萬 軍， 梁 超2， 關(guān) 湃， 李翔云， 龐洪林

(1. 中海石油(中國)有限公司 天津分公司， 天津 300459; 2. 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300072)

0 引 言

目前國內(nèi)有許多海上油氣資源得不到有效開發(fā)，這些油氣資源主要來自于小型的邊際油田，如何經(jīng)濟有效地開發(fā)油氣資源一直是邊際油田的關(guān)鍵問題。目前應(yīng)用于小型油田的簡易平臺種類繁多，其中大部分需打入傳統(tǒng)的鋼管樁基礎(chǔ)提供其所需的承載力，如能有效利用平臺井口結(jié)構(gòu)中的隔水導(dǎo)管及表層套管替代傳統(tǒng)鋼管樁為平臺提供支撐，則既滿足開采需求又滿足平臺承載需求，形成“一管雙用”，將使邊際油田的開發(fā)更加經(jīng)濟。

近年來，關(guān)于井口結(jié)構(gòu)承載力方面的研究大多以隔水導(dǎo)管為對象：胡浩杰[1]利用FLAC軟件分析打入式隔水管豎向承載力的時效性；蘇堪華等[2]考慮井口荷載，分析隔水導(dǎo)管的最小入泥深度；楊進[3]建立隔水導(dǎo)管在不同土層情況下的承載力計算模型，提出隔水導(dǎo)管最小入泥深度的計算方法；沈園園等[4]根據(jù)隔水導(dǎo)管受力特點，開展隔水導(dǎo)管入泥深度的研究。目前還鮮有對于隔水導(dǎo)管與表層套管聯(lián)合支撐平臺的研究。為此，采用有限元分析方法，以渤海地區(qū)常用尺寸的隔水導(dǎo)管與表層套管為研究對象，探究兩者組成的隔水導(dǎo)管樁在黏土環(huán)境中的豎向承載特性，為工程應(yīng)用提供參考。

圖1 井口結(jié)構(gòu)中的隔水導(dǎo)管與表層套管

1 隔水導(dǎo)管樁結(jié)構(gòu)特點

隔水導(dǎo)管與表層套管在井口結(jié)構(gòu)中的布置形式如圖1所示。在渤海地區(qū)，隔水導(dǎo)管常采用打入式安裝方法，深度一般在30～70 m，表層套管采用鉆入法安裝，長度可達(dá)數(shù)百米，兩者之間采用固井水泥連接。

基于上述特點將隔水導(dǎo)管、表層套管、固井水泥考慮為一整體，由上半部分大直徑樁段與下半部分小直徑樁段組成變截面隔水導(dǎo)管樁，如圖2所示。圖中：D1為上樁段外徑，D2為下樁段外徑，L1為上樁段樁長，L2為下樁段樁長。

圖2 隔水導(dǎo)管樁結(jié)構(gòu)圖

圖2所示的隔水導(dǎo)管樁結(jié)構(gòu)類似于“T型樁”。在“T型樁”研究領(lǐng)域，方燾等[5]和易耀林等[6]分別通過試驗與數(shù)值方法分析“T型樁”的承載特性，但其研究對象為橋梁工程中的攪拌樁，樁長較短，與海洋平臺中的隔水導(dǎo)管樁存在明顯差異。表1為渤海地區(qū)常用隔水導(dǎo)管及表層套管的結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)合表1的參數(shù)，采用有限元計算軟件ABAQUS對隔水導(dǎo)管樁豎向承載力進行分析。

表1 隔水導(dǎo)管與表面套管的尺寸

2 有限元分析模型的建立與驗證

圖3 有限元分析模型

2.1 有限元分析模型

圖4 隔水導(dǎo)管樁承載模式

采用靜力分析步計算隔水導(dǎo)管樁豎向承載力，土體本構(gòu)模型選用Mohr-Coulomb彈塑性模型，樁模型采用線弾性模型，單元類型均為C3D8R。隔水導(dǎo)管樁由隔水導(dǎo)管、表層套管、固井水泥組成，根據(jù)截面強度等效原則，計算不同尺寸下的隔水導(dǎo)管樁等效彈性模量，結(jié)果如表2所示。土體根據(jù)渤海地區(qū)土層資料選均質(zhì)黏土，不排水剪切強度Su=50 kPa，彈性模量E= 50 MPa，泊松比v= 0.49。有限元分析模型如圖3所示。

表2 隔水導(dǎo)管樁模型參數(shù)

圖5 土體尺寸對承載力的影響

模型中樁-土相互作用選用“主從面”接觸，剛性較大的樁體作為主接觸面，土體作為從接觸面。樁-土接觸分為法向接觸和切向接觸，法向接觸類型選為硬接觸，切向接觸類型選為庫倫摩擦，接觸摩擦因數(shù)根據(jù)已有研究選擇0.4[7-8]。由于隔水導(dǎo)管與表層套管為海洋平臺井口采油通道，隔水導(dǎo)管樁內(nèi)部不存在與土塞作用產(chǎn)生的內(nèi)摩阻力，因此在計算中樁內(nèi)壁與土體切向接觸設(shè)置為光滑。如圖4所示，隔水導(dǎo)管樁豎向承載力應(yīng)由4部分組成，分別為上樁段外側(cè)摩阻力f1、下樁段外側(cè)摩阻力f2、上樁段端阻力q1和下樁段端阻力q2。

2.2 模型參數(shù)敏感性分析

為保證有限元分析模型計算的準(zhǔn)確性和可靠性，需對計算結(jié)果受不同因素影響的規(guī)律性進行分析，以確定最佳模型計算參數(shù)。分別選取不同土體模型尺寸、土體網(wǎng)格尺寸、土體彈性模量進行計算，探究各因素對隔水導(dǎo)管樁豎向承載力計算結(jié)果的影響。

2.2.1 土體模型尺寸對承載力的影響

在實際工程中，土體為半無限體，在計算中有必要確定合適的土體模型尺寸以避免邊界的影響。 為此建立4種不同尺寸的土體模型，直徑分別為10D1、20D1、30D1和40D1，土體模型長度均為1.5L，L為隔水導(dǎo)管樁總長度。樁模型尺寸選為D1=610 mm、D2=444 mm、L1=50 m、L2=30 m，計算結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，相比于其他3組，當(dāng)土體模型選擇為10D1時的計算結(jié)果明顯存在邊界效應(yīng)，承載力明顯高于直徑為20D1、30D1、40D1時的計算結(jié)果，當(dāng)土體超過20D1后承載力不再發(fā)生明顯改變。因此，可以認(rèn)為在隔水導(dǎo)管樁豎向承載力計算中，土體直徑選擇為20D1即可消除邊界效應(yīng)的影響。

2.2.2 網(wǎng)格尺寸對承載力的影響

為分析計算模型網(wǎng)格劃分對計算結(jié)果的影響，按照圖6將土體網(wǎng)格分為3部分考慮，分別為樁長方向1、樁長方向2和徑向。

圖6 土體網(wǎng)格劃分示例

網(wǎng)格劃分方案如表3所示，按照網(wǎng)格尺寸建立不同計算模型，徑向及樁長方向2采用偏精度布置，樁長方向1采用均勻布置，即最大網(wǎng)格與最小網(wǎng)格尺寸相等。隔水導(dǎo)管樁模型尺寸選為D1=610 mm、D2=444 mm、L1=50 m、L2=30 m。

表3 土體網(wǎng)格劃分方案

選取樁長方向1網(wǎng)格尺寸為1 m，樁長方向2網(wǎng)格尺寸(最小網(wǎng)格尺寸～最大網(wǎng)格尺寸)為1.0 m～2.5 m，計算表3中不同徑向網(wǎng)格尺寸下的承載力，結(jié)果如圖7所示；選取徑向網(wǎng)格為0.05D1～1.50D1，樁長方向2網(wǎng)格尺寸為1.0 m～2.5 m，計算表3中不同樁長方向1的網(wǎng)格尺寸下的承載力，結(jié)果如圖8所示；選取徑向網(wǎng)格為0.05D1～1.50D1，樁長方向1網(wǎng)格尺寸為1 m，計算表3中不同樁長方向2的網(wǎng)格尺寸下的承載力，結(jié)果如圖9所示。

圖7 徑向網(wǎng)格尺寸對承載力的影響 圖8 樁長方向1網(wǎng)格尺寸對承載力的影響 圖9 樁長方向2網(wǎng)格尺寸對承載力的影響

從圖7～圖9的結(jié)果可以看出：徑向網(wǎng)格尺寸對隔水導(dǎo)管樁豎向承載力計算結(jié)果影響較大，極限承載力隨著徑向網(wǎng)格最小尺寸的減小而減小，并且逐漸趨于穩(wěn)定，說明網(wǎng)格尺寸越小，越有利于計算精度的提高；而樁長方向1和樁長方向2的網(wǎng)格對計算結(jié)果影響較弱，不同尺寸的計算結(jié)果無較大差別?？紤]到計算精度、計算時長及網(wǎng)格形狀，確定徑向、樁長方向1和樁長方向2的網(wǎng)格尺寸為0.05D1～1.50D1、1 m和1.0 m～2.5 m為計算模型的最佳網(wǎng)格尺寸。

圖10 土體彈性模量對承載力的影響

2.2.3 土體彈性模量對承載力的影響

為研究不同土體彈性模量對計算結(jié)果的影響，分別取土體彈性模量為50 MPa、30 MPa、20 MPa、10 MPa進行計算，隔水導(dǎo)管樁模型尺寸選為D1=914 mm、D2=444 mm、L1=50 m、L2=30 m，結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出，承載力曲線拐點對應(yīng)橫坐標(biāo)無明顯差別，說明土體彈性模量對于隔水導(dǎo)管樁極限承載力影響較小，但可以看出隨著彈性模量的減小，達(dá)到極限承載力所需的樁頂位移隨之增大。

2.3 分析方法的驗證

為保證有限元分析模型的準(zhǔn)確性，選用隔水導(dǎo)管樁尺寸D1=914 mm、L1=50 m、L2= 30 m，計算5種黏土不排水剪切強度下的隔水導(dǎo)管樁豎向極限承載力，并與API規(guī)范[9]計算結(jié)果進行比較，如表4所示。從表4可以看出，有限元方法的計算結(jié)果相比API規(guī)范稍大，但幅度均在20%以內(nèi)，說明計算模型具有較高的準(zhǔn)確性及可靠性。

表4 數(shù)值計算與API計算對比

3 隔水導(dǎo)管樁結(jié)構(gòu)參數(shù)對極限承載力的影響

參照表2中隔水導(dǎo)管樁不同截面尺寸下的結(jié)構(gòu)參數(shù)，隔水導(dǎo)管與表層套管根據(jù)不同實際工況存在不同的入泥深度，簡易平臺在使用中需要多大截面尺寸、多少承載參與長度的隔水導(dǎo)管樁是值得研究的問題。為此建立不同截面尺寸、不同樁長的計算模型，分析隔水導(dǎo)管樁結(jié)構(gòu)參數(shù)對其極限承載力的影響規(guī)律。

3.1 樁徑對承載力的影響

根據(jù)表2的參數(shù)計算不同截面尺寸下的隔水導(dǎo)管樁極限承載力，其中L1=50 m、L2=20 m，計算結(jié)果如圖11所示，可以看出隨著上樁段截面尺寸D1的增大，其承載力呈線性增長趨勢。

圖11 樁徑對承載力的影響

3.2 樁長對承載力的影響

分別計算不同L1與L2情況下的隔水導(dǎo)管樁承載力曲線，結(jié)果如圖12所示。

圖12 樁長對承載力的影響

從圖12的結(jié)果可以看出，增加上樁段樁長L1比增加下樁段樁長L2可更有效地提高隔水導(dǎo)管樁豎向極限承載力，且下樁段樁長超過一定長度時，承載力曲線呈折線，在隔水導(dǎo)管樁上樁段端部出現(xiàn)塑性破壞后，下樁段的承載能力才逐漸激發(fā)，存在滯后效應(yīng)，因此增加L2提高隔水導(dǎo)管樁的承載力需犧牲更大的樁頂位移。

3.3 實心樁與空心樁的差異分析

鋼管樁基礎(chǔ)內(nèi)部土塞會影響其承載模式[10]，隔水導(dǎo)管樁內(nèi)部不存在土塞即為空心樁。為對比常規(guī)管樁存在土塞下的計算結(jié)果，選用隔水導(dǎo)管樁尺寸D1=914 mm、D2=444 mm、L1=50 m、L2=30 m，建立相應(yīng)的實心樁模型計算，結(jié)果如圖13所示。

從圖13的結(jié)果可以看出，相同尺寸下的實心樁與空心樁豎向極限承載力分別為9 047.8 kN和8 949.65 kN，兩者無明顯差別，造成這一現(xiàn)象的原因是隔水導(dǎo)管樁下樁段端面積較小，對實心樁承載力貢獻較少。

圖13 空心樁與實心樁對比

4 結(jié) 論

以隔水導(dǎo)管樁基礎(chǔ)為研究對象，利用有限元方法揭示了其豎向承載機理，分析了有限元模型參數(shù)及隔水導(dǎo)管樁結(jié)構(gòu)參數(shù)對其豎向極限承載力的影響規(guī)律，研究成果可為使用隔水導(dǎo)管樁部分替代原有鋼管樁基礎(chǔ)提供參考。具體結(jié)論如下：

(1) 對有限元分析模型中土體尺寸、網(wǎng)格尺寸、彈性模量進行了參數(shù)敏感性分析，結(jié)果表明：當(dāng)土體模型直徑取為20D1時可以消除邊界效應(yīng)的影響；徑向網(wǎng)格尺寸對計算結(jié)果影響較大，樁長方向網(wǎng)格尺寸影響較小，考慮到計算時長、計算精度和網(wǎng)格形狀的影響，確定徑向網(wǎng)格尺寸選為0.05D1～1.50D1，樁長方向1網(wǎng)格尺寸為1 m，樁長方向2網(wǎng)格尺寸為1.0 m～2.5 m；土體彈性模量對隔水導(dǎo)管樁豎向極限承載力計算結(jié)果影響較小。

(2) 上樁段結(jié)構(gòu)參數(shù)對隔水導(dǎo)管樁豎向承載力影響較大，下樁段起次要作用。隔水導(dǎo)管樁豎向極限承載力隨著D1的增加而線性增大；增加上樁段樁長L1比增加下樁段樁長L2可更有效地提高隔水導(dǎo)管樁豎向極限承載力，增加L2提高隔水導(dǎo)管樁的承載力需犧牲更大的樁頂位移。

(3) 渤海地區(qū)常用的表層套管截面尺寸較小，下樁段端面積較小，因此相同尺寸下的實心樁與空心樁豎向極限承載力相差較小。