基于標貫數的自升式平臺樁腿貫入深度預測方法研究

祁 磊，劉振紋，趙開龍，許 浩

1.中國石油集團工程技術研究院，天津 300451

2.中國石油集團海洋工程重點實驗室，天津 300451

基于標貫數的自升式平臺樁腿貫入深度預測方法研究

祁 磊1，2，劉振紋1，2，趙開龍1，2，許 浩1，2

1.中國石油集團工程技術研究院，天津 300451

2.中國石油集團海洋工程重點實驗室，天津 300451

準確預測自升式平臺插樁深度是保障平臺安全作業的前提。結合海洋巖土工程調查方法，探討一種新的基于標貫數的平臺樁腿/樁靴貫入深度計算方法。在簡要介紹了現有自升式平臺樁腿/樁靴基礎承載力計算方法的基礎上，詳細論述了標貫數的確定、承載力計算方法、標準錘擊數與現場錘擊數的關系等基于標貫數的平臺樁腿/樁靴基礎承載力計算方法。而后結合自升式平臺在冀東油田多個井位的井場勘察數據，采用本方法對其多個井位、多種不同形式的平臺進行了計算。結果表明，大部分井位的計算精度較高，但仍舊存在一些離散性，主要原因在于不同的海洋工程地質條件與本方法中所推薦的標貫錘擊數影響系數不一樣。同時還發現，在砂性土中計算結果較為準確，而黏性土計算結果相對離散，這主要是因為標貫試驗對于飽和黏土的測試精度較差。該方法可作為傳統計算方法的一種參考，可大大節約時間和費用。

自升式平臺；插樁深度；預測方法；標貫數；承載力

隨著灘淺海油氣開發的拓展，自升式平臺在海洋鉆修井作業中發揮了越來越重要的作用。自升式平臺插樁壓載作業是保障平臺安全作業的前提，因而插樁深度預測的準確性非常重要。目前插樁承載力主要根據土體參數進行計算[1]，土體參數的準確性對結果的影響非常大。本文將在傳統計算方法的基礎上，結合海洋巖土工程調查方法，探討一種新的自升式平臺樁靴/樁腿插樁深度的計算方法，也就是采用基于標貫數的自升式平臺平臺樁腿/樁靴貫入深度計算方法。

1 現有自升式平臺樁腿/樁靴基礎承載力計算方法

自升式平臺在插樁壓載作業前都需要通過工程地質勘察來確定土體的工程地質參數，用于計算自升式平臺樁腿（靴）插樁深度。主要獲得土體容重、砂土的摩擦角、黏土的黏聚力等參數。然后根據這些參數分別選用砂土或黏土的承載力計算公式進行每層土體承載力的計算，進而得到承載力-貫入深度曲線，最終得到插樁深度[1-2]。

工程地質參數的獲取主要有兩種方法：原位測試和室內土工試驗法[1-2]。目前國內原位測試法主要采用標準貫入試驗、十字板剪切試驗法。標貫主要用于確定砂土的液化，而用于計算插樁深度的黏土抗剪強度、砂土內摩擦角等相關參數主要通過直剪、三軸剪切等土工室內試驗法獲取。但土工室內試驗土樣是通過鉆孔取樣獲取的，原狀土樣因受取樣技術、運輸、保存方法的影響，土樣經常受到擾動，因而喪失了土體的原位特性，導致土工室內試驗所獲取的土體參數不準確。我們在勘察報告中經常會發現標貫數很大而砂土摩擦角卻很小的情況，同時試驗過程中不規范的試驗操作也會影響試驗的結果，不準確的土體參數往往會使預測的自升式平臺樁腿（靴）插樁深度與實際插深差別很大，甚至導致實際插樁發生穿刺、滑移的風險，這對于自升式平臺的安全作業提出了嚴峻的挑戰。同時海洋土直剪、三軸等室內試驗不僅耗費時間，而且費用高昂，工作量巨大。

標準貫入試驗（standard penetration test，SPT）是原位動力觸探的一種，是在現場測定砂或黏性土地基承載力的一種方法。主要是用一定重量的錘，自一定高度自由落下，將貫入器擊入土中30 cm，以此得到錘擊數，并根據錘擊數來判斷土體特性。來自自升式平臺井場勘察的標貫試驗結果一般用來判斷砂土的液化。然而標貫與土體的承載力存在一定關系，因此本文提出采用標貫試驗的標貫數來確定自升式平臺樁腿（靴）貫入深度的方法。

2 基于標貫數的平臺樁腿/樁靴基礎承載力計算方法

用標貫擊數N預測自升式平臺樁腿（靴）貫入深度的方法，需要在土體參數與標貫數之間建立一種關系。標貫擊數直接反映的是土體的強度，標貫擊數越大說明土體強度越強，因而必然存在如下一種關系式。

式中：Q為基礎總的極限承載力，kN；γ為土體水下容重，kN/m3；N為標貫擊數，次；h為地層深度，m；β為樁體等相關參數。

采用基于標貫數的平臺樁腿/樁靴基礎承載力計算方法有兩個問題需要考慮：一是標貫擊數的測試方法和定義；二是公式的選取。

2.1 標貫數的確定

目前對于海上工程地質調查有兩套國標可依：一是SY/T 6707-2008《海洋井場調查規范》[3]，二是GB 17503-2009《海上平臺場址工程地質勘察規范》[4]。這兩套規范都對標貫試驗進行了規定，但卻存在差別。GB 17503-2009在標貫試驗中依據的是GB 50021-2001規范，該規范規定了標貫錘質量為63.5 kg，落距為76 cm；而SY/T 6707-2008規定的錘質量為79.5 kg，落距為0.91 m，兩者存在差異。不同的試驗設備規格及規定將會使所獲得試驗數據存在很大不同，本文對該方法所選用的試驗設備和方法進行了限定，對于水深小于10 m，選用標貫錘質量為63.5 kg，落距為76 cm；而對于水深大于10 m的海域，選用錘質量為79.5 kg，落距為0.91 m。

對于水深大于10 m，其土體標貫試驗步驟如下：取標貫錘質量為79.5 kg，錘的落距為0.91 m，錘速控制在30擊/min，貫入器打入15 cm后，記錄每打入10 cm的錘擊數，并累計打入30 cm的錘擊數，將打入30cm的錘擊數記為標準貫入擊數N，若錘擊數達到50，而貫入深度未達30 cm時，記錄實際貫入深度并終止試驗。

2.2 承載力計算方法[5-8]

獲得土體的標貫數后，就需要建立標貫數與承載力間的關系。參考API、SNAME等規范，提出自升式平臺樁腿（靴）在不同土體中的極限承載力計算公式。目前在渤海灣工作的有不帶樁靴的自升式平臺，該平臺插樁過程中樁腿承受側摩阻力，它是總承載力的重要組成部分；而帶樁靴的平臺因樁靴尺寸較大，樁腿部分不存在側摩阻力或側摩阻力很小，因而可以忽略。這兩種形式的極限承載力計算公式如下。

帶樁靴平臺的單樁極限承載力為：

不帶樁靴平臺的單樁極限承載力為：

式中：Q為單樁總的極限承載力，kN；Qs為樁側摩阻力，kN；Qp為樁腿端部極限承載力，kN；q為單位面積樁端承載力，kN/m2；Ap為樁腿（靴）底端投影面積，m2；f為單位面積側摩阻力，kN/m2；As為樁側表面積，m2。

對于黏性土：

對于砂土：

式中：α為側摩系數；β為樁端系數；D為樁腿入泥深度，m；B為樁腿直徑，m；P0為樁端處的平均有效上覆土壓力，Pa。

最后根據計算出的不同土層深度h、不同及相應的土層極限承載力Q值，繪制Q-h曲線（如圖1所示），再根據平臺單樁所受荷載，在曲線上確定自升式平臺樁腿（靴）最終貫入深度。

圖1 樁腿貫入深度曲線（Q-h曲線）

2.3 標準錘擊數與現場錘擊數的關系

計算公式中的錘擊數并不是實際錘擊數，因不同的海洋環境對錘擊數會產生一定的影響，而砂土、粉土以及黏性土等不同土體類型對錘擊數影響更大，因此需對現場錘擊數根據不同土體類型等進行修正，現場錘擊數與標準貫入擊數換算公式為：

式中：N為標準貫入擊數，次；μ為海洋環境影響系數；ω為土體類型影響系數；N1為現場錘擊數，次。

3 計算方法的應用

結合自升式平臺在冀東油田多個井位的井場勘察數據，擬合出適合于冀東油田的標貫錘擊數影響系數μ和ω。并采用本方法對冀東油田多個井位、多種不同形式的平臺進行了樁腿（靴）貫入深度計算，計算結果如表1所示。

計算表明：插樁深度計算結果對于大多數井位精度較高，但仍舊存在一些離散性。因而采用本方法時需要結合相關海域的工程地質條件對相關參數進行修正。同時在應用該方法中還發現，在砂性土中插樁深度計算結果較為準確，而黏性土計算結果離散較大，這主要是因為海底黏土一般為飽和黏性土，標貫試驗對于飽和黏土的測試精度較差，但這可根據十字板剪切試驗等其他原位試驗進行進一步的修正。

表1 部分井位計算出的插樁深度

4 結束語

本文探討一種新的自升式平臺樁靴/樁腿插樁深度的計算方法，直接采用原位測試方法的標貫擊數來進行自升式平臺樁腿（靴）貫入深度的計算，通過分析標貫設備的規格、不同土體中單樁極限承載力的計算公式，以及標準錘擊數與現場錘擊數的差異和關系，提出了該公式的適用范圍和注意事項，該公式可作為傳統計算方法的一種參考，可大大節約時間和費用。

[1]Society of Naval Architects&Marine Engineers（SNAME）. Guidelines for Site Specific Assessment of Mobile Jack-up Units（2002）[S].

[2]HSE RR（UK），Guidelines for jack-up rigs with particular reference to foundation stability[S].

[3]SY/T6707-2008，海洋井場調查規范[S].

[4]GB 17503-2009，海上平臺場址工程地質勘察規范[S].

[5]和鵬飛.某自升式平臺在淺層氣區域插樁可行性分析與實踐[J].石油工程建設，2017，43（2）：35-38，49.

[6]鄧海峰.復雜地層條件下升升式平臺樁腿插樁深度對比分析[J].石油工程建設，2015，41（5）：12-15.

[7]劉允杭，楊旬.自升式鉆井平臺新型撥樁探泥器的研制[J].石油工程建設，2013，39（6）：38-40.

[8]秦立成，李宏，于文太，等.荔灣3-1平臺水下樁基動力檢測技術的應用[J].石油工程建設，2015，41（2）：20-24.

Prediction method research on penetration depth of jack-up platform pile leg /spudcan based on SPTblowcount

QILei1，2，LIU Zhenwen1，2，ZHAO Kailong1，2，XU Hao1，2

A new prediction method of penetration depth of jack-up platform pile leg/spudcan based on SPT blowcount is discussed.SPT blowcount determination，bearing capacity calculation method，relationship between standard SPT blowcount and in-situ SPT blowcout are illustrated in detail.This method is applied for several wellsites and jack-up platforms in Jidong Oilfield based on in-situ investigation data.The results show that the calculated predicted pile leg/spudcan penetration depth of most wellsites is relatively high，but some discreteness exists；the calculation accuracy is higher for sandy soil than for clay.This method may be taken as the reference of traditional calculation method due to its time and cost saving.

jack-up platform；pile penetration depth；prediction method；SPTblowcount；bearing capacity

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.03.008

祁 磊（1982-），男，山東煙臺人，工程師，2009年畢業于哈爾濱工程大學船舶與海洋結構物設計制造專業，碩士，現從事海洋工程相關的科研工作。Email：qilei01@cnpc.com.cn

2016-12-19