韓 亮, 李 春, 王毅恒

(1. 四川輕化工大學(xué), 四川 自貢 643000;2. 中國石油集團工程技術(shù)研究有限公司, 天津 300451)

0 引言

隔水管是海洋石油鉆井工程中用于隔絕海水的重要設(shè)備,具有高投入、高技術(shù)、高風(fēng)險等特點。隔水管大多由鋼質(zhì)材料制成,整體上類似于鋼管樁。通常利用浮吊和液壓錘或柴油錘,以錘擊方式貫入至海底泥面以下較深的土層中。相比于海上其他鋼管樁結(jié)構(gòu),隔水管具有長徑比更大,泥面以上無土阻力段更長,管壁厚度更小等突出特征。一般來講,石油平臺導(dǎo)管架鋼管樁基礎(chǔ),樁徑2 000～3 000 mm,樁長80 m以內(nèi)為多,即長徑比小于50;而淺海隔水管直徑大多小于1 000 mm,長度接近或超過100 m,即長徑比接近或超過100。隔水管端部持力土層標(biāo)高與鋼管樁相同,使得泥面和水面以上無土阻力段長度較長。此外,鋼管樁壁厚多為50～70 mm,而隔水管壁厚多為20～40 mm,明顯更薄,更易屈服變形。由此可見,隔水管處于長徑比大、無土阻力段長且管壁薄等不利于荷載傳遞的狀況。只有隔水管本身結(jié)構(gòu)完好并能充分調(diào)動各土層的土阻力時,才能保證提供足夠的豎向抗壓承載力[1-3]。因此,準(zhǔn)確確定隔水管豎向抗壓承載力是海上石油鉆井安全的關(guān)鍵因素之一。

隔水管在淺海域通常被設(shè)計成管群,由十幾根或更多組成,管間距僅2 000～3 000 mm。由于勘察鉆孔數(shù)量有限,常給隔水管承載力設(shè)計和計算帶來困難,采用動力試驗法檢測并確定實際隔水管豎向抗壓承載力正在逐漸地成為主流。雖然隔水管長徑比大于鋼管樁,但整體上仍然呈現(xiàn)出一維彈性桿的特征,符合動力試驗法使用前提[4]。目前,在隔水管動力試驗檢測承載力方面的應(yīng)用和研究尚比較少。本文依托某實際海洋石油鉆井工程,開展了現(xiàn)場動力試驗和波動擬合計算承載力研究,分析連續(xù)錘擊下管土體系動力特性及殘余應(yīng)力產(chǎn)生和作用機理,提出殘余應(yīng)力分析方法。在波動擬合承載力中,重點考慮殘余應(yīng)力作用,得到符合實際受力狀況的土阻力分布和承載力。開展長徑比超大的隔水管承載力動測分析研究,對其在海洋石油鉆井工程安全應(yīng)用方面具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 依托工程概況

某大型海洋石油鉆井平臺工程位于渤海灣西部,管群由16根隔水管組成,管間距呈南北向2 200 mm,東西向2 700 mm。設(shè)計階段發(fā)現(xiàn),勘察巖土力學(xué)參數(shù)與附近已建成平臺相比存在著明顯差異,導(dǎo)致相同管徑、管長、壁厚和入土深度情況下該工程隔水管豎向承載力明顯偏低。設(shè)計人員通常會加大管徑,以達到與附近平臺隔水管相當(dāng)?shù)某休d力水平。由于隔水管管壁厚度往往較薄,增大管徑可能帶來貫入過程中結(jié)構(gòu)損傷,甚至出現(xiàn)拒錘等風(fēng)險。為了確定實際承載力,采用現(xiàn)場動力試驗法對4根隔水管開展檢測和波動擬合分析計算。

1.1 隔水管基本參數(shù)

隔水管直徑:925 mm,管長:102.2 m,長徑比高達110.3;入泥深度:80.0 m,從泥面至管頂部的無土阻力段長度高達22.2 m;沿管身壁厚變化,自上而下分為三個部分,最大值為38 mm,最小值為25 mm。根據(jù)壁厚和彈性模量計算的有效橫截面積和波阻抗,詳見表1所列。

1.2 土層特征

場地土以淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂等地層為主,10 m以內(nèi)為淤泥質(zhì)土,以下主要為粉質(zhì)黏土和粉土交互出現(xiàn)?？傮w上,土體強度呈上軟下硬狀態(tài)。持力層為粉質(zhì)黏土層。土層分布情況詳列于表2。

1.3 打樁錘參數(shù)

考慮到上部土層軟弱可能引起嚴(yán)重溜樁,先使用振動錘將隔水管貫入到泥面以下一定深度后,更換D128型柴油錘繼續(xù)貫入至設(shè)計深度。柴油錘主要性能指標(biāo)見表3所列。

表3 柴油錘主要性能指標(biāo)Table 3 Main performance indexes of diesel hammer

2 殘余應(yīng)力特性分析

在錘擊作用下,隔水管周邊土體進入塑性變形狀態(tài),意味著各層土體摩阻力及其端阻力被充分激發(fā)出來。管頂附近事先安裝應(yīng)變和加速度傳感器,實測連續(xù)錘擊下力和速度時程曲線。利用實測曲線擬合法求解一維波動方程,得到符合隔水管實際受力狀況的側(cè)摩阻力和端阻力,進而獲得豎向抗壓承載力[5-8]。

2.1 隔水管殘余應(yīng)力產(chǎn)生機理

在常規(guī)的波動方程計算中,管土單元采用Smith模型[9-11],它假設(shè):(1)某一錘擊開始時,管土中的力為零;(2)該錘擊結(jié)束時,管體開始回彈,但處于無應(yīng)力狀態(tài)。這種零初始條件對于長徑比小、長度較短或側(cè)摩阻力小的情況基本正確,但對于長徑比過大隔水管來說,在貫入過程中需要穿越各種土層,側(cè)摩阻力及端土阻力不斷變化,土體最大彈性位移值變化很大。常規(guī)方法分析和計算承載力的誤差很大。

隔水管在沉管過程中將會產(chǎn)生顯著的殘余應(yīng)力,主要原因有兩種情況。其一,通常隔水管端部土體最大彈性位移值大于管側(cè)土最大彈性位移值,在連續(xù)貫入過程中,某一錘擊作用后,管端土趨向于將管體向上推至一個相對長的距離,使管側(cè)土單元向上運動。由于最大彈性位移值小,管側(cè)土單元已經(jīng)開始卸載,管側(cè)土阻力首先減小到零,再變成負值,直到管端向上的正土阻力與管側(cè)向下的負土阻力達到靜力平衡。此時,隔水管處于靜止?fàn)顟B(tài)且壓縮力保存在管體和土體中,形成殘余應(yīng)力。該錘擊作用結(jié)束后保留在管體內(nèi)的殘余應(yīng)力對下一次錘擊作用可作有用功[12]。其二,隔水管具有高彈性,當(dāng)遇到管側(cè)土阻力較高時,也會產(chǎn)生殘余應(yīng)力。即某一錘擊開始時,由于隔水管彈性較高,上部管體會強烈向下運動,產(chǎn)生較大位移,而端部此時由于較高側(cè)土阻力阻止,導(dǎo)致貫入較小。當(dāng)該錘擊作用結(jié)束時,上部管體試圖回彈較大距離,而管端部回彈較小,則上部管側(cè)土阻力變負,隔水管處于受壓狀態(tài)。當(dāng)下一次錘擊作用時,上部管側(cè)土阻力首先由負變?yōu)榱?然后再產(chǎn)生向上的正阻力。此時,端阻力因上一次錘擊作用后已經(jīng)處受壓狀態(tài),只需要較小的位移便能發(fā)揮出來。可見,第一次錘擊作用后,隔水管中就保留有殘余應(yīng)力。

2.2 殘余應(yīng)力分析

殘余應(yīng)力是長徑比超大的隔水管在錘擊后回彈不充分產(chǎn)生的,部分錘擊能量保存在隔水管體和周邊土體中。由于管體過長,某一錘擊作用下,應(yīng)力波經(jīng)過一段時間傳播引起下部土體壓縮變形時,上部土體已經(jīng)開始卸載。該錘擊后,各個土單元在殘余應(yīng)力參與下處于靜力平衡狀態(tài)?？梢?如果波動擬合計算承載力時不考慮殘余應(yīng)力,將會低估下部土阻力和位移,而高估上部土阻力和位移。

殘余應(yīng)力分析就是管土系統(tǒng)完全靜止或達到靜力平衡狀態(tài)時找出位移和靜土阻力值。在第一次常規(guī)動力分析后,得到一組單元位移ufi和靜阻力值Rfi,如式(1)和(2)所示:

ufi,i=1,2,…,N

(1)

Rfi,i=1,2,…,N+1

(2)

然后,利用這組位移、靜阻力及最大彈性位移值,進行靜力分析[13-14]。計算靜力平衡(即所有速度為零)狀態(tài)下單元位移ui和靜土阻力Rsi。如式(3)所示。靜力分析中,樁土模型表達式與動力分析相同,忽略了阻尼力。

(3)

式中:qi為第i單元最大彈性位移值,單位為mm。

第二次動力分析時,把第一次靜力分析的位移和土阻力作為初始值。在動力分析后,再進行靜力分析。經(jīng)過3次以上重復(fù)這個過程后,把當(dāng)前的管頂位移當(dāng)作貫入度,與前一次分析的貫入度比較。如果貫入度之差小于0.1%時,就終止分析。分析結(jié)束后的各單元土阻力分布更符合實際受力狀況。

由以上分析可見,殘余應(yīng)力分析考慮了隔水管與土體的初始受力條件,可有效地修正在不考慮殘余應(yīng)力時,高估上部土阻力和低估下部土阻力導(dǎo)致的結(jié)果失真,提高了計算隔水管豎向承載力和應(yīng)力分布狀態(tài)的準(zhǔn)確性。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 動力試驗分析

利用美國Pile Dynamic Analyzer分析儀對4根隔水管進行現(xiàn)場動力試驗,以檢測并確定其豎向承載力及其應(yīng)力分布狀況。采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式,現(xiàn)場試驗情形如圖1所示。無線智能應(yīng)變和加速度傳感器安裝在管頂以下3.5 m處,傳感器布置如圖2所示。數(shù)據(jù)采集主要集中在收錘階段,獲得連續(xù)錘擊下隔水管力和速度時程曲線。典型的實測曲線如圖3所示。

圖1 現(xiàn)場試驗情形Fig.1 Field test situation

圖2 傳感器布置Fig.2 Layout of sensors

圖3 典型的實測曲線Fig.3 Typical measured curves

實測曲線顯示幾個明顯特征:(1)2L/c(管長L,波速c)時刻前速度曲線已經(jīng)為負,說明因長徑比過大上部土體出現(xiàn)卸載,隔水管及管側(cè)土體中存在殘余應(yīng)力;(2)靠前部分的力和速度曲線基本重合或分開較小,說明隔水管淺部受到的土阻力較低;(3)1L/c時刻之后力與速度曲線逐漸拉開且越往后間距越大,說明隔水管中后部受到的土阻力較高;(4)2L/c時刻端部反射不明顯(但可分辨)且2L/c時刻之后力與速度曲線分開仍然較大,說明隔水管進入較好的持力層,端阻力較高;(5)實測曲線與管體阻抗剖面相對應(yīng),表現(xiàn)出隔水管結(jié)構(gòu)無損傷,完整性良好。

3.2 結(jié)果對比分析

利用實測曲線擬合法分兩種情況計算隔水管豎向承載力,即常規(guī)的不考慮殘余應(yīng)力和考慮殘余應(yīng)力。各隔水管實測曲線和計算結(jié)果均比較相近,故僅以S1隔水管為例對比說明和分析兩種計算結(jié)果。圖4為計算的土阻力分布圖,其中(a)為不考慮殘余應(yīng)力,(b)為考慮殘余應(yīng)力。

通過對比以上土阻力分布圖,可以看出考慮殘余應(yīng)力時在隔水管上部土阻力低于不考慮殘余應(yīng)力結(jié)果,而隔水管下部土阻力高于不考慮殘余應(yīng)力結(jié)果。由土層特征和實測力和速度曲線發(fā)揮特征分析,考慮殘余應(yīng)力結(jié)果更加符合管土實際受力狀況。擬合質(zhì)量MQ(Match Quality,是判定擬合計算準(zhǔn)確度的指標(biāo),MQ值越小越準(zhǔn)確)在考慮殘余應(yīng)力和不考慮殘余應(yīng)力時,分別為4.31和1.96,可見考慮殘余應(yīng)力的分析結(jié)果更加可靠。

根據(jù)計算的總靜土阻力、管側(cè)土阻力分布以及端阻力,反演靜載試驗Q-s曲線,結(jié)果詳見圖5所示。其中,實線和虛線分別代表考慮殘余應(yīng)力時和不考慮殘余應(yīng)力時計算的Q-s曲線。結(jié)果表明,考慮殘余應(yīng)力和不考慮殘余應(yīng)力時隔水管豎向承載力分別為12 680 kN和11 570 kN。顯然,考慮殘余應(yīng)力比不考慮殘余應(yīng)力時的承載力略高。

根據(jù)土阻力分布、有效橫截面積和波阻抗,計算隔水管壓應(yīng)力和拉應(yīng)力沿管身的實際分布狀況。計算結(jié)果詳見圖6所示,其中,(a)為壓應(yīng)力曲線,(b)為拉應(yīng)力曲線,實線和虛線分別代表考慮殘余應(yīng)力和不考慮殘余應(yīng)力分析結(jié)果。由圖中可見,最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別為193 MPa和56 MPa,均在允許應(yīng)力范圍內(nèi),均不會對管體造成損傷?？紤]殘余應(yīng)力時隔水管上部壓應(yīng)力低于不考慮殘余應(yīng)力,下部高于不考慮殘余應(yīng)力;而拉應(yīng)力正好相反,考慮殘余應(yīng)力時隔水管上部高于不考慮殘余應(yīng)力,下部低于不考慮殘余應(yīng)力。類似地,根據(jù)土層特征和實測力和速度曲線發(fā)揮特征分析,考慮殘余應(yīng)力結(jié)果更加符合管土實際受力狀況。

圖6 計算的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力曲線Fig.6 Curves of calculated compressive stress and tensile stress

4 結(jié)論與展望

(1) 隔水管具有長徑比大的突出特征,在連續(xù)錘擊作用下,管體及周邊土體中積聚殘余應(yīng)力,使得整個管土體系剛度加大。在對動力試驗實測數(shù)據(jù)進行波動擬合計算時,考慮殘余應(yīng)力可以更加客觀地反映管土的實際受力狀況,獲得更加準(zhǔn)確的豎向承載力和管體的壓、拉應(yīng)力分布。

(2) 殘余應(yīng)力分析考慮了隔水管與周邊土體的初始受力條件,可以有效地修正在不考慮殘余應(yīng)力時的高估上部土阻力和低估下部土阻力導(dǎo)致的誤差,提高了承載力計算的準(zhǔn)確性。工程實例結(jié)果表明,考慮殘余應(yīng)力時隔水管承載力略高于不考慮殘余應(yīng)力分析結(jié)果。

(3) 隔水管雖然長徑比大且壁厚較薄,但從錘擊應(yīng)力波傳遞來講,整體上仍然呈現(xiàn)一維彈性桿的特征,采用動力試驗法可有效地檢測并確定其豎向承載力及其應(yīng)力分布。分析和計算時,應(yīng)當(dāng)充分考慮隔水管本身結(jié)構(gòu)和動力特性,有針對性地確定或改進管土力學(xué)模型及其靜力和動力參數(shù)。

(4) 目前,在隔水管動力試驗檢測承載力方面的應(yīng)用和研究尚比較少,仍需進一步積累寶貴數(shù)據(jù)和經(jīng)驗,才能更好地發(fā)揮動力檢測的技術(shù)優(yōu)勢。