何啟洪, 賴 禺,周松望

(1. 中海石油(中國)有限公司恩平油田群聯(lián)合開發(fā)項(xiàng)目組，廣東 深圳 518067; 2. 中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300451)

鉆井船插樁對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)群樁影響的CEL有限元分析

何啟洪1, 賴 禺1,周松望2

(1. 中海石油(中國)有限公司恩平油田群聯(lián)合開發(fā)項(xiàng)目組，廣東 深圳 518067; 2. 中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300451)

采用CEL大變形非線性有限元方法并結(jié)合非線性地基梁模型對(duì)海洋石油941鉆井船在番禺10-2平臺(tái)鉆井插樁時(shí)對(duì)鄰近導(dǎo)管架平臺(tái)群樁的影響進(jìn)行了分析，并得到以下結(jié)論：1)鉆井船插樁過程中，樁身最大位移及出現(xiàn)的位置隨鉆井船插樁深度增加而下移且鉆井船插樁位置與群樁距離越近，對(duì)樁的影響越大；2)在插樁過程中，樁身最大彎矩出現(xiàn)的位置與樁身最大位移出現(xiàn)的位置一致，而樁身最大剪力出現(xiàn)的位置較樁身最大彎矩出現(xiàn)的位置偏下；3)與沒有插樁影響的群樁相比，樁身最大彎矩與樁身最大剪力明顯增加。

鉆井船插樁；導(dǎo)管架平臺(tái)；插樁影響；CEL方法；群樁基礎(chǔ)

Abstract: The CEL FEM and nonlinear foundations beam model are used to analyze the horizontal effects of the spudcan penetation of Haiyangshiyou 941 Jack-up Rig on piles of the jacket platform in PY10-2 oil field. The conclusions are as follows: 1) The maximum pile displacement and the depth of the maximum pile displacement increase with the process of spudcan penetration. The closer the distance of the spudcan and piles is, the greater the effect is; 2) During the spudcan penetration, pile head is the maximum moment positon and the position of the maximum moment of pile is consistent with the position of the maximum displacement of pile. The position of the maximum combined shear force is deeper than that of the maximum moment; 3) Consistant with the piles without the effect of penetration, the maximum moment and the maximum displacement increase evidently.

Keywords: spudcan penetration; jacket platform; effects of the spudcan penetration; CEL method; pile group

近年來，隨著我國海洋油氣開發(fā)場(chǎng)址水深的增加，鉆井船進(jìn)行鉆井或修井作業(yè)時(shí)，其就位插樁對(duì)鄰近導(dǎo)管架平臺(tái)樁基的影響問題日趨明顯。美國輪機(jī)與造船工程師學(xué)會(huì)(SNAME)關(guān)于鉆井船插樁的規(guī)范規(guī)定[1]，當(dāng)鉆井船樁靴與鄰近平臺(tái)樁之間間距小于1倍樁靴直徑時(shí)，就需要評(píng)價(jià)鉆井船插樁對(duì)鄰近平臺(tái)樁安全性的影響。

鉆井船插樁時(shí)，與其相鄰最近的平臺(tái)鋼樁沿樁身將會(huì)受到插樁擠土導(dǎo)致的水平方向擠土力作用，評(píng)價(jià)鉆井船插樁對(duì)鄰近平臺(tái)鋼樁影響的實(shí)質(zhì)是能夠分析插樁擠土力引起的樁身附加彎矩和剪力。目前可能用于評(píng)價(jià)鉆井船插樁對(duì)鄰近平臺(tái)樁影響的一種方法是能夠進(jìn)行非線性大變形問題分析的耦合歐拉-拉格朗日有限元數(shù)值仿真方法[2](以下簡稱CEL有限元方法)。已有研究表明[3]，利用該法分析鉆井船在單一黏土層、砂土層中插樁時(shí)，可以得到與離心模型試驗(yàn)結(jié)果基本吻合的插樁阻力曲線。文獻(xiàn)[4]的研究表明，利用該法分析鉆井船在單一黏土層中插樁對(duì)鄰近一根鋼管樁影響時(shí)，計(jì)算出的樁身彎矩與離心模型試驗(yàn)結(jié)果相比也比較一致。為此，本文利用CEL有限元方法并結(jié)合非線性地基梁模型[5]，分析海洋石油941鉆井船插樁對(duì)番禺10-2導(dǎo)管架平臺(tái)樁基的影響。

1 問題簡介與CEL有限元模型

番禺10-2導(dǎo)管架平臺(tái)位于中國南海珠江口盆地，距香港東南約175 km。導(dǎo)管架平臺(tái)的基礎(chǔ)為4腿的8群樁基礎(chǔ)，每組群樁由兩根打入泥面以下96 m的鋼樁組成，鋼樁外徑2.438 m。兩根樁的間距7.071 m，布置見圖1。941鉆井船在番禺10-2就位鉆井作業(yè)時(shí)，需要將直徑18 m的樁靴貫入泥面以下15 m深的土層；按照?qǐng)D1給出的鉆井船插樁與平臺(tái)鋼樁之間的相對(duì)位置可知，鉆井船樁靴邊緣距最近的平臺(tái)鋼樁A外緣僅5.3 m，遠(yuǎn)小于1倍的樁靴直徑，因此，須分析鉆井船就位插樁時(shí)，對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)鋼樁甚至平臺(tái)安全的影響。

使用ABAQUS數(shù)值仿真分析軟件建立有限元模型時(shí)，參考已有的研究[4]，水平方向的計(jì)算邊界取66 m，豎直方向計(jì)算邊界取100 m，在泥面以下20 m深度范圍內(nèi)的土體采用歐拉單元EC3D8R進(jìn)行離散，以模擬插樁過程中樁靴周圍土體的大變形流動(dòng)性態(tài)，綜合考慮計(jì)算效率及計(jì)算精度，此部分單元的網(wǎng)格尺度為2 m。20 m至100 m范圍內(nèi)的土體采用拉格朗日8結(jié)點(diǎn)實(shí)體單元C3D8R進(jìn)行離散。另外，在泥面以上沿豎直方向10 m范圍內(nèi)，設(shè)置了EC3D8R歐拉空穴單元，以模擬鉆井船插樁過程中土體的隆起與回淤。為保證計(jì)算效率，按照等效抗彎剛度的原則，將鋼管樁轉(zhuǎn)換為實(shí)體樁，也采用拉格朗日8結(jié)點(diǎn)實(shí)體單元C3D8R對(duì)樁進(jìn)行離散，兩根樁的樁頭采用一個(gè)剛性板連接，在板的頂部設(shè)置一轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧，彈簧的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度由給定工況的樁頭彎矩與轉(zhuǎn)角的比值確定，經(jīng)計(jì)算，轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為8.14×106kN·m，以模擬上部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)對(duì)群樁樁頭的彈性約束條件，以下將這組群樁稱為受影響群樁。為了考慮其它3組群樁的支撐作用，用3組滿足p-y關(guān)系的非線性地基梁模擬其它3組群樁的作用，且在樁頭用剛性桿與受影響群樁相連，以下將這3組群樁稱為支撐樁。圖2是按上述原則建立的CEL有限元計(jì)算模型。為以下分析方便，定義沿影響樁連線方向?yàn)閤方向，垂直于影響樁連線方向?yàn)閥方向，如圖1所示。

圖1 樁靴與鄰近樁基的位置分布示意Fig. 1 The layout of spudcan and adjacent piles

圖2 CEL有限元計(jì)算模型Fig. 2 The CEL FEM calculation model

2 CEL有限元分析中的計(jì)算參數(shù)

表1給出了番禺10-2平臺(tái)場(chǎng)地的土層分布。在CEL有限元分析中，利用理想彈塑性本構(gòu)模型描述土層的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。理想彈塑性模型包括三個(gè)基本參數(shù)：彈性模量、泊松比與屈服強(qiáng)度。計(jì)算中黏土層和砂土的泊松比分別取為0.49和0.3，且按摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)強(qiáng)度準(zhǔn)則確定屈服強(qiáng)度。

按下述方法確定土體的等效彈性模量：

1)利用非線性地基梁模型，依據(jù)p-y數(shù)據(jù)，見表2，計(jì)算單樁樁頭在水平荷載作用下的荷載位移曲線。

2)建立一個(gè)單樁與土相互作用的三維有限元模型。

3)給定土層一個(gè)彈性模量，通過三維有限元彈塑性計(jì)算，確定樁頭荷載位移曲線。

4)將第3)步計(jì)算出的樁頭荷載位移曲線與第1)步計(jì)算出的樁頭荷載位移曲線進(jìn)行比較。若兩者相差明顯，調(diào)整土層的彈性模量，重復(fù)第3)步中的計(jì)算，直到有限元計(jì)算出的樁頭水平荷載位移曲線與第1)步計(jì)算出的樁頭水平荷載位移曲線基本吻合為止。此時(shí)土層的彈性模量就是與非線性地基梁模型以及p-y數(shù)據(jù)等效的土體彈性模量。

按照上述步驟確定出的土體等效彈性模量為20 MPa。

表1 番禺10-2鉆井場(chǎng)地土層資料Tab. 1 Soil parameters of Panyu 10-2 site

采用線彈性本構(gòu)關(guān)系描述等效實(shí)體樁的材料特性，且按實(shí)際鋼管樁與等效實(shí)體樁抗彎剛度相同確定等效實(shí)體樁的彈性模量：

式中：Ee為等效彈性模量；E為鋼管樁材料的彈性模量，取210 GPa；I為鋼管樁的截面慣性矩；Ie為等效實(shí)體樁截面慣性矩。

CEL有限元計(jì)算模型的邊界條件設(shè)置：1)歐拉區(qū)域邊界節(jié)點(diǎn)的水平速度設(shè)置為0，并且將邊界設(shè)置為歐拉吸收邊界，以防止歐拉土體穿越計(jì)算模型的邊界，消除由于計(jì)算模型尺寸選取可能導(dǎo)致的邊界效應(yīng)；2)將拉格朗日區(qū)域邊界的側(cè)面和底面位移設(shè)置為0。

CEL有限元計(jì)算模型的接觸條件及參數(shù)設(shè)置：1)歐拉體與拉格朗日體之間的接觸采用廣義接觸[6](general contact)；2)鄰近受影響樁與拉格朗日土體之間的接觸采用面—面接觸(surface-to-surface contact)，且選擇剛度大的樁體表面作為主面，土體表面作為從面。

表2 番禺10-2鉆井場(chǎng)地平臺(tái)樁的p-y數(shù)據(jù)Tab. 2 P-y Data of the pile of Panyu 10-2 site

(續(xù)表)

3 樁身擠土位移分析

圖3 插樁至10 m時(shí)的平臺(tái)樁變形示意Fig. 3 The pile deformation for spudcan penetration at 10 m

圖3是CEL有限元計(jì)算得到的鉆井船插樁至5 m、10 m與15 m時(shí)，樁A與樁B受土層擠壓時(shí)的樁身典型的變形示意圖；圖4計(jì)算得到的樁受擠壓時(shí)的樁身水平位移沿樁長的變化，圖中的Ux與Uy分別代表沿圖1中的x方向與y方向的位移。圖4中的結(jié)果表明，當(dāng)群樁只承受插樁擠土荷載時(shí)，由于相鄰鋼樁的支撐作用，泥面處樁頭的位移很?。划?dāng)鉆井船插樁至5 m時(shí)，對(duì)于樁A，在泥面以下大約18 m附近范圍樁身水平位移達(dá)到最大；對(duì)于樁B，在泥面以下大約21 m附近范圍樁身水平位移達(dá)到最大；當(dāng)鉆井船插樁至10 m時(shí)，樁A在泥面以下大約21 m附近范圍樁身水平位移達(dá)到最大,樁B在泥面以下大約26 m附近范圍樁身水平位移達(dá)到最大，這種規(guī)律與插樁至5 m時(shí)的規(guī)律一致，與插樁至5 m時(shí)的計(jì)算結(jié)果相比，插樁導(dǎo)致的樁身最大位移位置下移，對(duì)于樁A，最大水平位移增大了137%，對(duì)于樁B，最大水平位移增大了50%；當(dāng)鉆井船插樁至15 m時(shí)，樁A在泥面以下大約23.5 m附近范圍樁身水平位移達(dá)到最大，樁B在泥面以下大約32 m附近范圍樁身水平位移達(dá)到最大，這種規(guī)律與插樁至5 m、10 m時(shí)的規(guī)律也一致，與插樁至10 m時(shí)的計(jì)算結(jié)果相比，插樁導(dǎo)致的樁身最大位移位置進(jìn)一步下移，對(duì)于樁A，最大水平位移增大了9%，對(duì)于樁B，最大水平位移增大了10%?？梢?，插樁對(duì)距離近的樁影響深度小于距離遠(yuǎn)的影響深度，當(dāng)插樁深度小于10 m時(shí)，樁身最大位移的增速較快，當(dāng)插樁深度大于10 m時(shí)，樁身最大位移的增速較慢。計(jì)算結(jié)果還表明，無論是樁A還是樁B，樁身出現(xiàn)最大水平位移的深度大于鉆井船插樁的深度，這與已有的一些離心模型試驗(yàn)結(jié)果較為一致[7-9]。

圖4 樁身水平位移Fig. 4 Lateral displacement of pile

4 樁身彎矩與剪力分析

在海洋工程的樁基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使用非線性p-y彈簧模擬土對(duì)樁的作用，借助非線性地基梁模型確定樁頭力作用下樁身的彎矩與剪力。

圖5 非線性地基梁有限元模型Fig. 5 The nonlinear foundations beam FEM model

這里也采用非線性地基梁模型，同樣利用p-y彈簧模擬土層對(duì)樁的作用，進(jìn)而依據(jù)CEL有限元分析得到樁身水平位移，計(jì)算擠土導(dǎo)致的樁身彎矩和剪力響應(yīng)。

在ABAQUS中采用梁單元建立非線性地基梁有限元模型，由于采用梁單元，按實(shí)際管樁的截面尺寸確定梁單元截面參數(shù)。梁單元的彈性模量取210 GPa，泊松比取0.25。利用考慮群樁效應(yīng)的非線性p-y彈簧模擬土對(duì)樁的橫向支撐作用。參考在番禺10-2群樁分析中，按彈性樁頭設(shè)置約束條件，故在樁頭設(shè)置了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧，轉(zhuǎn)動(dòng)剛度為3.41×107kN·m。圖5給出了非線性地基梁模型有限元模型。計(jì)算時(shí)，按圖4給出的結(jié)果，在非線性地基梁節(jié)點(diǎn)處施加位移，確定梁的彎矩與剪力響應(yīng)。

圖6 樁身彎矩隨深度的變化Fig. 6 Pile moment vs. depth

圖6給出了樁A的樁身彎矩沿樁長的分布。圖6中的結(jié)果表明：當(dāng)樁頭只承受插樁擠土荷載時(shí)，樁頭彎矩最大。插樁至5 m時(shí)，樁身最大彎矩位置大約在泥面以下17.5 m左右；插樁至10 m時(shí)，樁身最大彎矩位置大約在泥面以下20 m左右，與插樁至5 m時(shí)的計(jì)算結(jié)果相比，樁身最大彎矩增大了107%；鉆井船插樁至15 m時(shí)，樁身最大彎矩位置大約在泥面以下23 m左右，與插樁至10 m時(shí)的計(jì)算結(jié)果相比，樁身最大彎矩增大了11%。顯然，隨鉆井船插樁深度增加，樁身最大彎矩出現(xiàn)的位置不斷下移并與最大位移出現(xiàn)的位置基本一致。當(dāng)插樁深度小于10 m時(shí)，樁身最大彎矩的增速較快，當(dāng)插樁深度大于10 m時(shí)，樁身最大彎矩的增速較慢。插樁擠土引起的附加彎矩范圍也隨插樁深度增加而增大。插樁5 m時(shí)，影響范圍大約在泥面以下40 m以內(nèi)；插樁10 m時(shí)，影響范圍大約在泥面以下50 m以內(nèi)；插樁15 m時(shí)，影響范圍大約在泥面以下60 m以內(nèi)。

圖7 樁身總剪力隨深度變化Fig. 7 Pile shear force vs. depth

圖7給出了樁A的樁身總剪力沿樁長分布。圖7中的結(jié)果表明：當(dāng)樁頭只承受插樁擠土荷載時(shí)，樁頭附近處剪力最大。插樁至5 m時(shí)，樁身最大合剪力位置大約在泥面以下25 m左右；插樁至10 m時(shí)，樁身最大合剪力位置大約在泥面以下27 m左右；鉆井船插樁至15 m時(shí)，樁身最大合剪力位置大約在泥面以下33 m左右。由此可見，隨鉆井船插樁深度增加，樁身最大合剪力出現(xiàn)的位置不斷下移且最大合剪力逐漸增大，這與樁身位移及彎矩沿樁身的變化規(guī)律是一致的。

圖8 擠土與樁頭力共同作用下樁身位移、彎矩與剪力Fig. 8 Pile displacement, moment and shear force under the soil squeezing and pile head force loading

針對(duì)鉆井船插樁至10 m的情況，圖8給出了樁A在樁身受插樁擠土力與樁頭y方向水平力共同作用時(shí)，樁身位移、樁身彎矩與合剪力沿樁長的分布。將僅有插樁擠土?xí)r的計(jì)算結(jié)果與此種工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較可知，樁頭與樁身的位移增加；樁身的最大彎矩與最大合剪力沒有明顯增加。

圖9給出了樁A僅受樁頭y方向水平力作用下，樁身位移、樁身彎矩與合剪力沿樁長的分布情況。與沒有插樁影響、樁頭僅作用水平荷載的工況相比，由于插樁導(dǎo)致的樁頭位移增大了約45%，樁頭彎矩沒有明顯增加，樁身彎矩最大增加了25%，樁頭合剪力增加了29%，樁身剪力也明顯增加。

圖9 樁頭水平力作用下的樁身位移、彎矩與剪力Fig. 9 Pile displacement, moment and shear force under the pile head horizontal force loading

5 結(jié) 語

采用CEL大變形非線性有限元方法并結(jié)合非線性地基梁模型，分析了海洋石油941鉆井船插樁對(duì)番禺10-2導(dǎo)管架平臺(tái)群樁的影響。得到以下結(jié)論：

1)鉆井船插樁過程中，由于平臺(tái)四組群樁的支撐作用，插樁擠土不會(huì)導(dǎo)致泥面處群樁樁頭發(fā)生明顯位移，但是插樁擠土?xí)?dǎo)致泥面以下樁身產(chǎn)生較大位移較大；

2)樁身最大擠土位移隨鉆井船插樁深度增加而增加，當(dāng)插樁超過一定深度時(shí)，樁身最大位移不再明顯增加；

3)樁身最大位移出現(xiàn)的位置隨鉆井船插樁深度增加而增加，這點(diǎn)與已有的離心模型試驗(yàn)結(jié)果基本一致；

4)鉆井船插樁對(duì)群樁中距離近的樁的影響深度小于距離遠(yuǎn)的樁的影響深度；

5)在插樁過程中，樁身最大彎矩出現(xiàn)的位置與樁身最大位移出現(xiàn)的位置較為一致，樁身最大剪力出現(xiàn)的位置較樁身最大彎矩出現(xiàn)的位置偏下；

6)與沒有插樁影響的群樁相比，樁身最大彎矩與最大剪力明顯增加。

鉆井船插樁對(duì)鄰近樁的影響分析，是一個(gè)十分復(fù)雜的問題。這里針對(duì)一個(gè)特定場(chǎng)地、特定插樁相對(duì)位置條件下進(jìn)行分析，所得結(jié)論難免有一些局限性。因此，今后有必要對(duì)不同條件做進(jìn)一步分析。

[1] SNAME. Guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units[M]. Society of Naval Architects and Marine Engineers, Technical and Research Bulletin5-5A, New Jersey, 2002.

[2] NOH W F. A time-dependent two-space-dimensional coupled eulerian-lagrange code[J]. Methods in Computational Physics, 1964, (3):117-179.

[3] QIU G, HENKE S, GRABE J. 3D FE analysis of the installation process of spudcan foundations[C]//Proceedings of the 2nd International Symposium on Frontiers in Offshore Geotechnics. 2010: ISFOG 685-690.

[4] THO K K, CHUN F L, CHOW Y K, et al. Eulerian finite element simulation of spudcan-pile interaction[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2013, 50(6): 595-608.

[5] POULOS H G, DAVIS E H. Pile foundation analysis and design[M]. John Wiley and Sons, New York, Series in Geotechnical Engineering, 1970.

[6] HIBBITT D, KARLSSON B, SORENSEN P. Inc. ABAQUS6.13 analysis user’s guide[M]. USA: HKS Co, 2013: 1229-1230.

[7] XIE Y. Centrifuge model study on spudcan-pile interaction [D]. Singapore: National University of Singapore, 2009.

[8] 吳永韌，魯曉兵，王淑云，等. Spud-can基礎(chǔ)貫入對(duì)固定平臺(tái)基礎(chǔ)影響[J]. 中國海洋平臺(tái)，2008, 231: 35-38. (WU Yongren, LU Xiaobing, WANG Shuyun, et al. Effects of spud-can on pile foundation of fixed platform[J]. China Offshore Platform,2008, 231:35-38.(in Chinese))

[9] SICILIANO R J, HAMILTON J M, MURFF J D, et al. Effect of jackup spudcans on piles [C]//Proceedings of the 22th Offshore Technology Conference. 1990: OTC 6467.

CEL FEM analyzsis on effects of spudcan penetration on piles of an jacket platform

HE Qihong1, LAI Yu1, ZHOU Songwang2

(1. Enping Oilfields Joint Development Project PMT, CNOOC (China) Ltd., Shenzhen 518067, China; 2. Geophysical-China Oilfield Service Limited, Tianjin 300451, China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.06.015

1005-9865(2016)06-0123-08

2015-12-14

何啟洪(1973-)，男，廣東高要人，從事海洋石油平臺(tái)工程建設(shè)工作。E-mail: qihong_he@cnooc.com.cn

賴 禺。E-mail: laiyu@cnooc.com.cn