自升式鉆井平臺抗滑移能力分析

吳文樂，廖天岸，唐文獻，彭 偉

(江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212003)

自升式鉆井平臺抗滑移能力分析

吳文樂，廖天岸，唐文獻，彭 偉

(江蘇科技大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212003)

在理論公式的基礎上，通過Abaqus軟件模擬樁靴在土壤中的滑移過程，建立一種分析樁靴抗滑移阻力數值方法。首先研究各船級社抗滑移理論公式；在此基礎上，建立樁靴-土系統有限元模型，利用CEL方法，建立研究所需工況，研究土體受力產生流動變形，得出抗滑移阻力數值解和土壤流動機制；最后將抗滑移阻力理論解與數值解進行對比分析與討論。彌補現有理論公式不足，為計算樁靴抗滑移阻力提供一種精確的方法。

自升式平臺；樁靴；抗滑移；數值分析

0 引 言

自升式海洋平臺為由樁腿支撐在海面上方進行工程作業的海洋裝備，現已廣泛應用于石油、天然氣等礦物資源的開采作業中。海洋平臺工作環境惡劣，需要承受復雜的載荷，進而保證海洋平臺的穩定性至關重要。海洋平臺失穩狀況主要有穿刺失穩、滑移失穩以及傾覆失穩。本文著重研究自升式海洋平臺的抗滑移能力，抗滑移能力是指處于支撐狀態下自升式平臺，在最不利的組合載荷作用下，抵抗滑移的能力[1]。自升式平臺依靠樁靴與地基土壤的相互作用來獲得抗滑移阻力，抗滑移阻力主要來自于地基土壤的對樁靴的水平反作用力，而地基土所受的垂直載荷與水平載荷有著密切關系。

隨著近海油氣田的開采趨于飽和，油氣勘探逐漸向深海發展，海平面上的環境和海底土質更加惡劣，導致平臺發生滑移失效較高。1982年，在加拿大紐芬蘭近岸油田作業的“海洋徘徊者”號鉆井平臺，遭遇時速高達190 km和浪高20 m的颶風，發生滑移傾覆，造成重大沉船事故。我國常根據CCS規范對平臺進行抗滑移能力的評估，雖然考慮到平臺所受到的水平載荷，能夠為自升式鉆井平臺抗滑移力的校核提供部分理論參考。但是并未分析地基土壤流動產生的影響，并且海上平臺所處的工作環境較為復雜，海底地基土壤環境參差交錯，抗滑移力理論值難以與實際值相吻合，導致平臺在作業過程中發生滑移事故。

本文以某自升式鉆井平臺中的樁腿和樁靴為研究對象，在抗滑移理論研究的基礎上，借助有限元軟件Abaqus，采用CEL方法，研究樁靴在復雜工作環境下與海底土壤的相互作用，模擬滑移過程中土壤的流動現象，分析平臺的抗滑移能力，并與已有的理論值相比較，驗證數值解的優越性，從而為自升式鉆井平臺的安全作業提供技術指導。

1 樁靴抗滑移能力理論分析

1.1 地基土與抗滑移能力

自升式海洋平臺所受到水平載荷包括風、海浪、海流等環境載荷。垂直載荷主要包括船體自身的固定載荷和水壓、地壓等環境載荷。水平載荷作用在樁腿上，對樁靴產生旋轉力矩。所有水平載荷、垂直載荷以及彎矩自上而下由船體、樁腿和樁靴傳遞至地基土，引發樁土相互作用[4]。圖1為挪威船級社依據經驗獲得的地基穩定曲線[3]，該圖描述分別描述了在完全排水與不排水狀況下地基土不失穩所能承受的垂直載荷Fv與水平載荷FH之間的關系。圖1（a）為完全排水狀況下的地基穩定曲線，可見在曲線的下半段垂直載荷Fv數值較小時，水平載荷FH與垂直載荷Fv為正比線性關系；而當垂直載荷Fv足夠大時，隨垂直載荷Fv增大，水平載荷FH減小，地基土承載能力降低。圖1（b）表述了在不排水情況下地基土的承載能力，當對地垂直載荷Fv為0或者數值較小時，臨界水平載荷FH基本保持不變；當垂直載荷Fv足夠大時，水平載荷FH隨垂直載荷增加而減小。綜述以上2種情況，當垂直載荷過大時，地基土所能承受的水平載荷數值較小，地基土水平方向上承載能力不足。

根據對地基土承載能力的了解，本文在探討樁靴抗滑移能力時，選擇較小對地比壓工況能更加有效地靠近自升式海洋平臺的工作環境。

1.2 水平載荷理論值計算方法

采用中國船級社在《海上移動式平臺入級與制造規范》[5]所給出的相應公式。

風載荷主要由海風作用在船體、樁腿、工作樓等產生，具體計算公式：

水平載荷還主要包括海浪、海流對樁腿的水平作用力，其具體計算公式為：

1.3 抗滑移能力計算方法

中國船級社（CCS）《海上移動式平臺規范》中抗滑移力和衡準中給出：側向滑移可能由水平力引起，滑移力計算方法為：

對抗滑安全系數KH的要求：

因而，為了更好地計算抗滑移力，本文在沿用理論公式的基礎上，采用數值分析方法，模擬樁靴滑移過程，并將理論解與數值解進行對比分析。

2 樁-土系統的數值模型

Abaqus軟件能夠對土體的變形和流動進行耦合分析，在Abaqus中使用歐拉網格來劃分土體單元，可以模擬土壤在外力作用下的流動變形。

2.1 樁-土系統模型

本文所研究的獨立樁腿式自升式平臺，每個樁腿都安裝一個獨立樁靴，該種自升式平臺的樁靴插樁深度大，抗滑移能力強，一般對地比壓在150～350 kPa。本文研究對象為典型樁靴，最大斷面直徑為6 m。利用ANSA軟件對樁靴實體進行網格劃分，以C3D8R網格對樁靴進行網格離散。由于樁靴滑移過程中，土壤相對樁靴的變形要大許多。因而在模擬樁靴滑移過程中，將樁靴整體結構設置為剛體，在樁腿處施加速度載荷完成加載。

考慮到土體的邊界效應，土體直徑選取6倍樁靴直徑。土體網格采用歐拉網格離散，借鑒CEL方法進行分析，將土體網格設置為EC3D8R。土體完全包覆樁靴以此模擬獨立樁腿式自升式平臺樁靴入土深的狀況，同時在樁靴滑移過程中模擬各個方向土體的變形。由于土體內部存在應力而從樁靴滑移初始過程中就會影響整個分析過程，因而模型建立需要在一開始平衡初始地應力，限制土壤底部變形，并設置土體邊界條件。

在CEL法中，材料會在歐拉網格中流動，而實際樁靴滑移過程土壤的流動方向不確定。因此，為了真實模擬樁靴滑移過程中土壤流動，為土壤流動提供所需空間，本文采用完全包覆樁靴的土體來給土壤流動提供空間。樁靴滑移的數值模型如圖2所示。

2.2 樁-土模型材料參數選擇

土體材料參數選取Hossain試驗中所測得的參數[7]。其中硬質土比重為8.03 kN/m3，彈性模量19.2 MPa，抗剪強度為38.3 kPa，內摩擦角為8°。樁靴及樁腿材料參數：比重為20 kN/m3，彈性模量2e5 MPa。

2.3 邊界條件及接觸

在土體模型底面施加全約束，頂面不施加約束。土體和樁靴之間的接觸屬性定義為“通用接觸”。由于樁靴滑移路徑相對較小，因此可以忽略樁土摩擦，其摩擦系數選為0。

2.4 載荷施加

樁靴模型為一剛體，為模擬樁靴滑移過程，給樁靴模型施加一沿水平方向0.1 m/s的移動速度。自升式平臺三樁系統承受自升式平臺重量，平臺空船重量4 010 t，單個樁靴承重設為1 337 t。

3 樁靴抗滑移結果分析與討論

3.1 抗滑移阻力理論計算

因此，抗滑移阻力理論值為2.17 MN。

3.2 數值解結果分析

將模型提交計算后，得到1條阻力曲線如圖3所示。從圖中可看出，當樁靴發生橫向短距離快速位移時，樁靴滑移阻力迅速增長至最大；滑移距離增加后，阻力迅速降低，阻力變小并在0 kN上下浮動。樁靴抗滑移阻力數值解選取滑移過程中所受到的最大阻力為1.81 MN。

3.3 理論與數值解對比分析

為確保結果的準確性，本文將理論解與數值解進行比較。在本文所設定的工況下，樁靴抗滑移阻力理論解為2.17 MN，數值解為1.81 MN。數值解與理論解差值為354 kN。這是由于理論解公式依據土壤的粘附特性來推導抗滑移阻力，在計算過程中只是賦予公式某一狀態下的土壤材料性質。而在樁靴滑移過程中，樁靴發生位移并擠壓土壤，同時海水進入土壤，改變了土壤的剪切強度，容易造成誤差，理論解較為保守。而樁靴抗滑移阻力的數值解是選取的在模擬樁靴發生微量滑移過程中樁靴所受到最大阻力，并且選用可以模擬土壤流動的EC3D8R來劃分土壤，相比于理論解的靜態求解，數值解更加有效的得到樁土互相擠壓作用下，土壤所能提供的最大抗滑移阻力。

3.4 滑移過程中土壤的流動分析

地基土壤在抵抗樁靴滑移過程中同樣受力發生擠壓、流動等變形，在數值解析過程中，模擬出土壤流動過程。

從圖4可知，在樁靴微小滑移過程中，由于所選用的土體模型邊界廣，樁靴發生位移較小，滑移過程中只會影響周邊土體，圖中曲線可以反映土體的流動狀況。如圖4（a）所示，樁靴剛開始位移，在位移方向上產生抗滑移阻力，土體開始發生微小變形。如圖4（b）所示，樁靴發生位移并受到最大抗滑移阻力，土體在位移方向上被擠壓開始向上流動。如圖4（c）所示，樁靴繼續位移，土壤受擠壓向樁靴上部流動。

4 結 語

為了更加準確地預測樁靴所受到的抗滑移阻力，本文采用中國船級社抗滑移穩性的理論計算方法，并在此基礎上沿用該理論，結合CEL耦合方法，采用Abaqus建立數值模型，對初始條件進行限制，計算得出理論與數值解，并對兩者進行比較，得出以下結論：

1）國內外學者對樁靴滑移理論的研究存在不足，傳統理論公式中抗滑移阻力來自于土壤的粘附力和摩擦力，該方法只是在靜態工況下以某一時刻的土壤材料屬性來計算其抗滑移阻力，而樁靴在工作狀態下會發生微小位移，同時土壤還會發生流動，容易產生誤差。

2）數值解是以實際狀況下模擬樁靴在微小滑移過程中，所得結果選取的是微小滑移過程中受到的最大阻力值，能夠較為精確地得出抗滑移阻力。綜合2種結果，2種不同方法得出的阻力都能夠保證平臺抗滑移穩性。與理論值相比，數值解能夠更好的在動態下反映土壤的抗滑移屬性，并且得到土壤的流動情況。

[1]龔閩, 譚家華. 獨立樁靴自升式平臺抗滑能力計算方法研究[J]. 中國海洋臺, 2004, (6): 23–27. GONG Min, TAN Jia-hua. The methods research of calculating anti-sliding ability for jackups with separated spuncans[J]. China offshore Platform, 2004, (6): 23–27.

[2]周煜. 自升式海洋平臺設計方案評價體系研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2006. ZHOU Yu. Research on the software of jack up estimation[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2006.

[3]DnV. Classfictation Notes ＜FOUNDATIONS＞[S]. 1992, 30(4).

[4]季春群, 孫東昌. 自升式平臺上外載荷的分析計算[J]. 海洋工程, 1995, (3): 19–24. JI Chun-qun, SUN Dong-chang. The calculation an analysis of environment loads for jack-up rig[J]. The Ocean Engineering, 1995, (3): 19–24.

[5]CCS. 海上移動式平臺入級與建造規范[S], 1992. CCS. Rules for construction and classification of mobile offshore drilling units[S], 1992.

[6]蔡宏. 海洋鉆井平臺穩定性分析研究[D]. 西安: 西安石油大學, 2011. CAI Hong. Analysis and research on the stability of sea drilling platform[D]. Xi’an: Xi’an Shiyou University, 2011.

[7]HOSSAIN. Cavity stability and bearing capacity of spudcan foundation on clay[C]//Offshore Technology Conference. Houston, OTC 17770.

Anti-slide ability analysis of jack-ups

WU Wen-le, LIAO Tian-an, TANG Wen-xian, PENG Wei
(School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Based on the formula, the paper simulates the process of spudcan slide in the soil, and now to construct a numerical method to analye the anti-slide force of spudcan. First of all, the paper researches the theoretical anti-slide formula from different paper, based on which, the finite element model of spudcan-soil system is built to, using CEL method and establishing the required conditions, study on the flow deformation of soil and calculate the numerical result. Finally, the theoretical result and numerical result are compared and discussed to compensate for the lack of theoretical formula and provide a accurate method to calculate the anti-slide force of spudcan.

jack-up platform；spudcan；anti slide；numerical analysis

TE951; P751

A

1672 – 7649(2017)08 – 0075 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.016

2016 – 07 – 01；

2016 – 11 – 02

江蘇省“六大人才高峰”資助項目(2011A031)；江蘇省基礎研究計劃(自然科學基金)-青年基金資助項目(BK20150469)；江蘇科技大學研究生科技創新計劃資助項目(YCX15S-06)

吳文樂(1992 – )，男，碩士研究生，主要從事海洋工程裝備設計與制造技術。