舊樁坑對(duì)自升式平臺(tái)插樁穩(wěn)定性的影響及對(duì)策

安有杰

摘 要：本文詳細(xì)分析了舊樁坑對(duì)自升式平臺(tái)插樁穩(wěn)定性的影響因素，總結(jié)了防范二次插樁滑移風(fēng)險(xiǎn)的措施，最后對(duì)作業(yè)流程提出建議。主要因素為樁坑幾何形狀、樁靴尺寸形態(tài)、偏心距、樁坑土體特性和平臺(tái)結(jié)構(gòu)。措施具體包括規(guī)避樁坑、整修樁坑、改進(jìn)樁靴和調(diào)整平臺(tái)重心等手段，其目的多是減小樁坑和周邊土體之間地基承載力的差異，減小滑移載荷。平臺(tái)重復(fù)就位作業(yè)流程與初次就位有所不同，需要更詳細(xì)的勘察分析和復(fù)雜的安裝。

關(guān)鍵詞：舊樁坑;自升式平臺(tái);插樁;滑移

0 前言

近年來(lái)，隨著海上開(kāi)發(fā)活動(dòng)的增加，自升式鉆井平臺(tái)在同一或相近位置進(jìn)行二次甚至多次作業(yè)的情況越來(lái)越普遍。以渤海某井位為例，從2009年11月初次就位至2019年12月，十年內(nèi)就有5個(gè)平臺(tái)在該井位周邊進(jìn)行作業(yè)。平臺(tái)拔樁后會(huì)在海床上遺留直徑達(dá)十幾米的凹坑，也稱作“腳印”，坑內(nèi)回填的是高擾動(dòng)土，周邊為原始土或輕擾動(dòng)土，這就導(dǎo)致海床地基承載力出現(xiàn)明顯不均。二次插樁時(shí)，土體強(qiáng)度的差異會(huì)造成樁靴底部阻力與樁軸不重合，產(chǎn)生水平向的偏心力[1]，這兩種力作用下，樁靴可能滑向舊樁坑，嚴(yán)重影響平臺(tái)穩(wěn)定性，這種現(xiàn)象稱為“踩腳印”或“二次插樁”。

踩腳印問(wèn)題是平臺(tái)重復(fù)就位面臨的主要難題之一，輕則導(dǎo)致平臺(tái)就位精度不足，重則引起平臺(tái)結(jié)構(gòu)變形甚至傾覆，處理不當(dāng)就會(huì)造成嚴(yán)重的工程事故和重大經(jīng)濟(jì)損失。舊樁坑對(duì)插樁穩(wěn)定性的影響，本質(zhì)上是非均勻地基上的基礎(chǔ)承載力問(wèn)題。由于涉及水--土--結(jié)構(gòu)之間高度非線性過(guò)程，傳統(tǒng)承載力計(jì)算方法不能合理地解決該問(wèn)題。而且國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究較少，過(guò)程機(jī)理尚不十分明確[2]。本文結(jié)合工程實(shí)踐和總結(jié)己有研究，詳細(xì)分析舊樁坑對(duì)二次插樁穩(wěn)定性的影響因素，討論應(yīng)對(duì)滑移風(fēng)險(xiǎn)措施，對(duì)作業(yè)流程提出建議。

1 影響因素分析

自升式平臺(tái)重新就位對(duì)舊樁坑的響應(yīng)復(fù)雜，樁靴滑向樁坑的趨勢(shì)由水平力和樁靴對(duì)樁腿與船體的連接處的力矩大小來(lái)衡量。影響二次插樁穩(wěn)定性的因素為樁坑幾何形狀、樁靴尺寸形態(tài)、偏心距、樁坑土體特性和平臺(tái)結(jié)構(gòu)等，下面詳細(xì)分析各因子及其影響。

1.1 樁坑幾何形狀

樁坑形態(tài)對(duì)于樁靴所受水平力和彎矩等滑移載荷有較大影響，一般來(lái)說(shuō)，滑移載荷隨樁坑坡度、深度和直徑的增加而增大。樁坑幾何參數(shù)與原狀土特性、樁靴形態(tài)尺寸、插樁深度和土體回填程度有關(guān)，在同等條件下，直徑和深度隨土體強(qiáng)度的降低而增大。

樁坑尺寸現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的公開(kāi)數(shù)據(jù)很少，唯一能查到的是歐洲北海某深水平臺(tái)在硬黏土上留下的腳印，樁靴直徑18.18m，深度5m[1]。通過(guò)對(duì)比渤海某淺海平臺(tái)作業(yè)前后水深，本文得出直徑11.5m的樁靴在粉土地基上，可形成直徑約12.4m，深度在2.0-4.0m內(nèi)的樁坑。再結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果[2]，樁坑直徑一般在1.0D-2.0D（樁靴直徑D），深度約為0.1D-0.3D。此外，樁靴在拔插過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致樁坑邊緣海床隆起，影響范圍約2D。

1.2 樁靴尺寸形態(tài)

二次插樁的樁靴尺寸形態(tài)通常與原樁靴不同。一般來(lái)說(shuō)，樁靴直徑相對(duì)舊樁坑尺寸越小，受影響就越大。目前應(yīng)用最多的是傳統(tǒng)紡錘形樁靴，這種樁靴要求海床平緩、土體均勻，其底面坡度對(duì)滑移載荷有較大影響，易發(fā)生滑移。

1.3 偏心距

偏心距是指發(fā)生滑移荷載的樁坑中心和樁靴中心之間的距離。二次插樁時(shí)，其對(duì)滑移載荷的影響十分明顯，載荷隨偏心距的增加先增大后減小，因此存在一個(gè)最不利距離，多出現(xiàn)在0.5D-1.0D之間，超過(guò)1.3D-1.5D時(shí)樁坑的影響就比較小了。在垂向上，出現(xiàn)最大滑移載荷的深度通常要低于樁坑深度。

1.4 腳印土體特性

樁坑內(nèi)土體的強(qiáng)度在水平和垂直向都變得不均，插樁較深的樁坑土體強(qiáng)度分布更加不規(guī)律。由于土體抗剪強(qiáng)度不連續(xù)，會(huì)致使樁靴向樁坑滑移，說(shuō)明海床土體強(qiáng)度不均是二次插樁失穩(wěn)的主導(dǎo)因素。

坑內(nèi)土體強(qiáng)度與原狀土、插拔樁擾動(dòng)和拔樁后固結(jié)程度有關(guān)。強(qiáng)烈擾動(dòng)在距插樁中心線0.75D范圍內(nèi)，1.5D之外的土體基本不受影響，兩者之間為輕擾動(dòng)。拔樁后坑內(nèi)土體強(qiáng)度隨時(shí)間逐漸恢復(fù)，初次插樁1-2年內(nèi)，土體強(qiáng)度與剛拔樁時(shí)差異較小;隨時(shí)間增加，土體強(qiáng)度接近原狀土甚至更硬?？傊?，兩次就位間隔較長(zhǎng)時(shí)，二次插樁同首次的區(qū)別主要由樁坑幾何特性引起;間隔較短時(shí)，受樁坑土體強(qiáng)度變化的影響更大。

1.5 平臺(tái)結(jié)構(gòu)特性

目前，平臺(tái)結(jié)構(gòu)特性對(duì)二次插樁穩(wěn)定性的影響尚不明確[2]。自升式平臺(tái)作為船體和樁腿的組合體共同作業(yè)，除樁坑引起的承載力差異，樁腿還受到平臺(tái)約束。若樁腿與平臺(tái)完全固定，則樁靴傾向于垂直插入;若樁腿鉸接于平臺(tái)，則樁靴更傾向于滑入樁坑。若不考慮平臺(tái)系統(tǒng)特性，可能會(huì)低估單條樁腿的滑移幅度。

2 滑移風(fēng)險(xiǎn)處理

2.1 防范措施

鑒于老腳印帶來(lái)的危害，需要在作業(yè)過(guò)程中予以防范處理。基于對(duì)插樁穩(wěn)定性影響因素的認(rèn)識(shí)，從設(shè)計(jì)到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，總結(jié)各階段的有效措施。

在設(shè)計(jì)階段，要盡可能規(guī)避舊樁坑的影響，建議二次插樁樁靴邊緣距樁坑邊緣不低于一倍的樁靴直徑，對(duì)軟土地基，可能需要更大的距離，這也是現(xiàn)行規(guī)范的要求。若受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，無(wú)法規(guī)避時(shí)，盡可能采用與先前完全相同的平臺(tái)在相同地點(diǎn)作業(yè)，或者盡量減少可能發(fā)生滑移的樁腿數(shù)量。

在施工階段，針對(duì)不同影響因素，分別采取整修樁坑、改進(jìn)樁靴和調(diào)整平臺(tái)重心等處理措施。整修樁坑可使地基平整，減小樁靴所受水平力和彎矩，包括直接充填和踩平樁坑。直接填平需要選用與周邊土體工程性質(zhì)相近的材料，否則不但不能減小地基差異，還可能增加風(fēng)險(xiǎn)。踩平樁坑是指在接近舊樁坑相對(duì)安全的距離處，通過(guò)一定深度的預(yù)壓載、橫向拖動(dòng)平臺(tái)和長(zhǎng)時(shí)間沖樁等手段，強(qiáng)迫周邊土體進(jìn)入樁坑。傳統(tǒng)倒錐形樁靴易發(fā)生滑移，改變樁靴結(jié)構(gòu)，可有效增加插樁穩(wěn)定性。比如桶形基礎(chǔ)與海床接觸后，筒壁方便插入土體，能提高水平荷載承受能力。在樁靴上預(yù)留孔洞，亦可有效減小水平力。

預(yù)壓載前，保持樁靴接觸床面，不斷調(diào)整平臺(tái)重心，使樁腿一定程度升降擺動(dòng)，可改變舊樁坑周邊地形和土體性質(zhì)，消除扭矩，降低滑移風(fēng)險(xiǎn);壓載過(guò)程中，則通過(guò)不斷調(diào)整平臺(tái)的水平度，減小平臺(tái)與樁腿的傾角，使樁腿能盡可能垂直入泥，避免載荷過(guò)大而造成機(jī)械損壞。

2.2 施工建議

平臺(tái)就位前，會(huì)對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)物探調(diào)查。只有掌握充分海床狀況，作業(yè)才有保障。常用調(diào)查規(guī)范不能滿足存在樁坑的情況，需要加密測(cè)量，才能為預(yù)判滑移風(fēng)險(xiǎn)、樁坑處理和施工過(guò)程等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

平臺(tái)到達(dá)預(yù)定井位后，就位作業(yè)前，應(yīng)仔細(xì)分析設(shè)計(jì)方案可能存在的滑移趨勢(shì)，樁靴入泥位置距最終就位位置應(yīng)保持一定余量。在插樁過(guò)程中，應(yīng)優(yōu)先安裝無(wú)滑移或風(fēng)險(xiǎn)小的樁腿，以增加系統(tǒng)剛性抑制可能的滑移，再對(duì)老腳印附近的樁腿進(jìn)行插樁。對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)大的井位插樁，樁腿每入泥約半米時(shí)，應(yīng)暫時(shí)停止放樁，靜載觀察一段時(shí)間，確保不出現(xiàn)大的滑移現(xiàn)象，直至插樁完畢。進(jìn)行壓載作業(yè)時(shí)，建議適當(dāng)增加壓載觀測(cè)時(shí)間，使底部持力層充分壓實(shí)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的滿壓載，方可升平臺(tái)作業(yè)。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，舊樁坑會(huì)給平臺(tái)重復(fù)就位帶來(lái)安全隱患，樁坑對(duì)二次插樁穩(wěn)定性的影響主要取決于樁坑幾何形狀、樁靴尺寸形態(tài)、偏心距、樁坑土體特性和平臺(tái)結(jié)構(gòu)等，每個(gè)參數(shù)都不同程度地影響滑移載荷。但踩腳印問(wèn)題的核心是非均勻地基上的基礎(chǔ)承載力問(wèn)題，采取的處理措施多是減小舊樁坑和周邊土體之間承載力的差異。二次插樁作業(yè)流程也與初次有所不同，需要更詳細(xì)地勘察分析計(jì)算和復(fù)雜的安裝。但目前對(duì)踩腳印失穩(wěn)機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍處在定性階段，還需要大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和大比例室內(nèi)模型試驗(yàn)，才能定量化舊樁坑的影響，更準(zhǔn)確地指導(dǎo)實(shí)踐。

參考文獻(xiàn)：

[1] Kong V W.Jack-Up Reinstallation near Existing Footprints[D].Perth，Australia： University of Western Australia，2012.

[2]汪纖.自升式平臺(tái)樁靴踩腳印失穩(wěn)機(jī)理有限元分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2016.