作用下排水固結(jié),土的有效應(yīng)力提高,從而提高了樁靴下地層的承載力。

本文主要考慮第二個(gè)因素,進(jìn)而對(duì)Terzaghi和Peck公式進(jìn)行修正,下面就插樁過程中樁靴對(duì)地層物理力學(xué)性質(zhì)的影響進(jìn)行分析。

2 自升式平臺(tái)插樁及壓載分析

海上鉆井平臺(tái)插樁為靜力沉樁,即通過平臺(tái)自重及所加配重將樁腿壓入海底底土預(yù)定深度。

三腿獨(dú)立樁靴自升式平臺(tái)：一般壓載量(含拖航時(shí)攜帶的油水等可變載荷)要大于鉆井過程最大可變載荷量的1.5倍。正常操作程序一般又分為下面三個(gè)過程：第一步,初壓：平臺(tái)升離水面一定距離利用自身重量進(jìn)行初步壓載(均勻壓);第二步,輪番壓：1個(gè)樁腿1個(gè)樁腿地進(jìn)行輪番壓載,循環(huán)漸進(jìn),壓載水量按照操船手冊(cè)規(guī)定約為平臺(tái)重量的1/3(注：作業(yè)狀態(tài)各樁承受力不一樣,設(shè)計(jì)壓載量也不一樣)。第三步,整體壓：為確保壓載充分和提高可信度,再將全部壓載艙打滿水,觀察一定時(shí)間(企業(yè)安全規(guī)定24～36 h)無變化后方可排水升平臺(tái)作業(yè)。若大風(fēng)面臨到來,應(yīng)急情況下也可從第一步直接跨入第二步,簡(jiǎn)化程序,節(jié)省時(shí)間。

當(dāng)樁腿在靜壓力作用下貫入土層中時(shí),造成樁周土顆粒受到劇烈擠壓,使樁周土體產(chǎn)生變化,原狀土的初始應(yīng)力狀態(tài)受到破壞。首先是樁端土發(fā)生沖剪破壞,孔隙水在此沖剪擠壓作用下會(huì)形成不均勻水頭,產(chǎn)生超孔隙水壓力,擾動(dòng)了土體結(jié)構(gòu),這種破壞和擾動(dòng)將隨著樁的貫入不斷地向下傳遞,使樁周一定范圍內(nèi)的土體形成塑性區(qū),從而很容易使樁身繼續(xù)貫入。在實(shí)際中,插樁過程是對(duì)樁腿進(jìn)行輪番壓載,就單個(gè)樁腿而言是一個(gè)緩慢且不連續(xù)的過程,隨著載荷的逐漸增加和壓載過程的間斷,樁端土因沖剪破壞產(chǎn)生的超孔隙水壓力能夠較快的消散,樁靴下砂層在樁荷載作用下排水固結(jié),土的抗剪強(qiáng)度及有效應(yīng)力逐步恢復(fù)和提高,地層的內(nèi)摩擦角、壓縮模量等參數(shù)都會(huì)有不同程度的提高,樁靴下的地層將會(huì)體現(xiàn)出較高的承載能力。因此在計(jì)算插樁深度時(shí),應(yīng)考慮樁靴對(duì)地層承載力的影響,對(duì)于這種影響,下面引入樁靴影響系數(shù)。

3 樁靴影響系數(shù)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)可以發(fā)現(xiàn),樁靴式自升式平臺(tái)的樁端面積普遍很大,(如中油海5、6、7樁靴面積為70.12 m2,中油海9、10為158.54m2)。筆者認(rèn)為樁靴面積越大,在插樁過程中對(duì)原始地層物理力學(xué)性質(zhì)的影響越大,壓實(shí)作用越明顯,地層承載能力提高越多,而隨地層深度的增加,樁靴對(duì)地層的壓實(shí)作用將逐步減小。這些影響都可在地層內(nèi)摩擦角上體現(xiàn),下面用公式表示如下：

式中,φ′為地層受樁靴壓實(shí)作用后的內(nèi)摩擦角;φ為地層原始內(nèi)摩擦角;B為樁靴當(dāng)量直徑;D為樁腳入泥深度;k為樁靴影響系數(shù)(無量綱)。

通過對(duì)已有海調(diào)資料的分析,結(jié)合平臺(tái)的實(shí)際插樁深度(表1),運(yùn)用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,進(jìn)而得到樁靴影響系數(shù)k。中油海5、6、7平臺(tái)基本參數(shù)：樁靴面積70.12 m2,正八邊形;單樁壓載負(fù)荷為3 354.67 t。

表1 平臺(tái)實(shí)際插樁數(shù)據(jù)(南堡油田海域)Table 1 The actual penetration depths of the platform footing tip(Nanpu Oilfield A rea)

通過M atlab軟件進(jìn)行最小二乘擬合,得到樁靴影響系數(shù)k=0.153 4,地層單樁極限載荷的殘差分別為917.8,-2010,1 661.4 kN。下面用中油海5平臺(tái)在南堡1-80井(井位土層強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù)見表2)的插樁數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)算。

表2 南堡1-80井位土層強(qiáng)度設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 The design parameters for soil strength at the Nanpu 1-80 w ell

考慮樁靴對(duì)地層承載力的影響,在計(jì)算插樁深度時(shí)引入樁靴影響系數(shù),當(dāng)計(jì)算樁靴入泥深度D=10.78m時(shí),達(dá)到地層單樁極限載荷,且滿足插樁安全性要求,此時(shí)樁腳處地層內(nèi)摩擦角為φ′=20.6°(地層原始內(nèi)摩擦角φ=18°)。中油海5平臺(tái)在此地三樁腿的實(shí)際插樁深度分別為9.5,9.5,10.4m,與預(yù)測(cè)插樁深度基本一致。

4 結(jié) 論

本文分析了插樁過程中土體的壓實(shí)作用對(duì)地層承載力的影響,提出了計(jì)算插樁深度時(shí)考慮樁靴對(duì)地層承載力影響的計(jì)算方法,并通過已有的海調(diào)資料和平臺(tái)實(shí)際插樁深度得到了樁靴尺寸對(duì)地層承載力的影響系數(shù),從而對(duì)Terzaghi和Peck公式進(jìn)行修正,通過驗(yàn)算所得的計(jì)算結(jié)果更加接近于實(shí)際插樁深度,因此在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的指導(dǎo)意義。但在不同區(qū)塊的地層具有不同特點(diǎn),樁靴影響系數(shù)也不相同,因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合該區(qū)塊的平臺(tái)插樁歷史資料,找到合適的樁靴影響系數(shù),才能對(duì)插樁深度進(jìn)行更好的預(yù)測(cè)。

[1] 劉劍濤,吳文峰,蔣寶凡.自升式鉆井船插樁深度預(yù)測(cè)[J].中國造船,2007,48(增刊)：317-322.

[2] 陶常飛,吳建政,亓發(fā)慶,等.曹妃甸淺灘表層砂體插樁深度研究[J].海岸工程,2008,27(4)：54-59.