李書兆，李亞，魯曉兵

（1.中海油研究總院，北京100028；2.中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京100910）

自升式鉆井船插樁對鄰近平臺樁基影響的評價方法探討

李書兆1，2，李亞1，魯曉兵2

（1.中海油研究總院，北京100028；2.中國科學(xué)院力學(xué)研究所，北京100910）

自升式鉆井船被廣泛用于中、淺水域油氣鉆井、勘探開發(fā)或平臺維修等海洋工程。通常，鉆井船靠作業(yè)臂工作，由于其極限長度有限，所以鉆井船作業(yè)時經(jīng)常緊鄰固定式導(dǎo)管架海洋平臺。軟弱土層中，鉆井船就位時插樁深度較深，插樁過程中大量土體被排開，致使鄰近平臺樁基可能承受很大的附加荷載，這些附加荷載與樁基原有的荷載相疊加，很有可能超出其原有設(shè)計承載能力，引起嚴(yán)重的工程安全隱患和經(jīng)濟損失。如何可靠地評估自升式鉆井船插樁對鄰近導(dǎo)管架平臺樁基的影響，從而優(yōu)化鉆井船定位并指導(dǎo)導(dǎo)管架平臺樁基礎(chǔ)的早期設(shè)計，是我國當(dāng)前海上油氣開發(fā)亟需解決的一個難點問題，迄今為止尚沒有形成一種被廣泛認(rèn)可的方法?；诖耍到y(tǒng)闡述了評價自升式鉆井船插樁對鄰近樁基影響的方法，包括模型試驗、簡化理論方法和數(shù)值方法，分析了現(xiàn)有方法中存在的問題，并對未來的研究方向提出了建議，供讀者參考。

自升式鉆井船；樁靴貫入；導(dǎo)管架平臺樁基；土體大變形；數(shù)值方法；模型試驗

自升式鉆井船是廣泛用于中、淺水域油氣開發(fā)的重要設(shè)施，主要由操作平臺、樁腿和升降系統(tǒng)組成，見圖1。它常被用于油氣鉆井、勘探開發(fā)、設(shè)備運輸或固定平臺維護等海洋工程，占所有使用平臺總數(shù)的60%（Le et al，1979；孟昭瑛，1994；張浦陽，2008）。自升式鉆井船樁腿貫入海床,直到指定深度，支撐鉆井船正常作業(yè)。為便于樁腿的貫入和拔出，并增強平臺在操作和環(huán)境荷載作用下的在位穩(wěn)定性，鉆井船樁腿底部的樁靴一般設(shè)計成扁平的紡錘狀，即所謂的Spudcan，樁靴的最大直徑可達(dá)到20 m以上（Young，1984；高博，2007；鄭喜耀等，2014）。樁靴的不規(guī)則形狀和大的外形尺寸使插、拔樁導(dǎo)致的土體位移場與經(jīng)典貫入器（如CPT、取樣器及傳統(tǒng)樁基）所產(chǎn)生的位移場有明顯區(qū)別。

圖1 自升式鉆井船

固定式導(dǎo)管架海洋平臺是海洋油氣開采中常用的平臺之一，包括上部平臺夾板、層間桁架或立柱、中間導(dǎo)管架以及支撐樁基等結(jié)構(gòu)。由工作船將其拖往現(xiàn)場并定位，隨后在桁架結(jié)構(gòu)底端空心管中打入支撐樁基，樁數(shù)、樁長和樁徑由海底地質(zhì)條件及受荷情況等多種因素決定，樁基最大貫入深度可高達(dá)100 m。隨后，在空心管與樁基之間灌漿，通過固結(jié)作用將空心管與樁基連接。因此，導(dǎo)管架平臺上部結(jié)構(gòu)所承受的工作荷載和波浪、風(fēng)等循環(huán)荷載可通過灌漿固結(jié)傳遞到支撐樁基，由樁基承擔(dān)上覆作用力，保證整個平臺的穩(wěn)定性，以便其正常工作（許亮斌等，2001；王興國，2003）。

通常，自升式鉆井船靠作業(yè)臂進行工作，由于其極限長度有限，所以鉆井船作業(yè)時經(jīng)常緊鄰固定式導(dǎo)管架海洋平臺。例如在我國南海、東海使用的海洋941鉆井船，樁靴直徑為18 m，南海與東海油氣開發(fā)場地的平均水深一般大于100 m，因此鉆井船作業(yè)時，插樁位置邊緣距導(dǎo)管架平臺樁基礎(chǔ)只有5～7 m的距離，即最大距離不超過0.4倍樁靴直徑（蘭斐，2015）。軟弱土層中，鉆井船就位時插樁深度較深，插樁過程中要排開大量土體，這些被排開的土體會導(dǎo)致鄰近導(dǎo)管架平臺樁基承受很大的附加荷載，進而在整個樁身范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的附加彎矩和剪力。這些附加荷載與平臺樁基原有的荷載相疊加，很有可能超出樁基原有的設(shè)計承載能力，帶來嚴(yán)重的工程安全隱患和經(jīng)濟損失（Chow，1987）。圖2為鉆井船插樁對鄰近導(dǎo)管架平臺樁基影響的示意圖（Li et al，2015）。英國HSE（Health and Safety Executive）對2004年以前發(fā)生并公開發(fā)表的各類自升式鉆井船事故進行了分類匯總，其中鉆井船插樁與導(dǎo)管架樁基相互作用所導(dǎo)致的事故占所有統(tǒng)計事故（230例）的10%（Dier et al，2004）。美國造船與海洋工程學(xué)會（SNAME）有關(guān)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)鉆井船樁靴邊緣與平臺樁基邊緣之間距離大于1倍樁靴直徑時，可以不考慮鉆井船插樁對平臺樁基的影響（SNAME，2008）。然而，目前我國在海洋油氣開發(fā)工程實踐中經(jīng)常會遇到間距小于0.5倍甚至0.25倍樁靴直徑的情況。如何可靠評估自升式鉆井船插樁對鄰近導(dǎo)管架平臺樁基的影響，從而優(yōu)化鉆井船定位并指導(dǎo)導(dǎo)管架平臺樁基礎(chǔ)的早期設(shè)計，是我國當(dāng)前海上油氣開發(fā)亟需解決的一個難點問題，迄今為止尚沒有形成一種被廣泛認(rèn)可的方法，并且這一問題涉及的土體極大變形分析方法、鉆井船插樁與土體及平臺樁基相互作用機理、鉆井船插樁導(dǎo)致的海洋平臺樁基響應(yīng)等一系列問題也是目前國際海洋巖土工程領(lǐng)域內(nèi)尚未解決好的基礎(chǔ)科學(xué)問題。

圖2 自升式鉆井船插樁對鄰近導(dǎo)管架平臺樁基影響的示意圖

評價自升式鉆井船插樁對鄰近樁基影響的關(guān)鍵問題是合理模擬土體大變形的樁靴連續(xù)貫入過程，基礎(chǔ)問題是明確樁靴貫入過程中周圍土體位移場流動機理和變化規(guī)律。為滿足鉆井船穩(wěn)定性要求，插樁深度可能高達(dá)2～3倍樁靴直徑（Endley et al，1981）。插樁過程可能導(dǎo)致周圍土體隆起并向插樁坑內(nèi)產(chǎn)生顯著回淤，從而使插樁過程的邊界條件取決于插樁場地土層性質(zhì)、插樁速率以及插樁深度等多種因素，具有明顯的不確定性，使得鉆井船的插樁問題具有嚴(yán)重的非線性極大變形特性（Cole，1972；Cooke et al，1979；Bell et al，1984；Kee et al，1984；Carlsen et al，1986）。目前，評價自升式鉆井船插樁對鄰近樁基影響的方法有以下幾種：（1）通過高g離心試驗或1g模型試驗揭示插樁周圍土體的流動機理和位移變化規(guī)律，直接測量插樁過程中鄰近樁基產(chǎn)生的位移或附加應(yīng)力，定量評價樁靴-樁基之間的相互作用（Siciliano et al，1990；Craig et al，1990；Xie，2009；吳永韌等，2008）；（2）首先采用簡化理論方法或數(shù)值方法獲取自由場地插樁周圍土體位移場，進而通過地基梁法和p-y數(shù)據(jù)確定鄰近樁基的變形及附加彎矩和剪力（Chow et al，1987；Mirza et al，1988）；（3）通過包含樁靴、土體和樁基等結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型直接計算插樁過程中樁基的響應(yīng)（Thoetal，2013）?；诖耍疚闹铝τ谙到y(tǒng)闡述評價自升式鉆井船插樁對鄰近導(dǎo)管架平臺樁基影響方法的研究現(xiàn)狀，提出評價方法中存在的問題以及建議進一步的研究方向。對深入研究評價自升式鉆井船插樁對鄰近樁基影響的有效、實用方法具有較好的參考意義。

1 研究方法及現(xiàn)狀

1.1 模型試驗

模型試驗分為能夠模擬原位土體應(yīng)力狀態(tài)的高g離心模型試驗和1g條件下的小模型試驗，常被用于研究難以解決的科研和工程問題。

Sicilano等（1990）為研究自升式鉆井船樁靴貫入過程中周圍土體位移場的變形規(guī)律以及其對鄰近樁基的影響，進行了一系列100 g條件下的離心模型試驗。試驗土層為不排水剪切強度隨深度線性增加的飽和軟粘土，通過固結(jié)重塑飽和泥漿制備而成。模型試驗中，距插樁位置0.25、0.5和1倍樁靴直徑處放置三種受影響樁基，且沿樁身間隔一定距離安放應(yīng)變片，以此測量并記錄插樁過程中樁身產(chǎn)生的附加彎矩。試驗結(jié)果顯示距離插樁位置較近的樁基樁頭彎矩比距離插樁位置較遠(yuǎn)處樁基樁頭彎矩大，這一現(xiàn)象作者未進行深入研究和解釋。最后，依據(jù)離心試驗結(jié)果，假設(shè)樁基位置處土體的位移，根據(jù)地基梁法和p-y曲線計算樁基產(chǎn)生的彎矩。通過反復(fù)迭代試算，當(dāng)根據(jù)假定的土體位移獲得的梁彎矩與離心試驗結(jié)果具有較好的一致性時，可認(rèn)為假定的土體位移就是由于樁靴貫入樁基位置處土體所產(chǎn)生的位移。但是，該方法的可行性還需不同土性條件和不同樁靴形狀的離心試驗或數(shù)值分析進行驗證。

Craig等（1990；1998）針對上層砂土下層粘土的土性條件，進行了100g條件下樁靴貫入對鄰近樁基影響的離心模型試驗。結(jié)果顯示：樁靴貫入深度較淺時，樁基彎矩隨著插樁深度的增加而增大；當(dāng)樁靴貫入深度超過150 mm（對應(yīng)原型插樁深度15 m）時，樁基彎矩隨插樁深度的增加而減小。但是由于試驗中樁身安放的應(yīng)變片過少，測量結(jié)果不能完整且準(zhǔn)確揭示樁靴貫入過程中樁身彎矩的變化規(guī)律和分布情況。

Xie等（2009；2012）通過固結(jié)重塑飽和泥漿的方法制備試驗土層，進行了一系列100g條件下的小尺寸離心模型試驗，模擬自升式鉆井平臺樁靴的貫入和拔出，以此研究自升式鉆井平臺插、拔樁對鄰近導(dǎo)管架平臺樁基的影響。采用高分辨率粒子圖像測速技術(shù)，揭示了正常固結(jié)粘土和上層粘土下層砂土中樁靴貫入、拔出時周圍土體的流動機制。為研究不同樁頭約束條件下樁靴貫入對鄰近樁基的影響，模型試驗選用自由樁頭和固定樁頭兩種極端樁頭約束條件，獲得了不同貫入深度下由于擠土作用樁基產(chǎn)生的附加彎矩。此外，還研究了樁靴貫入過程中樁基長度、樁基嵌入砂土層的深度、樁靴-樁基之間的距離以及樁靴工作周期等因素對鄰近樁基特性的影響。

Wu等（2008）通過1g條件下模型試驗研究飽和粉砂土層中插樁對鄰近自由樁頭樁基的影響。探究了土的干密度、插樁速率、樁靴與鄰近樁基之間的距離等因素對樁基樁頭位移的影響。研究表明樁基樁頭位移隨著土體干密度的降低、插樁速率的增加以及樁靴與樁基間距的減小而增大。但是1g條件下的模型試驗，無法準(zhǔn)確模擬土體原有的結(jié)構(gòu)性、應(yīng)力歷史和應(yīng)力狀態(tài)等性質(zhì)，很難準(zhǔn)確反應(yīng)插樁過程中土體表現(xiàn)出的隆起或回淤特性，所以該研究具有一定的局限性。

1.2 簡化理論方法

自升式鉆井船插樁對鄰近導(dǎo)管架樁基的影響主要涉及兩方面研究：（1）插樁過程中，樁靴周圍土體大變形位移場的確定；（2）樁基受到擠土作用所產(chǎn)生的位移和附加應(yīng)力及彎矩。已有一些研究致力于發(fā)展求解土體大變形位移的簡化理論計算方法，具體情況如下：

Baligh等（1985）通過對試驗結(jié)果的分析，指出基礎(chǔ)深貫入時土體變形與土體特性無關(guān)，屬于應(yīng)變控制問題。在此基礎(chǔ)上，他提出了一種近似評價貫入器（樁基、CPT、取樣器等）嵌入土體時周圍土體位移場的理論方法，即應(yīng)變路徑法或深基礎(chǔ)應(yīng)變路徑法（Strain Path Method，SPM）。該方法在空穴擴張理論的基礎(chǔ)上，假設(shè)土體為均質(zhì)、各向同性、不可壓縮、無限空間體，借助流體力學(xué)中的源理論，將樁基不排水貫入土體的過程，視為一簇?zé)o旋、無粘性理想均勻流繞固定源流動過程，通過土顆粒速度沿流線積分確定土體的位移場。在缺乏現(xiàn)場土性物理及力學(xué)參數(shù)的情況下，對于預(yù)估土體變形、預(yù)測基礎(chǔ)特性、解釋現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)，應(yīng)變路徑法是一種較好的選擇（Levadoux，1980；Levadoux et al，1980；Szechy，1968）。Huang(1989)采用應(yīng)變路徑法給出了不同形狀旁壓儀在貫入過程中土體產(chǎn)生的位移及應(yīng)變場，由于采用許多平面四邊形的組合代替實際貫入體的形狀，因此只能采用數(shù)值解法獲取土體位移場。Danziger等(1997)也采用應(yīng)變路徑法確定貫入器在嵌入過程中土體產(chǎn)生的位移場。但是，由于地表面的存在，土體為半無限空間體，與該方法中假設(shè)土體為無限空間體相矛盾，因此利用應(yīng)變路徑法確定的土體位移場在貫入器端部附近較為合理，但卻無法給出遠(yuǎn)離貫入器端部處土體準(zhǔn)確的位移場。

針對應(yīng)變路徑法忽略地表面存在這一問題，Sagaseta假設(shè)土體為彈性體，采用源匯理論模擬實際自由地表面的存在，通過求解土顆粒速度，并將速度沿流線積分獲取土體位移，該方法被稱為淺基礎(chǔ)應(yīng)變路徑法（Shallow Strain Path Method，SSPM）。Sagaseta等（1987；1997）基于小應(yīng)變理論推導(dǎo)了土顆粒速度計算公式，并且給出了地表面位移計算表達(dá)式。Chow等（1990）利用淺基礎(chǔ)應(yīng)變路徑法，計算得到了樁基貫入時周圍土體的豎向位移場，并利用彈性理論探討了鄰樁的上抬規(guī)律，研究了參數(shù)變化對鄰樁上抬產(chǎn)生的影響。羅戰(zhàn)友（2004）結(jié)合Sagaseta的方法對應(yīng)變路徑法進行了修正，并結(jié)合Boussinesq解推求了水平擠土位移場的計算表達(dá)式。

1.3 數(shù)值分析方法

數(shù)值分析方法可較好模擬三維空間中結(jié)構(gòu)的不規(guī)則形狀、樁靴連續(xù)貫入過程，合理解決土體大變形、非線性以及結(jié)構(gòu)與土相互作用等問題，可有效分析插樁周圍土體大變形位移場的變化規(guī)律和流動特性，并根據(jù)該位移場評價鄰近樁基的擠土響應(yīng)，也可建立包含樁靴-土體-樁基的三維有限元模型，直接評價鉆井船插樁效應(yīng)對鄰近樁基的影響。

Lyons等（1985）建立了包含預(yù)定位置處樁靴的三維有限元分析模型，施加等效荷載評價鄰近樁基的響應(yīng)。該模型不能真實模擬樁靴連續(xù)貫入過程以及貫入過程中土體空穴不穩(wěn)定而產(chǎn)生的回淤現(xiàn)象，進而無法正確評價樁靴貫入過程中周圍土體位移場的變化規(guī)律和流動特性，也就無法有效分析樁靴貫入時鄰近樁基受土體擠壓作用而產(chǎn)生的附加剪力和彎矩。同時，Lyons指出了采用軸對稱模型和平面應(yīng)變模型評價樁靴貫入對鄰近樁基影響的不恰當(dāng)性，并且強調(diào)了三維有限元分析方法是評價樁靴-樁問題的一種有效途徑。

Tan等（2006）建立了成層土中樁靴貫入對鄰近樁基影響的三維有限元模型，將土體視為遵循Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性體，樁靴與樁基之間的距離為0.53倍樁靴直徑，通過常規(guī)有限元計算獲得了插樁深度較淺時樁身的應(yīng)力。但是，由于模擬的最大插樁深度小于樁靴邊緣與鄰近樁基之間的距離，且未考慮插樁過程中土體回淤的影響，其計算結(jié)果很難反應(yīng)實際插樁過程對鄰近樁基的影響程度。

劉占閣等（2003）利用對插樁坑底部施加壓力替代插樁力的方法，通過常規(guī)有限元計算，分析了插樁導(dǎo)致的鄰近樁樁身應(yīng)力、應(yīng)變及位移的分布，并求得了樁靴貫入影響下的t-z曲線和p-y曲線。雖然在常規(guī)有限元分析中采用等效替代的方法可以避免樁靴貫入土體導(dǎo)致的非線性大變形引起的計算網(wǎng)格畸變，但是無法模擬插樁的整個連續(xù)過程中不斷累積的擠土效應(yīng)對鄰近樁的影響，因此計算結(jié)果與實際相比可能存在較大的差異。

已有研究指出采用數(shù)值方法合理評價鉆井船插樁對鄰近導(dǎo)管架樁基影響的關(guān)鍵因素是有效模擬樁靴的連續(xù)貫入過程。采用常規(guī)拉格朗日有限元法模擬樁靴連續(xù)貫入時，常常由于土體過渡變形，導(dǎo)致有限元網(wǎng)格嚴(yán)重畸變，致使計算結(jié)果失真或計算中斷。為了解決常規(guī)有限元法在求解大變形問題上的局限性，一些學(xué)者對此進行了詳細(xì)研究（Mirza et al，1988；Benson，1992；Menzies D et al，2008）。目前，對于評價樁靴深貫入對鄰近樁基影響的非線性大變形有限元方法主要有3種：

（1）網(wǎng)格重劃分有限元方法（Remeshing FEM）

Hu等（1998a；1988b；1988c）在傳統(tǒng)小應(yīng)變有限元基礎(chǔ)上發(fā)展了一種簡單的網(wǎng)格重劃分小應(yīng)變差值技術(shù)（Remeshing and Interpolation Technique with Small Strain Model，RITSS），將其與有限元程序包ANFEM相結(jié)合，建立了巖土大變形有限元分析方法（Carter et al，1990）。從理論上來說，該方法屬于自適應(yīng)網(wǎng)格的一種數(shù)值分析方法。數(shù)值分析過程中，根據(jù)變形后的邊界重新劃分網(wǎng)格，以此避免有限元網(wǎng)格進一步扭曲，通過插值技術(shù)得到新網(wǎng)格的應(yīng)力變量和材料參數(shù)。模型網(wǎng)格數(shù)量、節(jié)點數(shù)量、以及節(jié)點之間的連接關(guān)系均有所改變。Hossain等（2009；2010）、Liu等（2005；2009）、于龍等（2008）詳細(xì)介紹了RITSS有限元法的計算原理，并采用該方法分析了單一軟粘土或分層土中樁靴貫入土體的流動機理以及插樁阻力的變化規(guī)律，無法獲取土體的位移變化，運用該方法定量評價鉆井船插樁對鄰近樁基的影響還需進行深入研究。

（2）任意拉格朗日-歐拉自適應(yīng)網(wǎng)格有限元方法（Arbitrary Lagrangian Eulerian adaptive meshing FEM，ALE方法）

ALE方法是一種將拉格朗日法與歐拉法相結(jié)合的數(shù)值算法，將土體發(fā)生大變形區(qū)域中的網(wǎng)格設(shè)為自適應(yīng)網(wǎng)格，按照設(shè)定的頻率重新劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格進行重劃分時，原有網(wǎng)格結(jié)點與物質(zhì)點相脫離，按照設(shè)定算法將原有網(wǎng)格上的場變量映射到新的網(wǎng)格。但是，整個計算過程中，網(wǎng)格的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（單元、節(jié)點數(shù)量以及節(jié)點之間的連接）不會改變（Abaqus 6.13，2013）。

Kellezi等（2009）采用ALE方法建立軸對稱模型對上層砂土下層粘土樁靴插樁過程進行研究，采用動力顯示技術(shù)求解樁靴連續(xù)貫入過程，通過調(diào)整插樁速度、質(zhì)量縮放系數(shù)、沙漏系數(shù)等參數(shù)，獲得有效合理的數(shù)值結(jié)果，并與已有離心試驗結(jié)果進行比較，驗證了該方法可用于模擬自升式鉆井船插樁過程。最后利用該方法，評價了某一特定場址自升式鉆井船插樁土體的變形特征，為簡化有限元模型，將上層7 m深度的粘土層視為均布壓力，且不考慮土體的回淤特性。實際工程中，樁靴穿過粘土層并連續(xù)貫入到砂土層，這與Kellezi的模型簡化相差較大，所以該方法是否可以運用于評價多種土層條件下鉆井船連續(xù)插樁問題還需進行深入研究。

吳永韌等（2009）利用LS-DYNA有限元軟件，通過ALE算法研究了鉆井船插樁過程中土體和鄰近受影響樁的變形和樁身應(yīng)力變化，進而分析了平臺基礎(chǔ)承載力的變化。研究結(jié)果表明，樁靴周圍土體受到樁靴的擠壓破壞后強度明顯下降，形成失效區(qū)，土體表面沉陷區(qū)為土體失效區(qū)周圍兩倍半徑的區(qū)域。由于鄰近樁的存在，樁靴左右兩側(cè)土體豎向和橫向位移不完全對稱，埋有樁基側(cè)的水平方向土體位移略小于自由側(cè)的水平方向土體位移。

Li等（2015）針對Sicilino和Xie離心試驗，采用ALE方法建立了二維軸對稱模型預(yù)測試驗結(jié)果，研究單一粘土層鉆井船插樁周圍土體的流動機理和位移變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)土體位移場與土體參數(shù)如e50有很大關(guān)系，同一水平位置，土體位移隨e50的增大而增大，也就表明土體位移取決于其應(yīng)力應(yīng)變特性。但是，Sicilino與應(yīng)變路徑法指出土體位移僅取決于貫入器形狀，與土體性質(zhì)無關(guān)，兩者相矛盾。為研究由于插樁的擠土效應(yīng)鄰近樁基所產(chǎn)生的附加應(yīng)力，Li等（2015）根據(jù)土體位移場，按照API RP 2A確定樁基P-Y數(shù)據(jù)，采用地基梁法分析了樁基響應(yīng)，結(jié)果顯示樁基彎矩幾乎不受土體參數(shù)e50的影響（API，2007）。最后，詳細(xì)說明了樁基設(shè)置為固定樁頭約束條件的合理性，深度探討了目前工程中按照樁基所承受的原有荷載與附加荷載簡單相加設(shè)計樁基承載力的方法。

（3）歐拉-拉格朗日耦合有限元方法（Coupled Eulerian-Lagrangian FEM，CEL方法）

CEL方法是一種拉格朗日體與歐拉體相耦合的數(shù)值分析方法，將需要分析的區(qū)域根據(jù)產(chǎn)生大變形的可能性大小分為歐拉體區(qū)域與拉格朗日體區(qū)域，在這兩種區(qū)域內(nèi)分別采用歐拉有限元法和拉格朗日有限元法進行計算。計算過程中，歐拉體的空間網(wǎng)格形狀、大小位置保持不變，物質(zhì)可在網(wǎng)格之間自由運動；其它區(qū)域設(shè)為拉格朗日體，采用拉格朗日有限元方法計算變形響應(yīng)，計算過程中，物質(zhì)的運動和網(wǎng)格的變形保持一致。CEL方法充分發(fā)揮了歐拉有限元方法和拉格朗日有限元方法的優(yōu)勢，并克服了他們各自的不足（Qiu et al，2012；Arslan et al，2014）。

Qiu等（2011a；2011b；2011c；2012）指出傳統(tǒng)有限元方法很難用于求解大變形巖土邊值問題，土體發(fā)生嚴(yán)重的大變形使得有限元網(wǎng)格發(fā)生畸變以及非線性接觸問題突出，致使無法獲得有效的收斂解。基于此，建議采用CEL數(shù)值方法分析巖土大變形邊值問題，通過條形基礎(chǔ)基準(zhǔn)試驗的理論解標(biāo)定數(shù)值結(jié)果。計算結(jié)果表明CEL方法可以較好地解決常規(guī)有限元方法難以求解的大變形巖土工程問題。利用該方法，Qiu等分析了單一粘土和上層砂土下層粘土中自升式鉆井船插樁的穩(wěn)定性，真實模擬了鉆井船插樁過程，詳細(xì)研究了模型參數(shù)如樁靴-土之間摩擦系數(shù)、土體本構(gòu)模型、以及網(wǎng)格劃分等因素對計算結(jié)果的影響，揭示了樁靴周圍土體流動機理和土體隆起、回淤的形成原因。通過有限元計算與離心試驗結(jié)果的比較，驗證了該方法的有效性。

Tho等（2009；2010；2011；2013）借助LSDYNA有限元軟件，提出采用CEL數(shù)值分析方法，真實模擬樁靴的連續(xù)貫入過程、明確了樁靴貫入過程中周圍土體的流動機理并定量評估了樁靴貫入對鄰近樁基的影響。為了節(jié)約計算成本，有限元模型為離心試驗尺寸的四分之一，包含樁靴、土層以及樁基等結(jié)構(gòu)，模型上部由于樁靴貫入土體發(fā)生極大變形，設(shè)為歐拉體，模型底部小變形區(qū)域設(shè)為拉格朗日體，設(shè)置樁靴為剛性殼體，采用抗彎剛度互等原則，將鋼管樁等效為實心圓柱樁，以便提高有限元分析中穩(wěn)態(tài)時間增量步的大小。模型中土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系選取為滿足Von Mises屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系?？紤]樁基與上部導(dǎo)管架的聯(lián)接作用，將樁頭部分設(shè)為剛體，樁身設(shè)為拉格朗日體，樁基與土接觸面之間不允許出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。CEL數(shù)值計算結(jié)果與已有高g離心試驗數(shù)據(jù)比較，結(jié)果顯示兩者具有較好的一致性，驗證了CEL數(shù)值分析方法評價樁靴-樁基相互作用的可行性。最后，Tho等（2009；2010；2011；2013）利用CEL數(shù)值分析方法，研究了若干參數(shù)對樁基響應(yīng)的影響，進一步說明了該方法的有效性和多功能性。

2 問題和建議

通過以上分析，對于目前自升式鉆井船插樁對鄰近導(dǎo)管架樁基影響的評價方法，存在的問題和建議主要有以下幾方面：

（1）已有離心試驗研究方法中忽視了土體的結(jié)構(gòu)性，表現(xiàn)為在試驗中使用泥漿固結(jié)方法得到的重塑土。原位土體在長期的時間效應(yīng)作用下會產(chǎn)生明顯的結(jié)構(gòu)性，表現(xiàn)在土樣不固結(jié)不排水條件下，其應(yīng)力應(yīng)變曲線具有明顯的峰值-殘余值變化。當(dāng)土體的殘余強度顯著低于其峰值強度時，考慮土體在大應(yīng)變后會出現(xiàn)大幅度的強度折減，會增進土體在樁靴周圍的回流，從而較大程度地降低土體位移場的量值，并約束位移場在較遠(yuǎn)空間的傳遞，進而有效降低鄰近樁基上產(chǎn)生的次生荷載。其次，1g條件下的模型試驗，由于其縮尺效應(yīng)，無法真實模擬原位場地土體的應(yīng)力狀況、結(jié)構(gòu)特性以及應(yīng)力應(yīng)變特性，嚴(yán)重影響樁靴貫入過程中土體的位移變化、隆起和回淤，很難真實反映現(xiàn)場原位土體的變形特征，具有一定的局限性。但是，其試驗數(shù)據(jù)可用于對有限元方法可行性的校驗，仍具有一定的參考意義。

針對以上問題，建議對原位飽和土體進行高g離心試驗，研究自升式鉆井船插樁周圍土體位移場的流動機理及其對鄰近導(dǎo)管架樁基產(chǎn)生的附加效應(yīng)。原位土體可以較好保證土體原有的結(jié)構(gòu)性，試驗結(jié)果更加貼切土體的真實位移和樁基的真實響應(yīng)。另外，如果具有合適的依托項目和足夠的試驗經(jīng)費，建議進行現(xiàn)場原位測試試驗，直接測試插樁過程中鄰近樁基的響應(yīng)，如位移、應(yīng)力和彎矩等，獲取第一手現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，為簡化理論方法和有限元方法的研究提供真實可靠的標(biāo)定參考。

（2）對于求解土體變形的簡化理論分析方法，僅適用于理想土性條件，即均質(zhì)、各向同性土性，且貫入器為理想規(guī)則形狀。但是，實際土體性質(zhì)是與應(yīng)力歷史有關(guān)的各向異性彈塑性材料，另外貫入器多為非規(guī)則形狀，建立如何評價非規(guī)則形狀貫入器連續(xù)貫入非均質(zhì)彈塑性土體的土體變形特性（隆起和回淤）的應(yīng)變路徑法是非常有必要的。

建議將流體力學(xué)、固體力學(xué)與土力學(xué)相結(jié)合，進一步研究半無限空間中考慮土體各向異性、且為彈塑性材料的應(yīng)變路徑法，明確貫入器連續(xù)嵌入土體時周圍土體位移場是否與土體材料性質(zhì)有關(guān)，揭示不同土性條件下土體流動機理和位移變化規(guī)律的差異性；在此基礎(chǔ)上，深入研究適用于不規(guī)則形狀貫入器（樁靴基礎(chǔ)）排水和不排水貫入土層的應(yīng)變路徑法，為校驗數(shù)值方法提供可靠的標(biāo)定參考；

（3）ALE有限元方法多被用于評價大變形區(qū)域為單一土層的鉆井船插樁問題，如何用此方法分析鉆井船在不同土層場地插樁時周圍土體的位移，還需做進一步研究，特別是利用這一方法得到鉆井船在不同土層場地插樁時周圍土體的位移能否反映真實的土體位移，尚缺乏必要的計算結(jié)果與試驗結(jié)果的對比驗證研究。

因此，建議研究適用于不同土層場地鉆井船插樁的ALE有限元方法，詳細(xì)研究土性參數(shù)、插樁速度、自適應(yīng)網(wǎng)格區(qū)域及其網(wǎng)格劃分頻率等因素對計算結(jié)果的影響，確保數(shù)值結(jié)果可反映現(xiàn)場土體的真實位移變化，可通過與簡化理論方法或已有高g離心試驗結(jié)果對比，校驗數(shù)值計算結(jié)果，驗證ALE方法的可行性。將ALE法計算得到的有效位移解與地基梁法相結(jié)合，詳細(xì)研究鄰近樁基的響應(yīng)。通過與離心試驗結(jié)果的比較，研究ALE方法與地基梁法相結(jié)合評價自升式鉆井船插樁對鄰近導(dǎo)管架樁基影響的適用性。

（4）關(guān)于評價自升式鉆井船插樁對鄰近導(dǎo)管樁基影響的CEL有限元方法的相關(guān)研究很少，且均針對單一的軟粘土場地。能否利用這一計算分析技術(shù)形成一種客觀評價鉆井船插樁在不同土層場地插樁時對鄰近平臺樁基影響的數(shù)值仿真分析方法，尚缺乏必要的研究，特別是與試驗結(jié)果的比較研究。該方法把鉆井船樁靴、土體、樁基甚至導(dǎo)管架整合在一個模型里來模擬，但這種方法對于生產(chǎn)項目而言過于復(fù)雜，耗用資源較多，各種因素特別是來自土體的不確定性因素相互交織，難以實現(xiàn)對結(jié)果可靠性的把控。此外，該方法把土體處理為連續(xù)介質(zhì)與樁基發(fā)生相互作用，這與常規(guī)導(dǎo)管架設(shè)計中把土體離散為一系列半經(jīng)驗性土彈簧的做法有較大差異，容易造成樁體綜合內(nèi)力解釋上的混亂。

針對該問題，建議深入研究多種土性條件下CEL有限元方法的適用性，需詳細(xì)闡明土性參數(shù)選取，樁基樁頭、樁端的約束條件、歐拉深度設(shè)置、以及插樁貫入速率等模型設(shè)置的合理性，并與已有離心試驗結(jié)果進行對比驗證。另外，在保證計算結(jié)果合理的前提下，盡量簡化該方法，以便將其應(yīng)用于實際海洋油氣工程。最后，建議將CEL三維有限元方法與ALE有限元方法和地基梁法相結(jié)合的評價方法進行詳細(xì)對比分析，提出具有科學(xué)依據(jù)、滿足工程質(zhì)量保障體系的定量評估鉆井船插樁對鄰近樁基影響的實用方法。

（5）無論是先確定插樁周圍土體的位移場，再確定受影響樁的樁身響應(yīng)，還是通過大變形三維有限元計算，直接確定受影響樁的樁身響應(yīng)，都會涉及如何客觀評價作用于受影響樁樁身的極限擠土力問題。無論是粘土層還是砂土層中的主動樁，樁身受到的阻力存在一極限值。對于受插樁擠土影響的被動樁，怎樣確定插樁導(dǎo)致的受影響樁樁身的擠土力分布，特別是極限擠土力，目前也缺乏必要的研究。例如，如果按美國石油協(xié)會API RP 2A規(guī)范推薦的方法確定樁身擠土效應(yīng)，對于海洋平臺主動樁而言常常趨于保守，但對于土體位移產(chǎn)生的被動樁加載而言又恰恰是偏于危險。此外，API方法對不同土體和較大尺寸的樁基分析的適用性也常常受到質(zhì)疑，而這點也是海洋導(dǎo)管架平臺樁基設(shè)計中一個關(guān)鍵。

關(guān)于被動樁擠土效應(yīng)研究，建議采用三維實體有限元方法研究適合于評價被動樁擠土規(guī)律，確定影響擠土力的主要參數(shù)，提出有效評價樁身擠土力的實用方法，并采用所提出的方法對已有離心或現(xiàn)場試驗進行預(yù)測、分析，亦或針對實際海洋工程案例進行評估，詳細(xì)說明所建立方法的可行性，且保證計算結(jié)果對于評價被動樁穩(wěn)定性是偏于保守的，有利于保證實際海洋工程的安全性。

3 結(jié)論

自升式鉆井船插樁對鄰近導(dǎo)管架平臺樁基影響問題涉及土體的極大變形、鉆井船插樁與土體及平臺樁基的相互作用、鉆井船插樁導(dǎo)致的導(dǎo)管架平臺樁基響應(yīng)等一系列問題，是目前國際海洋巖土工程領(lǐng)域內(nèi)尚未解決好的基礎(chǔ)科學(xué)問題，并沒有形成一種被廣泛認(rèn)可的實用評價方法。本文系統(tǒng)且全面闡述了目前關(guān)于鉆井船插樁土體流動機理和變形的分析方法以及插樁對鄰近平臺樁基影響的評價方法，包括模型試驗、簡化理論方法和數(shù)值分析方法。通過對評價方法研究現(xiàn)狀的分析，提出了一些問題。最后，針對這些問題并結(jié)合實際海洋工程的需求，給出了未來研究方向的建議，與讀者分享和討論并供其參考。

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（本文編輯：袁澤軼）

Discussion of methods evaluating the effects of the jack-up spudcan penetration on the adjacent platform pile

LI Shu-zhao1,2,LI Ya1,LU Xiao-bing2
（1.CNOOC Research Institute,Beijing 100028,China;2.Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China）

Jack-up rig is always employed to some marine engineering,for example,oil and gas drilling,exploration and exploitation,and maintenance platform.Generally,since the jack-up rig works depending on the manipulator which has the limited length,it often works in close proximity to a permanent jacket platform.The jack-up spudcan penetrates deeply in the soft clay deposit when the jack-up rig is in place.A large volume of soil is displaced during the spudcan penetration,so that the adjacent pile may be subjected to excess induced loads.These loads added with the original pile loads may exceed the normal design bearing capacity,which may cause serious engineering safety hazard and economic losses.It is a challenge for the development of the oil and gas that how to reliably evaluate the effect of the jack-up spudcan penetration on the adjacent jacket platform pile,and then optimize the jack-up rig position and guide the early design of the jacket platform pile.There is no widely accepted method to date.Based on the fact,the paper elaborates the methods evaluating the effect of spudcan penetration on the adjacent pile,which include the model tests,simplified theory and numerical approaches,and this paper analyzes the existing problems for the present methods and gives some suggestions in regard to the further research,providing a reference for readers.

jack-up rig;spudcan penetration;jacket platform pile;large soil deformation;numerical methods;model tests

P75

A

1001－6932（2017）03－0293－09

10.11840/j.issn.1001-6392.2017.03.007

2016-02-02；

2016-03-18

中國海洋石油總公司綜合科研項目（ZHKY-2013-ZY-05）；中國博士后科學(xué)基金。

李書兆（1985-），博士，工程師，從事海洋巖土工程方面的研究。電子郵箱：lishzh25@126.com。