自升式海洋平臺地基強度穩定性分析

李紅濤,李 曄

(中國船級社海工審圖中心,天津 300457)

自升式海洋平臺地基強度穩定性分析

李紅濤,李 曄

(中國船級社海工審圖中心,天津 300457)

自升式海洋平臺地基強度穩定性是保證作業安全的基本條件。結合土力學理論及有限元分析,提出一套較完整的地基強度穩定性分析方法,并結合一個實際算例,探討影響地基強度穩定性的幾個關鍵因素,對平臺設計人員及使用者具有一定的參考價值。

自升式平臺;地基強度穩定性;土力學;有限元

Abstract:Foundation stability is important for jack-up safe operation.Based on soil mechanics and finite element analysis,the method of foundation stability assessment is suggested.Asan example,the foundation stability for a jack-up with truss legs isanalyzed and a few important factors influencing foundation stability are discussed.This papermay be useful for designers and operators.

Key words:jack-up;foundation stability;soilmechanics;finite element

自升式海洋移動式平臺是海洋石油開發中被廣泛應用的一種平臺。平臺就位前需要對地基進行穩定性分析,保證平臺作業安全。在海洋油氣開發史上,由于對海洋工程地質調查和研究不夠,對地基強度穩定性分析不足,造成平臺樁腿突然刺穿或滑移的情況時有發生[1],因此自升式海洋平臺進入井位作業前,必須做海底調查和地基強度穩定性分析。然而自升式移動平臺由于作業要求經常移位,海床土壤條件經常變化,且海底土質復雜難料,地基強度穩定性分析變得繁瑣、困難,各國船級社對其分析方法也沒有明確規定。參考國內外學者最新研究成果[2-4],試圖建立起較完整的地基強度穩定性分析方法,希望對平臺設計者、使用者提供幫助。

1 地基強度穩定性分析

1.1 預壓載分析

自升式海洋平臺就位之后,需進行預壓載。預壓是通過壓載水施加重量載荷,使平臺樁靴的對地壓力達到操作手冊規定值[5]。預壓是保證自升式平臺地基強度穩定性的重要措施,是保證作業安全的基本條件。預壓載分析是確保下風向樁腳處的地基強度穩定性,可按如下公式確定:

式中:φS為許用系數,可取為0.9;VL0為單樁預壓載量,可根據平臺的操作手冊得到;QV為平臺站立狀態下的下風向樁腳壓力,可由以下公式計算:

式中:VD為船體重量引起的樁腳壓力;VL為最大可變載荷引起的樁腳壓力;VE為風、浪、流及P-Delta效應引起的樁腳壓力;VDn為波浪慣性力引起的樁腳壓力;系數1.15是考慮環境因素的不確定性給出的放大系數。

通過式(1)、(2)可以確定平臺的預壓載量,必須使預壓載量大于或等于QV/φS。

1.2 土壤承載力分析—基礎鉸支

土壤承載力分析是指地基能夠抵抗平臺樁腳在橫向、垂向載荷作用下的下沉、滑移能力。本節提供的方法適用于平臺模型邊界條件為鉸支的情況。

1.2.1 下風向樁腳處的土壤承載力

處于下風向樁腳處的地基應滿足如下公式:

式中:φS為許用系數,可取為0.9;QVH為下風向樁腳的橫向、垂向壓力,可按如下公式計算:

式中:VHD為船體重量引起的橫向、垂向樁腳壓力;VHL為最大可變載荷引起的樁腳橫向、垂向壓力;VHE為風、浪、流及P-Delta效應引起的樁腳橫向、垂向壓力;VHDn為波浪慣性力引起的樁腳橫向、垂向壓力。

式(3)中的FVH為海底地基的橫向、垂向承載能力,可按如下公式計算[6]:

式中:A為樁靴底面與土壤接觸投影面積;γ′為土壤密度;B為樁靴直徑;Nγ、Nq為承載力系數;Sγ、Sq、Sc為承載力形狀系數;dγ、dq、dc為承載力深度系數;cu為土的不排水抗剪強度;為填土壓力,當沒有土壤回填時,為0;m為樁靴支撐形狀系數,圓形一般取為1.5。

橫向承載能力可按如下公式計算[6]:

式中:kp為被動土壓系數;ka為主動土壓系數;h1為樁靴最大面積處入泥深度,如樁靴沒有完全入泥,取為0;h2為樁靴尖端入泥深度;As為入泥樁靴側向投影面積;cu0、cu1分別為樁靴最大面積處、樁靴尖端處的不排水抗剪強度。

由式(5)和(6)可得到地基垂向-橫向承載能力曲線,即FVH-FH曲線,再乘以 φS后可得到容許承載能力曲線。當求得下風向樁腳處的垂向、橫向力后,與FVH-FH曲線比較,當位于曲線包絡范圍內,則認為地基強度穩定性是可靠、安全的。

1.2.2 迎風向樁腳處的土壤承載力

迎風向樁腳處的土壤承載力應滿足抗滑移要求,即

式中:φS為許用系數,當砂土時取0.8,當粘土時取0.64;QH、QV即為按式(4)求得的迎風向樁腳處橫向、垂向壓力;FH為地基橫向承載能力,即

式中:δ為土壤摩擦角;cu0、cu1分別為樁靴最大面積處、樁靴尖端處的不排水抗剪強度。

1.3 土壤承載力分析—彈性支撐

當平臺計算模型考慮樁腳與土壤的相互作用時,邊界條件應定義為彈性支撐。本節提供的方法適用于平臺模型邊界條件為彈性支撐的情況。

采用彈性支撐時,需考慮3個方向的剛度系數,即垂向剛度系數K1,水平剛度系數K2,旋轉剛度系數K3。其中旋轉剛度系數K3需迭代才能計算完成。

三個初始計算剛度系數可由下式計算得到:

計算得到樁腳三個方向的壓力,即橫向力QH、垂向力QV和旋轉力矩QM后,應代入屈服極限函數中進行分析,此函數可表示[6]:

式中:砂土時,HL0=0.12VL0,ML0=0.075VL0B;粘土時,HL0=cu0A+(cu0+cu1)As,ML0=0.1VL0B。

對于給定樁腳壓力(QV,QH,QM),代入上述屈服極限函數FY,如果小于零,則樁腳壓力(QV,QH,QM)落于屈服界限之外;反之,位于界限之內。當給定樁腳垂向力和橫向力,由上述式(10)可得到樁靴的可容許最大轉矩,即:

考慮樁腳與土壤相互作用的迭代計算過程:

1)采用式(9)所計算得到的初始彈性剛度作為邊界條件,分析平臺模型在重力、環境力及慣性力作用下的響應;

2)由步驟1)計算得到的(QV,QH,QM)代入屈服極限函數式(10),如果FY值小于零,則減小旋轉剛度K3,重復對模型進行計算;

3)重復步驟2)的計算,直到平臺每個樁靴的(QV,QH,QM)落于屈服界限上,如果QM減小到零,FY值仍小于零,則此承載力校核失敗;

4)如果步驟1)中首次計算得到的(QV,QH,QM)落于屈服界限之內,則旋轉剛度K3進一步修正,K3=

5)最終得到的樁腳壓力需滿足:①屈服極限函數值FY大于或等于零;②QV,QH應滿足式(3);③抗滑力應滿足式(7);④校核范圍是平臺的全部樁腳。

1.4 地基強度穩定性分析流程

綜合上述1.1、1.2及1.3節內容,自升式移動平臺的地基強度穩定性分析流程如圖1所示。

2 算例

以某一帶樁靴的桁架式三樁腿自升式移動平臺為例,分析其作業區域的地基強度穩定性。平臺結構有限元計算模型如圖2所示。通過此模型可計算樁腳壓力,基礎鉸支或彈性支撐通過模型邊界條件進行設定。

此平臺的主要參數及作業環境條件如表1所示。土壤參數如表2所示。

2.1 預壓載分析結果

選取120°環境載荷方向的下風向樁腳的壓力進行分析,此環境載荷方向是引起最大樁腳壓力的方向。各部分載荷引起的樁腳壓力如表3所示。

由表3可知,QV>φSVLo,需對此樁腳處土壤穩定性按1.2.1節進行校核。

2.2 土壤承載力分析結果—基礎鉸支

由表3結果可知,QVH=[56.635MN,6.578MN],為校核地基強度穩定性,需按式(5)和(6)計算土壤的承載能力。

2.2.1 砂土

假定此移動平臺作業海床為砂土,計算得到相應變量數值如表4所示。

表1 作業條件Tab.1 Operation condition

表2 土壤參數Tab.2 Soil characteristics

圖1 地基強度穩定性分析流程Fig.1 Flow chartof foundation stability assessment

表3 下風向樁腳壓力Tab.3 Reaction value for leeward leg

表4 砂土承載能力 FVH-FHTab.4 Bearing capacity FVH-FHfor sand

圖3為砂土地基垂向-橫向承載力示意圖。內側的曲線是乘以系數0.9之后的容許承載力曲線圖。很明顯,QVH=[56.635MN,6.578MN],在容許承載力曲線包絡范圍內,因此,地基滿足1.2.1節穩定性要求。

圖2 有限元模型Fig.2 FEmodel

圖3 砂土承載能力包絡Fig.3 Bearing capacity envelope for sand

2.2.2 粘土

當FVH=QV/0.9=56.635/0.9=62.93 MN,FH沒有解,也就是說,QVH在容許承載力曲線包絡范圍外,即當地基土質為粘土時,承載力不滿足1.2.1節要求。

2.3 抗滑移分析結果

按1.2.2節要求,需對迎風樁腳處的土壤進行抗滑移分析。右舷尾部樁腳的壓力如下表5所示。

表5 迎風向樁腳壓力Tab.5 Reaction value for windward leg

2.3.1 砂土

將表5中的QV代入式(8),可得到砂土地基的橫向承載能力,即FM=16.24tan33°+0.062=10.608MN,所以按式(7)校核,即QH=7.126MN≤0.8FH=8.487MN。

對于砂土地基,抗滑性能滿足要求。

2.3.2 粘土

按式(7)校核抗滑性,即QH=7.126MN>0.64×9.482=6.068MN。因此,對于粘土地基,抗滑性能不滿足要求。

2.4 小結

總結算例平臺在設計條件下的地基強度穩定性,如下表6所示。

表6 地基強度穩定性分析結果Tab.6 Results of foundation stability assessment

3 結 語

由上述分析可得到以下結論:

1)環境條件對平臺樁腳壓力影響較大,尤其當水深較大,且環境條件惡劣時,對地基強度穩定性影響更為顯著;

2)有限元邊界條件對結構強度和地基強度穩定性分析影響較大,樁腳處鉸支,計算分析結果相對保守,而彈性支撐,更接近實際,但需計及泥土參數,受作業地質限制;

3)樁靴尺寸是影響地基強度穩定性的重要因素,樁靴設計時既要保持足夠的尺寸,保證地基承載力,又要考慮尺寸效應對入泥、拔樁的影響,因此需綜合權衡;

4)考慮到實際土壤的復雜性和不確定性,采用公式大多為經驗公式,且只分析了砂土和粘土地基,對于其它類型的土壤,有待于進一步研究。

[1] 邢 延.自升式鉆井船樁腳插入深度計算[J].巖土工程學報,1991,13(5):36-45.

[2] M JCassidy,GTHoulsby,M Hoyle.Determining appropriate stiffness levels for spudcan foundations using jack-up case records[C]∥Proceedingsof OMAE2002.2002:307-318.

[3] Susan Gourvenec,Mark Randolph.Bearing capacity of a skirted foundation under VMH loading[C]∥Proceedings of OMAE2003.2003:413-416.

[4] SMicic,K YLo,JQ Shang.A new technology for increasing the load-carrying capacitiesof offshore foundations in soft clays[C]∥Proceedingsof OTC2003.2003:10.4043/15264-MS.

[5] 中國船級社.海上移動平臺入級與建造規范[S].北京:人民交通出版社,2005.

[6] SNAME-RP T&RBulletin 5-5A,Recommended practice for site specific assessmentofmobile jack-up units[S].The Society of Naval Architects and Marine Engineers,2002.

Study on foundation stability assessment for jack-up

LIHong-tao,LIYe
(Offshore Engineering Plan Approval Centerof CCS,Tianjin 300457,China)

P752

A

1005-9865(2011)01-0105-06

2010-05-17

李紅濤(1976-),男,天津人,博士,從事海洋工程結構設計與研究工作。E-mail:htli@ccs.org.cn