高 攀 段夢(mèng)蘭 趙良美 宋林松 黎劍波
(1. 上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院 上海 201306; 2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)海洋油氣研究中心 北京 102249;3. 中海油田服務(wù)股份有限公司 河北三河 065201)
大比尺自升式平臺(tái)插拔樁試驗(yàn)系統(tǒng)研制及驗(yàn)證*
高 攀1段夢(mèng)蘭2趙良美2宋林松3黎劍波3
(1. 上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院 上海 201306; 2. 中國(guó)石油大學(xué)(北京)海洋油氣研究中心 北京 102249;3. 中海油田服務(wù)股份有限公司 河北三河 065201)
高攀,段夢(mèng)蘭,趙良美,等.大比尺自升式平臺(tái)插拔樁試驗(yàn)系統(tǒng)研制及驗(yàn)證[J].中國(guó)海上油氣,2016,28(6):108-114.
Gao Pan,Duan Menglan,Zhao Liangmei,et al.Development and validation of a large-scale model test system for spudcan penetration and extraction[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(6):108-114.
自升式平臺(tái)順利插拔樁對(duì)其安全作業(yè)具有至關(guān)重要的作用。根據(jù)插拔樁問(wèn)題主要控制方程的相似,推導(dǎo)了1倍重力加速度模型主要物理量的相似系數(shù),建立了主要由土池、加載裝置、原位測(cè)量裝置、沖樁系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成的大比尺自升式平臺(tái)插拔樁試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以模擬自升式平臺(tái)插樁、沖樁和拔樁,能夠測(cè)量插拔樁深度和阻力,監(jiān)測(cè)樁靴底部孔隙水壓力的變化。運(yùn)用該系統(tǒng)進(jìn)行了初步插樁試驗(yàn)和邊沖邊拔的拔樁試驗(yàn),將插拔樁阻力與規(guī)范和相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確性,研究了樁靴底部孔壓的分布規(guī)律以及孔壓和插樁阻力的變化關(guān)系,證實(shí)了沖樁可以減小拔樁阻力的顯著效果。本文研制的大比尺自升式平臺(tái)插拔樁試驗(yàn)系統(tǒng)為進(jìn)一步研究自升式鉆井平臺(tái)的插拔樁阻力和沖樁效果提供了基礎(chǔ),有利于保障自升式鉆井平臺(tái)的作業(yè)安全。
大比尺;自升式平臺(tái);1倍重力加速度模型;插拔樁;沖樁;孔壓監(jiān)測(cè)
自升式平臺(tái)在就位時(shí)需要將樁靴和樁腿插入泥中,而撤離則需要將樁靴和樁腿從泥中拔起。目前,在自升式平臺(tái)進(jìn)行作業(yè)前,通常根據(jù)SNAME、ISO等標(biāo)準(zhǔn)[1-2]進(jìn)行插樁深度和拔樁阻力的計(jì)算。然而,自升式鉆井平臺(tái)的插拔樁過(guò)程仍然面臨各種各樣的挑戰(zhàn),穿刺和拔不起等事故時(shí)有發(fā)生。為了解決這些問(wèn)題,試驗(yàn)研究是最可靠、最常用的方法,因此,建立一套用于自升式平臺(tái)插拔樁模擬的試驗(yàn)系統(tǒng)是非常有意義的。
對(duì)于自升式平臺(tái)插拔樁問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外很多科研院校做過(guò)相關(guān)離心機(jī)模型試驗(yàn),包括西澳大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)和大連理工大學(xué)等。對(duì)于插樁問(wèn)題,Craig等[3]對(duì)均勻砂、黏土和砂覆黏土中的插樁進(jìn)行了離心機(jī)試驗(yàn),初步探索了砂覆黏土中的破壞機(jī)理;Teh[4]對(duì)砂覆黏土中的插樁進(jìn)行了離心機(jī)試驗(yàn),進(jìn)一步揭示了砂覆黏土中的破壞機(jī)理;Hossian等[5]對(duì)上硬下軟黏土層中的插樁進(jìn)行了離心機(jī)試驗(yàn),得到了上下層土體強(qiáng)度比、硬土層厚度和下層土不均勻度對(duì)于插樁阻力的影響規(guī)律。對(duì)于拔樁問(wèn)題,Martin等[6]對(duì)黏土層中的拔樁問(wèn)題進(jìn)行了研究,并與1倍重力加速度下的試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比;Purwana[7]進(jìn)行了軟黏土中拔樁的離心機(jī)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)平臺(tái)作業(yè)時(shí)間對(duì)于樁底吸附力的影響顯著;Kohan等[8]通過(guò)離心機(jī)試驗(yàn)進(jìn)一步解釋了樁靴基礎(chǔ)拔樁過(guò)程中的破壞機(jī)理及影響因素,遺憾的是該試驗(yàn)中樁靴模型底部?jī)H安裝了一個(gè)孔壓傳感器,導(dǎo)致無(wú)法有效監(jiān)測(cè)樁靴底部孔隙水壓力分布。目前大部分試驗(yàn)研究多集中在插拔樁阻力的研究上,關(guān)于沖樁對(duì)于減小拔樁阻力作用的試驗(yàn)研究則非常有限。Gaudin和Bienen等[9-10]相繼就沖樁對(duì)于減小拔樁阻力的效果進(jìn)行了離心機(jī)試驗(yàn)研究,對(duì)不同排量、壓力情況下的沖樁效果進(jìn)行了比較,結(jié)果表明沖樁對(duì)于減小拔樁阻力的效果顯著。但由于該離心機(jī)試驗(yàn)中模型尺度較小,樁靴底部?jī)H布置了一個(gè)噴嘴,因此難以進(jìn)一步研究沖樁噴嘴布局等因素對(duì)于沖樁效果的影響,難以對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)和工程作業(yè)提供指導(dǎo)。張海洋[11]研制了一套樁靴噴沖試驗(yàn)系統(tǒng),研究了噴沖對(duì)于減小拔樁阻力的作用效果。但該系統(tǒng)中土體厚度小,樁靴入泥深度較淺;而且僅能測(cè)試拔樁阻力,不能有效監(jiān)測(cè)樁靴下部土體中的孔壓變化。
盡管離心機(jī)試驗(yàn)與1倍重力加速度試驗(yàn)相比具有很多優(yōu)點(diǎn),但它也存在不少缺點(diǎn)。由于離心機(jī)負(fù)載能力有限,離心機(jī)試驗(yàn)的比尺通常是1∶100甚至更小,這種條件下限制了沖樁系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的幾何相似,而且模型上能夠安裝的傳感器數(shù)量有限,也限制了試驗(yàn)的數(shù)據(jù)信息采集量。另外,離心機(jī)試驗(yàn)成本高昂,一臺(tái)中型離心機(jī)及配套試驗(yàn)系統(tǒng)的造價(jià)通常在1 000萬(wàn)元人民幣以上,而且離心機(jī)試驗(yàn)中土樣的配置難度很大,尤其是黏性土的配置。
綜上所述,目前自升式平臺(tái)插拔樁問(wèn)題的試驗(yàn)研究以離心機(jī)模型試驗(yàn)和常規(guī)模型試驗(yàn)為主,但離心機(jī)試驗(yàn)尺度過(guò)小,試驗(yàn)成本高昂,配土難度大,而現(xiàn)有常規(guī)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,不能滿足深入研究的要求。本文研制了一套1∶30的大比尺自升式平臺(tái)插拔樁試驗(yàn)系統(tǒng),用于模擬自升式平臺(tái)樁靴的插拔過(guò)程,監(jiān)測(cè)插拔樁阻力、孔壓變化,并模擬沖樁過(guò)程。應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行了常規(guī)的插拔樁和沖樁試驗(yàn),驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。該系統(tǒng)對(duì)于研究插拔樁過(guò)程中的穿刺、滑移等問(wèn)題[12],確保自升式平臺(tái)安全作業(yè)具有重要的意義。
1.1 系統(tǒng)相似性分析
插拔樁過(guò)程中土體變形場(chǎng)和滲流場(chǎng)相互耦合,因此,該問(wèn)題的基本控制方程應(yīng)包括平衡方程、幾何方程、本構(gòu)方程和滲流連續(xù)方程[13],分別如式(1)~(4)所示。
平衡方程
(1)

幾何方程
(2)
式(2)中:εij為土體的應(yīng)變張量;ui,j、uj,i為位移對(duì)坐標(biāo)的一階偏導(dǎo)數(shù)。
本構(gòu)方程
(3)

滲流連續(xù)方程
(4)

定義原型與模型物理量之比為相似常數(shù),以C表示。若以Cl、Cδ、CH、Cγ、Cσ、Cε、CDep、CK、Ct分別表示長(zhǎng)度、位移、水頭、重度、應(yīng)力、應(yīng)變、本構(gòu)關(guān)系、滲透系數(shù)和時(shí)間的相似常數(shù),則原型土體的平衡方程、幾何方程、本構(gòu)方程和水流連續(xù)方程分別為
(5)
(6)
(7)
(8)
在本模型中,Cl=Cδ=CH=N。由于模型土體的密度與原型相同,所以在1倍重力加速度環(huán)境下,Ct=1。由于土體滲透系數(shù)表達(dá)式為K=γwd2/Caμ(Ca為形狀系數(shù),d為土體特征空隙尺寸,μ為土中流體動(dòng)力黏滯系數(shù)),因此CK=1。 很顯然,若要式(5)~(8)同時(shí)得到相似,這些相似常數(shù)不能任選,須滿足如下關(guān)系才能使模型與原型保持相似,即Cσ/(ClCγ)=1,Cε=1,Cσ/CDep=1,CKCt/Cl=1,這時(shí)可以求得Cσ=CDep=N,Ct=N。這說(shuō)明模型土體本構(gòu)縮比N倍時(shí)即可使得模型和原型相似,此時(shí)模型應(yīng)力為原型應(yīng)力的1/N,模型中滲流時(shí)間為原型的1/N,可以得到1倍重力加速度環(huán)境下模型試驗(yàn)各物理量的相似系數(shù),如表 1所示。根據(jù)各物理量的相似規(guī)律,模型試驗(yàn)結(jié)果即可以被推廣至實(shí)際工況。

表1 模型主要物理量相似系數(shù)
1.2 系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)插拔樁和沖樁試驗(yàn)功能,研制的自升式平臺(tái)插拔樁試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括土池、加載及支撐裝置、測(cè)量系統(tǒng)、沖樁系統(tǒng)和模型樁靴等設(shè)備,具體原理圖如圖1a所示。土池尺寸為6 000 mm×5 000 mm×3 500 mm,可根據(jù)試驗(yàn)需要配置單層、雙層或多層土。
土池外固定有用于支撐加載系統(tǒng)的桁架結(jié)構(gòu),加載系統(tǒng)可以對(duì)樁靴模型施加插樁和拔樁載荷。沖樁系統(tǒng)與模型樁靴上的沖樁管路相連接,供給沖樁水。樁靴模型根據(jù)試驗(yàn)原型進(jìn)行縮比設(shè)計(jì)制造。制造安裝完成后的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1b所示。

圖1 大比尺自升式平臺(tái)插拔樁試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖
該試驗(yàn)系統(tǒng)可以完全模擬自升式平臺(tái)海上插樁—作業(yè)(維持作業(yè)載荷)—拔樁的全過(guò)程,其中插樁和拔樁階段加載系統(tǒng)的動(dòng)作機(jī)構(gòu)與李志剛 等[14]研制的導(dǎo)管架平臺(tái)樁-土相互作用試驗(yàn)系統(tǒng)一樣,如圖2a所示。另外,通過(guò)壓載結(jié)構(gòu)模擬作業(yè)載荷,壓載平臺(tái)上可以根據(jù)實(shí)際需要放置配重模擬作業(yè)載荷,如圖2b所示。
樁靴模型根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象縮比設(shè)計(jì),如有沖樁需要?jiǎng)t須設(shè)計(jì)沖樁管路。本文以CJ50船型的樁靴為研究對(duì)象,該樁靴為方形,尺寸為22 500 mm×17 700 mm×3 690 mm,其外部輪廓及底部噴嘴布局如圖3a所示。設(shè)計(jì)了1∶30(模型∶原型)的試驗(yàn)?zāi)P停P统叽鐬?47 mm×590 mm×123 mm,其內(nèi)部設(shè)計(jì)有沖樁管路,可以通過(guò)沖樁系統(tǒng)供水進(jìn)行沖樁,如圖3b所示。該樁靴模型上下表面均設(shè)計(jì)有沖樁噴嘴,每個(gè)噴嘴處設(shè)計(jì)為螺紋孔,可以更換不同內(nèi)徑的噴嘴或者對(duì)噴嘴進(jìn)行封堵。

圖2 大比尺自升式平臺(tái)插拔樁試驗(yàn)系統(tǒng)加載裝置

圖3 CJ50樁靴模型
沖樁系統(tǒng)由DFK S4-1V變頻控制柜、LG-B立式多級(jí)泵、壓力變送器和電磁流量計(jì)組成,供水流量為0~4.2 m3/h,壓力范圍為0~1 MPa,使用時(shí)可單獨(dú)控制流量或壓力,使用的傳感器有力傳感器、位移傳感器和孔壓傳感器,其中孔壓傳感器布置于樁靴底部,如圖4所示。所有傳感器均采用DH5923動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,該采集儀共有32個(gè)數(shù)據(jù)通道,采集速度快,抗干擾能力強(qiáng),能夠全程記錄靜動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化。原位測(cè)量系統(tǒng)則采用意大利Machetti公司生產(chǎn)的扁鏟側(cè)脹儀(DMT),該系統(tǒng)主要由控制箱、扁鏟、貫入裝置和氣源組成,可廣泛用于測(cè)量軟至硬黏土和砂土[15]。

圖4 孔壓傳感器布局圖
1.3 試驗(yàn)?zāi)P驮O(shè)計(jì)
本試驗(yàn)系統(tǒng)樁靴模型底部噴嘴24個(gè),頂部噴嘴18個(gè),噴嘴直徑為6 mm。本次試驗(yàn)配置了單層黏土,試驗(yàn)黏土物理和力學(xué)參數(shù)如表2所示。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,在攪拌填埋之前對(duì)試驗(yàn)用土進(jìn)行晾曬一周處理,并對(duì)直徑超過(guò)20 mm的土粒進(jìn)行碾壓。然后,將試驗(yàn)用土倒入試驗(yàn)土池中,同時(shí)控制注水量,逐層攪拌填埋,每層厚度為300 mm。填埋完成后,對(duì)土池靜置固結(jié)30 d,然后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)前,使用DMT系統(tǒng)對(duì)不同點(diǎn)位的原位土進(jìn)行了測(cè)試,土體不排水抗剪強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

表2 試驗(yàn)黏土主要參數(shù)

圖5 本次模擬試驗(yàn)實(shí)測(cè)不排水抗剪強(qiáng)度曲線
2.1 插拔樁阻力模擬
首先插樁至目標(biāo)深度,測(cè)得最大插樁阻力約6 600 N,將實(shí)測(cè)的插樁阻力曲線與SNAME(2008)推薦方法[1](取完全回填和不回填2種極端條件)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,如圖6所示,從圖6可以看出,在入泥較淺時(shí),實(shí)測(cè)插樁阻力與不考慮回填計(jì)算出的插樁阻力接近,但入泥超過(guò)300 mm(0.4D)時(shí),實(shí)測(cè)插樁阻力更接近考慮回填計(jì)算出的插樁阻力。在入泥較深時(shí),實(shí)測(cè)插樁阻力值比規(guī)范預(yù)測(cè)的值要小,這可能是由于實(shí)際過(guò)程中入泥較深時(shí)樁靴下部土體發(fā)生了明顯的軟化。
維持作業(yè)載荷為壓載量的90%,即6 000 N,持續(xù)0.5 d;最后拔起樁靴,并記錄拔樁阻力,將實(shí)測(cè)最大拔樁阻力與根據(jù)張海洋的方法[11]進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。需要指出的是,樁靴底部吸附力缺乏可靠的計(jì)算公式,本文根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取作業(yè)載荷的35%。通過(guò)計(jì)算得到最大拔樁阻力為4 600 N,而試驗(yàn)測(cè)得的最大拔樁阻力僅為約3 600 N。分析認(rèn)為,這可能是兩方面的原因造成的:一是實(shí)際拔樁時(shí)計(jì)算公式中最大拔樁阻力的4個(gè)分項(xiàng)難以同時(shí)達(dá)到最大值,因而理論計(jì)算結(jié)果偏大;二是隨著作業(yè)時(shí)間增長(zhǎng),樁靴周圍土體逐漸固結(jié),不排水抗剪強(qiáng)度得到一定程度的恢復(fù),同時(shí)樁靴底部的超孔壓在作業(yè)期間逐漸耗散,拔樁時(shí)的吸附力會(huì)隨著作業(yè)時(shí)間的增長(zhǎng)而增大,因此實(shí)際拔樁時(shí)的阻力會(huì)比理論最大值偏小。

圖6 實(shí)測(cè)插樁阻力與規(guī)范對(duì)比
2.2 孔壓監(jiān)測(cè)
圖7為插樁過(guò)程中樁靴底部的孔壓變化,可以看出最靠近樁靴中心的P1點(diǎn)孔壓最大,而遠(yuǎn)離樁靴中心的P2和P3點(diǎn)孔壓較小。盡管P3點(diǎn)比P2點(diǎn)更遠(yuǎn)離樁靴中心,但它們的大小相差不大,這說(shuō)明方形樁靴底部孔壓的分布并不是中心對(duì)稱的。
圖8為插拔樁過(guò)程中超孔壓和阻力的變化對(duì)比,可以看出:在插樁過(guò)程中,超孔壓和阻力同時(shí)隨插樁深度的增加而增加。在拔樁過(guò)程中,超孔壓隨著樁靴深度的減小而減小,并出現(xiàn)了負(fù)超孔壓。拔樁開始時(shí),拔樁阻力迅速增大,然后隨著樁靴深度的減小,樁靴下部形成了孔穴,拔樁阻力緩慢增加,樁靴底部孔壓逐漸減小并出現(xiàn)了負(fù)超孔壓。當(dāng)樁靴拔起約330 mm時(shí),樁靴下部孔穴發(fā)生了坍塌回填,拔樁阻力迅速減小,孔壓也迅速增大。
在維持作業(yè)載荷期間,樁靴底部孔壓會(huì)隨時(shí)間變化,如圖9所示。從圖9可以看出,超孔壓隨時(shí)間不斷耗散,但耗散速度逐漸減小,在模擬作業(yè)約17.5 h后超孔隙水壓力幾乎完全耗散,趨近于0。

圖7 插樁過(guò)程中不同位置處孔隙水壓力變化

圖8 插拔樁過(guò)程中超孔隙水壓力和插拔樁阻力的對(duì)比

圖9 作業(yè)期間超孔隙水壓力耗散
2.3 沖樁有效性驗(yàn)證
對(duì)比未沖樁的拔樁試驗(yàn),應(yīng)用該試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了樁靴底部邊沖邊拔的拔樁試驗(yàn)。拔樁速率為1.0 mm/s,沖樁壓力為75 kPa,根據(jù)Bienen等[10]的試驗(yàn)結(jié)論,確定沖樁流量為1.4 m3/s。試驗(yàn)得到有無(wú)沖樁時(shí)的拔樁阻力對(duì)比如圖10中的拔樁阻力曲線所示,可以看出,邊沖邊拔時(shí)的拔樁阻力在初始階段明顯減小,拔樁阻力峰值減小50%左右,說(shuō)明沖樁對(duì)于減小拔樁阻力具有很好的作用。另外,試驗(yàn)過(guò)程中吸附力基本消除,這與Bienen等[10]的試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖10 有無(wú)沖樁時(shí)的拔樁阻力對(duì)比
基于基本控制方程相似,推導(dǎo)建立了插拔樁試驗(yàn)的相似模型系統(tǒng),通過(guò)對(duì)材料本構(gòu)進(jìn)行縮比得到了1倍重力加速度條件下的相似模型,研制了由土池、加載裝置、原位測(cè)量裝置、沖樁系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成的大比尺自升式平臺(tái)插拔樁試驗(yàn)系統(tǒng),并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該試驗(yàn)系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確性。本文研制的大比尺自升式平臺(tái)插拔樁試驗(yàn)系統(tǒng)為進(jìn)一步研究自升式平臺(tái)插樁過(guò)程中的穿刺、滑移和拔樁過(guò)程中的沖樁效果等問(wèn)題提供了試驗(yàn)基礎(chǔ),對(duì)于保障自升式平臺(tái)的安全作業(yè)具有重要的意義。
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(編輯:呂歡歡)
Development and validation of a large-scale model test system for spudcan penetration and extraction
Gao Pan1Duan Menglan2Zhao Liangmei2Song Linsong3Li Jianbo3
(1.CollegeofOceanScienceandEngineering,ShanghaiMaritimeUniversity,Shanghai201306,China; 2.OffshoreOilandGasResearchCenter,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 3.ChinaOffshoreServicesLimited,Sanhe,Hebei065201,China)
The successful installation and removal of jack-up units are of great significance for their safe operations. Based on the similarity of governing equations for spudcan penetration and extraction, the similarity coefficients of the major parameters of 1gmodel are derived. A large-scale model test system for spudcan penetration and extraction is developed, which mainly consists of the soil tank, loading apparatus, in-place soil test system, jetting system and sensing system. With this system, the process of spudcan penetration, jetting and extraction can be simulated, the penetration depth and resistance measured, and the pore water pressure at the spudcan base monitored. A preliminary test of spudcan penetration and extraction with jetting is conducted. The resistance is compared to the predicted value with the specification and empirical formula, which confirms the validity and accuracy of the test system. The distribution pattern of pore water pressure and the relationship between the pore pressure and resistance are also analyzed. And the extraction test confirms the efficiency of jetting in reducing extraction resistance. The test system developed here provides an experimental prerequisite to the study on spudcan penetration, extraction and jetting, which is of great significance for the safe operations of jack-up units.
large scale; jack-up unit; 1gmodel; penetration and extraction; jetting; pore pressure monitoring
1673-1506(2016)06-0108-07
10.11935/j.issn.1673-1506.2016.06.018
*國(guó)家自然科學(xué)基金“自升式鉆井平臺(tái)拔樁過(guò)程中非線性樁土相互作用研究(編號(hào):51379214)”部分研究成果。
高攀,男,2016年畢業(yè)于復(fù)旦大學(xué)流體力學(xué)專業(yè)并獲博士學(xué)位,主要從事結(jié)構(gòu)-土相互作用和基礎(chǔ)安全性方面的研究。地址:上海市海港大道1550號(hào)上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院(郵編:201306)。E-mail:pgao@shmtu.edu.cn。
TU411
A
2016-03-30 改回日期:2016-04-27