非連續壓載下黏土層中樁靴承載力變化規律*

王冬石 袁 燁 徐文祥 譚瑞龍 段夢蘭

(1. 中海油田服務股份有限公司 河北三河 065201； 2. 復旦大學航空航天系 上海 200433；3. 湖南大學土木工程學院 湖南長沙 410082； 4. 中國石油大學(北京)海洋工程研究院 北京 102249)

1 問題的提出

自升式鉆井平臺拖航到指定位置后，須對平臺進行預壓載，將樁靴插入泥面以下一定深度。實際作業中平臺所需的全部壓載水分多次注入，每次之間會使壓載重量維持一段時間不變，確認安全后方可繼續注水進行下一步壓載，即預壓載是樁靴貫入—維持—貫入的非連續過程。然而，在某些上硬下軟的地層(俗稱“雞蛋殼”地層)，由于樁靴的壓強較大，需要穿過“雞蛋殼”才能達到其額定的支撐反力，但在穿過“雞蛋殼”時樁腿會發生快速沉降，即為 “穿刺”現象。

為了提高對軟黏土地層海域的作業適應性，在更淺的地層獲得足夠大的地基承載力，某些新型自升式平臺使用了面積較大的樁靴設計，也稱“大腳”設計。大樁靴在提高軟地層適應性的同時，可在較淺的地層獲得足夠的穩定性而避免穿透“雞蛋殼”地層，降低了穿刺風險。雖然業界一般認為自升式鉆井平臺在均質黏土層中不會發生穿刺事故，但穿刺事故依舊時有發生，如：印尼Belida B WHP平臺在插樁時發生了穿刺事故[1]，后續地質調查發現在預壓載過程中黏土層產生了“人工硬層”而導致穿刺；南海某井位某大樁靴自升式鉆井平臺在黏土層預壓載作業時也發生了穿刺事故，穿刺深度接近4 m，對平臺結構造成了損傷。因此，研究不連續壓載工況下大樁靴平臺在黏土層中穿刺發生的原因和特性，對于提高安全生產，減少作業事故有著極其重要的意義。

對于單一軟黏土層極限地基承載力的理論計算，國內外眾多學者均提出了經驗計算公式。Skempton等[2]提出了樁靴在單一黏土層不排水情況下的地基承載力計算公式；Houlsby等[3]考慮了樁尖的設計形狀、樁靴埋置深度、土體不排水抗剪強度隨深度線性增加等條件，提出了不考慮回填影響的表達式；Hossain等[4]研究了樁靴在土體中的運動模式和破壞機理，考慮了空洞的形成，提出了計算公式；張愛霞[5]構造了方形樁靴三維地基復合滑移破壞面，根據極限平衡理論，提出了新的方形樁靴單層地基承載力的計算方法。目前，我國關于地基承載力的計算所采用的《海洋井場調查規范》[6]與SNAME[7]推薦方法相同，該計算方法忽略樁靴的摩擦力、形狀對地基極限承載力的影響，同時不考慮抗剪強度隨深度加深而增大帶來的影響，其計算公式為

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對于自升式鉆井平臺非連續壓載問題的試驗研究，Purwana等[8]進行了離心機試驗，發現壓載停止時土體會發生固結，超孔隙水壓會隨著入泥深度線性增長；Barbose[9]通過離心機試驗發現,即使黏土固結程度較低，依然會出現穿刺現象，而且固結后土體承載力和穿刺深度隨著固結停止時的深度增加而增加；Bienen等[10-11]通過改變固結時間和固結時垂直載荷大小，發現固結后土體孔隙比減小，不排水抗剪強度增加,承載力急劇增加，而且固結時間越長，承載力提高得越多。Wang等[12]認為，影響穿刺深度的關鍵因素包括固結時間、固結深度、固結系數、土體滲透性和固結時的上覆載荷，并提出了一種固結后承載力的預測方法。

由于業界一般認為自升式鉆井平臺在軟黏土地層中難以發生穿刺，因此對自升式鉆井平臺在單一軟黏土層中穿刺的問題研究較少。大方形樁靴作為一種減少穿刺的新型設計，還沒有針對其在軟黏土層中承載力變化規律的研究，因此開展對在軟黏土層中大方形樁靴發生新型穿刺現象的原因以及承載力變化規律的研究具有重要意義。現有對樁靴穿刺問題的試驗研究中，離心機試驗都是以恒定的位移速率進行加載，不能模擬正常工況下分級壓載的情形。因此，為了探究在均質黏土層中分級壓載是否會產生“人工硬層”及發生樁靴快速下沉甚至引發穿刺現象，本文以某大樁靴自升式鉆井平臺為原型，通過模型試驗的方法設計了一套具備分級加載能力的自升式鉆井平臺方形大樁靴插樁試驗系統，然后根據工程實際壓載操作開展了自升式鉆井平臺樁靴模型的非連續壓載試驗，記錄了壓載過程中的土體變形和承載力變化等，分析了非連續壓載過程對軟黏土層中自升式鉆井平臺大樁靴承載力的影響規律，從而為大樁靴平臺的壓載作業提供參考依據。

2 模型試驗系統的研制

2.1 相似性分析

根據相似性原理，本文參考文獻[13]中的方法，通過對插樁過程各控制方程的分析，確定各物理量的相似關系。通過相似性分析，得出在1倍重力加速度下模型土體本構縮比N倍時即可使得模型和原型相似，此時模型應力為原型應力的1/N，模型中滲流時間為原型的1/N。本文模型試驗各物理量的相似系數見表1。

表1 模型試驗主要物理量的相似系數

2.2 模型試驗系統組成

以某自升式鉆井平臺方形大樁靴為原型，按照1∶75比例制作了模型試驗系統，樁靴模型長300 mm，寬236 mm，高600 mm，如圖1a所示。插樁模型試驗原理如圖1b所示，由土池、加載和支撐裝置、測量系統和樁靴等組成。加載裝置由上部水箱組成，水箱放在支架上，最多可以放置4個水箱。樁腿與水箱支架的底部連接，上面安裝壓力傳感器和位移傳感器。樁靴底部布置4個孔壓計。試驗時通過向水箱內注水，實現向下施加均勻增大的壓載力。樁腿連同水箱支架在垂直滑動導軌上一起做垂直運動，樁靴貫入到土體深處。傳感器數據使用DH5923動態數據采集儀進行數據采集，具有采集速度快、抗干擾能力強等優點。制作完成的大樁靴插樁模型試驗系統如圖2所示。

圖1 某自升式鉆井平臺大樁靴插樁模型試驗系統

圖2 安裝后的某自升式鉆井平臺大樁靴插樁模型試驗系統裝置

為了保證本次試驗的準確性，提前將試驗所用的黏土進行曬干，并進行粉碎處理(不破壞黏土原有微結構)，然后分層倒入土池中，邊填埋邊攪拌，填埋完成后使其靜置固結。試驗前，使用十字板剪切儀對黏土的不排水抗剪強度進行測試，取土池的前、后、左、右、中心共5個位置進行測試，每個位置自泥面向下每隔5 cm測量黏土的不排水抗剪強度，將5個位置的不同深度結果取平均值，從而得到試驗黏土抗剪強度隨深度的擬合曲線(圖3)。

圖3 本文試驗用黏土抗剪強度擬合曲線

3 不同壓載工況下樁靴承載力的變化規律試驗研究

為了模擬現場插樁過程，本次試驗通過水箱進行分級加載，每級加載50 kg，每級加載完成后靜置30 min，試驗共進行4次加載，總加載質量200 kg。由于實際工況預壓載每級的壓載時間約為2.5 h，因此，試驗中將加載分為快速壓載、正常壓載和慢速壓載等3種工況，每級壓載的時間分別為1.5、2.5、3.5 h。

3.1 快速壓載

快速壓載工況下承載力、樁靴入泥深度與實踐的關系曲線如圖4所示，可以看出，整個快速壓載過程中分別在第1次和第3次靜置觀察結束時重新加載后發生了2次樁靴快速下沉的現象，主要原因是：加載過程中土體受到外部載荷作用，總應力增加，土體來不及排水，增加的應力主要由孔隙水壓來承擔；在靜置過程中土體發生滲流排水，孔隙水壓減小，土體顆粒間有效應力增加，靠近樁靴附近的土體排水效果好，土體發生固結，重新加壓后發生了快速下沉現象。在黏土層固結后繼續加載的初期，樁靴位移保持不變；繼續加載，位移出現了一次快速增加，表明土體固結后抗剪強度增加，再次壓載后樁靴穿過了固結后的“硬地層”，導致樁靴出現快速下沉。在每級加載結束后靜置觀察開始時，承載力發生了小幅的增加，然后回落并保持為每級加載載荷不變，這是由于樁靴在插入到更深的土層時具有向下的加速度，結束加載后樁靴由于加速度作用產生了附加質量，造成了承載力的增加；而靜置后樁靴加速度減小到零，系統變為準靜態，承載力也才有所回落。

圖4 快速壓載工況下承載力、入泥深度與時間的關系曲線

3.2 正常壓載

圖5 正常壓載工況下承載力、入泥深度與時間的關系曲線

正常壓載工況下承載力、樁靴入泥深度與時間的關系曲線如圖5所示，可以看出，該工況下樁靴入泥深度與時間的關系曲線和快速加載工況類似，但是樁靴僅在第1次靜置觀察結束時發生快速下沉現象，且穿刺的深度也比快速加載工況要淺。這是因為正常壓載工況下加載速度減小，底部的土體有更多的時間排水，與靜置排水后的土體強度相差不大，故在靜置結束時未發生明顯的快速下沉現象。這說明，加載時間對人工硬層的產生有影響，延長加載時間有利于消除人工硬層和樁靴快速下沉。

3.3 慢速壓載

慢速壓載工況下承載力、樁靴入泥深度與時間的關系曲線如圖6所示，可以看出，樁靴同樣在第1次靜置觀察結束時發生了快速下沉，在第2次和第3次靜置觀察結束時承載力均未發生突然增大的現象，說明慢速加載可讓樁靴底部的土體有更多的時間排出水分，土體幾乎沒有發生固結現象，因此樁靴也未發生快速下沉。這進一步說明，越慢的加載速度，越有利于消除人工硬層的形成和減小樁靴快速下沉的風險。

圖6 慢速壓載工況下承載力、入泥深度與時間的關系曲線

4 結論

1) 自升式鉆井平臺大樁靴插樁模型試驗結果證實了在軟黏土地層中非連續壓載會造成大樁靴自升式鉆井平臺發生快速下沉的現象，與南海某平臺發生的穿刺現象相吻合。

2) 大樁靴自升式鉆井平臺發生快速下沉或者“穿刺”現象的本質是因為壓載過程來不及排水，導致樁靴下方黏土孔隙水壓力增加；在靜置觀察階段發生滲流作用，造成孔隙水壓力減小，土體顆粒間的有效應力增加，黏土發生固結。靠近樁靴部分的黏土固結程度較高，土體抗剪強度增加，形成了“人工硬殼”。當壓載力加大時，樁靴穿過硬殼層，發生了快速下沉。

3) 在靜置時間一定的條件下，壓載速度對大樁靴自升式鉆井平臺快速下沉有較大影響，較慢的壓載速度使得樁靴下方的土體有足夠的時間排水，不容易形成“人工硬層”，從而能夠有效降低快速下沉的風險。故工程實際操作過程中可通過降低壓載速度來減小發生快速下沉或穿刺的風險。

4) 由于本次試驗樁靴插入的深度較小，快速下沉的深度也較小，因此無法準確衡量不同壓載速度下快速下沉的深度及嚴重程度。此外，本次工作是對于新出現的大樁靴黏土層穿刺問題的試驗論證，并未涉及到理論研究。