“JU2000E”鉆井平臺在臨港前沿碼頭區域插拔樁分析

姚進

摘 要：文章以上海臨港碼頭前沿海域工程地質資料為依據，根據區域內地層特點，采用《海洋井場調查規范》及上海地方經驗計算各土層承載力情況，分析了該區域針對“JU2000E”自升式鉆井平臺樁靴式基礎插樁深度及拔樁過量吃水深度，并對鉆井平臺插樁過程中土層刺穿效應作出評價，為該區域內樁靴式基礎插拔樁提供經驗參數。

關鍵詞：地基承載力；“JU2000E”自升式鉆井平臺；插樁深度；拔樁過量吃水深度；刺穿效應

引言

上海某造船有限公司建造“JU2000E”自升式鉆井平臺[1][2]，將拖航至臨港碼頭進行設備吊裝。擬建“JU2000E”平臺為三條樁腿支撐的自升式鉆井平臺，每條樁腿下端配有一個樁腳箱（樁靴），其樁腳箱最大截面面積為254m2，有效直徑為18.0m，樁腳箱高度5.945m，體積660m3，樁腳尖高度為1.17m（圖1）。船體每米排水量3400t/m。預壓載時，單樁最大預壓載為11436t，換算成單樁每平方米最大預壓載為45t。

為了確保“JU2000E”自升式鉆井平臺的插樁安全，需對該區域進行工程地質勘察，一方面了解該區域工程地質條件，分析各土層承載力情況；另一方面對“JU2000E”自升式鉆井平臺進行插、拔樁分析，為“JU2000E”自升式鉆井平臺插拔樁提供可靠參數。

1 場地工程地質條件及地基土承載力計算

1.1 場地工程地質條件

根據勘察成果顯示，擬建場地屬海岸地貌類型，水下泥面整體較為平坦，受海浪沖刷、潮汐及鄰近已建碼頭等影響，擬建場地東北區域積淤較高，相應泥面標高較高，場地標高整體為-4.30～-7.80m。

擬建場區潮汐屬非正規半日淺海潮區，根據1976年～1995年蘆潮港水文站實測資料統計，蘆潮港平均海平面0.23m，平均高潮位為1.86m，平均低潮位為-1.34m，最大潮差為5.14m，平均潮差為3.2m；勘察期間測得最高水位標高4.0m，最低水位標高0m。場地內地層分布情況見下表1。

擬建場地內未發現溶洞、活動斷層等不良地質條件，為穩定場地，適宜本工程的建造。

1.2 地基土承載力計算

對于“JU2000E”自升式鉆井平臺插樁時考慮樁端需穿透軟弱土層，進入相對穩定土層，以滿足承載力要求，故在地基承載力驗算時按地基土極限承載力考慮，因樁靴直徑遠大于樁身直徑，在插樁過程中僅考慮樁端阻力，忽略樁身與土層間摩阻力。

一般情況下對于插拔樁地基土承載力可根據中華人民共和國石油天然氣行業標準《海洋井場調查規范》（SY/T6707-2008）[3]推薦的承載力公式進行計算，即：Q=qn×A+γ1×V，其中Q為基礎入泥深度范圍內總的極限承載力，A為樁腳的最大平面積，γ1為由樁腳排出土的平均有效密度，V-樁腳排出土的體積。

qn值的計算方法：對于不排水的粘性土質qn=Su×Nc≤qmax=9Su，Su基礎底面以下B/2深度內的平均不排水抗剪強度，Nc不排水粘性土的無量綱承載力系數，Nc=6×（1+0.2×D/B）≤9，D-樁腿入泥深度B-樁腿直徑；對于排水粒狀土質：qn=0.3rBNr+P0×（Nq-1）≤qmax，R為基礎面以下地基土的平均有效密度，Nr、Nq為排水粒狀土的無量綱承載力系數，按內摩擦角而定，P0為樁腿端部位置的有效上覆土壓力；qmax為qn的限制值，在較深的深度時使用。其地基承載力計算參數詳見下表1，結算結果詳見下圖2。

另本文根據上海地區經驗及地方規范對地基土承載力進行計算，與上述計算結果進行對比，為更加合理選擇插樁參數提供依據。

根據上海地方經驗及規范[4][5]，fd=ψζccdNc+γ0dζqNd+0.5ψNrζrγb，其中Nc、Nd、Nr為承載力系數，ψ為地基承載力修正值，均按內摩擦角設計值φd查表取值，cd地基土黏聚力設計值，φd地基土的內摩擦角設計值，其中cd=0.3ck，φd=0.67φk，ck、φk為基土的粘聚力和內摩擦角平均值；γ0為基礎底面以上土的加權平均重度，地下水位以下取有效重度（kN/m3），γ為基礎底面以下土的重度，地下水位以下取有效重度（kN/m3），d為基礎埋深（m），b為基礎寬度（m），大于6m時按6m考慮，ζc、ζq、ζr為基礎形狀系數，條形基礎時，均為1.0，當為矩形基礎時：ζr=1.0-0.4b/l，ζq=1.0+sinφdb/l，ζc=1.0+0.2b/l，l為矩形基礎長度，b為矩形基礎寬度，對于圓形基礎，取l=b=D，D為圓形基礎直徑。結合fd=fk/rR其中rR一般取2，故極限承載力fk=2fd，地基土承載力計算參數見下表2、表3，結算結果詳見圖2。

2 “JU2000E”自升式鉆井平臺插、拔樁分析

2.1 插樁分析

當自升式鉆井平臺在預定的插樁位置就位后，將樁腳緩慢的插入地基土中入泥，此時地基土的極限承載力小于平臺樁腳所施加的壓力時，平臺樁腳將繼續向下貫入，當地基土的極限承載力大于或等于平臺樁腳所施加的壓力時，則平臺樁腳將停止貫入，穩定在地層的某一層位，此時平臺樁腳尖貫入深度即為平臺的插樁深度。

單樁每平方米最大預壓載為45t，根據設計需要考慮自-8.0m深度插樁，以勘探孔ZK1位置為例進行分析，根據上述兩種地基土承載力計算方法得出結果為：按《海洋井場調查規范》計算時插樁深度需≥10.8m，按上海地方規范及經驗計算插樁深度需≥10.6m，可見兩種計算方法針對臨港碼頭區域土層承載力計算結果差異不大，即“JU2000E”自升式鉆井平臺在勘探孔ZK1位置插樁深度可考慮為10.8m。

2.2 拔樁分析

“JU2000E”自升式鉆井平臺空船自重18000t，平臺過量吃水每米排水量34t/cm。平臺樁腳箱有效直徑為18.0m，預壓載時，每只樁腳的最大預壓載為11436t。當平臺過量吃水1m時，可產生上拔力為3400t，即單樁拔樁力為1133t。

由于“JU2000E”型自升式平臺樁腿為桁架，樁側摩擦力較小，可以忽略不計，所以在計算中只考慮了樁腳箱側面與周圍土體間的摩阻力。此外，平臺樁腳箱底部與下部地層的粘著力和吸附力，因樁腳箱底部具有高壓噴水孔，因此在總抗拔力計算中未予考慮。

平臺拔樁時單樁的總抗拔力（R）主要由以下幾方面力所組成：

（1）樁腳箱上覆土體的重量：P1=1/4π（ΣrΗ）Β2×80%，其中r為插樁深度以上各層土體的浮容重（KN/m3），H——插樁深度以上各層土體的厚度（m），B——樁腳箱最大截面等效圓直徑（m）。

（2）樁腳箱側面與周圍土體間的摩阻力：F1=πBLC，其中L為樁腳箱側面高度（m），C為樁腳箱側面高度內土體的內聚力（kPa）。

（3）插樁深度以上各土層土體破壞所需要的剪切力F2=πB（ΣHC）×80%，H為插樁深度以上各土層厚度（m），C為插樁深度以上各土層內聚力（kPa）。

ZK2升樁位置拔樁分析

根據勘查區ZK1升樁位置地層情況，當“JU2000E”樁腳箱最大截面入土深度為10.8m（樁尖入泥深度為12.0m），其單樁總抗拔力計算如下：

a）樁腳箱上覆土體的重量P1=1/4π（ΣrΗ）Β2×80%=16866kN=1721t

b）樁腳箱側面與周圍土體間的摩阻力F1=πBLC=1241kN=127t

c）插樁深度以上各土層土體破壞所需要的剪切力F2=πB（ΣHC）×80%=8104kN=827t

其總抗拔力R為：R=P1+F1+F2=1721+127+827=2675t。

由上述計算得出的單樁總抗拔力數值與平臺過量吃水2.36m時所提供的單樁拔樁力相近，因此，“JU2000E”平臺在ZK1插樁位置拔樁時，需過量吃水約2.4m才能將平臺樁腿拔起。

2.3 刺穿分析

根據勘察資料，本擬建場地插樁深度下土層均為硬土層和中密～密實狀砂（粉）性土層，未見軟弱土層存在，故認為“JU2000E”平臺在ZK1位置深度10.8m處插樁不會發生刺穿。

3 結束語

（1）通過前期勘察表明擬建場地為穩定場地，適宜本工程的建造。

（2）通過兩種地基土極限承載力計算方法對該場地內土層地基承載力進行計算，結果表明差異不大，均可作為該“JU2000E”平臺插拔樁參數計算依據。

（3）根據本文驗算，在上海臨港碼頭區域內，“JU2000E”平臺插樁深度約10.8m，拔樁時該平臺需過量吃水約2.4m才能將樁腿拔起，為以后在該區域內插拔樁提供經驗參數。

（4）該區域范圍內插樁深度下未見相對軟弱土層存在，故認為“JU2000E”平臺在ZK1位置深度10.8m處插樁不會發生刺穿。

（5）由于調查區水深淺，平臺樁腿入泥深度較大，當平臺拔樁時平臺自身吃水加上過量吃水深度需小于水深深度，為避免平臺船體觸底，建議選擇在高潮時段進行拔樁，并隨時觀察船底與海底之間的距離變化。同時在拔樁過程中應使用高壓泵沖去樁腿附近淤泥及回填土（減少樁腳箱以上土體載荷以幫助拔樁），保持沖樁管線系統的正常運轉，減小樁腳箱底部的吸附力。

（6）調查區上部②3地層雖屬粉性土層，但其橫向厚度變化較大，地基土承載力不穩定，其下部又為軟弱土層，平臺插樁時樁腳可能在②3頂部會有停留，但存在很大刺穿風險，故建議平臺升樁時樁腳穿過②3和下部軟弱土層時防止樁腿突然貫入而對平臺造成危險。

（7）平臺升樁時最大預壓荷載不應一次施加于樁腿，而應分階段、分級逐次緩慢增量加載，每次加載后注意觀察、加強監測，防止突然下降而造成平臺傾斜。

參考文獻

[1]汪張棠，趙建庭.自升式鉆井平臺在我國海洋油氣勘探開發中的應用和發展[J].船舶，2008，2（1）：10-12.

[2]羅宏志，蒙占彬.國內深水自升式鉆井平臺發展概況[J].中國海洋平臺，2010，2（1）：10-12.

[3]金元剛，王明田，周揚銳.海洋井場調查規范（SY/T6707-2008）[M].石油工業出版社，2008，9：27-29.

[4]顧國榮，許麗萍，等.上海市《巖土工程勘察規范》（DGJ08-37-2012）[S].2012，5：126-130.

[5]高承勇，黃紹銘，劉陜南，等.上海市《地基基礎設計規范》（DGJ08-11-2010）[S].2010，6：26-28.