樁靴在黏土中不連續加載穿刺現象的實驗研究

黎之奇 徐文祥

摘? ?要：為解決自升式平臺在南海等軟黏土區域作業時出現的穿刺問題，對平臺樁靴在黏土中加載時出現的穿刺現象進行實驗驗證，并對穿刺機理和解決方案進行探索.以某大樁靴自升式平臺的實際加載過程為原型，設計一套不連續加載的單樁模型插樁實驗裝置，通過力加載的方式模擬自升式平臺預壓載過程，分析插樁時的沖樁處理對穿刺風險的消除效果.研究結果表明：黏土層中不連續加載能夠形成穿刺現象，并且減小加載速率在一定程度上可以降低穿刺風險;通過在加載過程中進行沖樁作業，能有效減少穿刺的發生.因此在實際工程中可通過選擇合適的加載速率，并在加載過程中進行沖樁操作來降低穿刺風險，保證作業安全.

關鍵詞：海洋平臺;黏土;樁靴;穿刺;沖樁

中圖分類號：TU411? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

文章編號：1674—2974（2019）09—0108—07

Abstract：? In order to solve the punch-through problem of the Jack-up platform in the soft clay area such as the South China Sea， the punch-through phenomenon of the Jack-up platform when penetrating in clay was verified by experiment， and the mechanism and solution for the punch-through were explored. In this paper， an experimental set for single leg penetration test under discontinuous loading was designed to simulate the preloading process of a real Jack-up platform with large spud-can， and a series experiments were performed to investigate the effect of the water jetting process for eliminating the risk of punch-through. The results show that the punch-through can occur in the clay layer under discontinuous loading， and the risk of the punch-through can be mitigated by reducing the loading rate or performing water jetting process. Thus， the present investigation is beneficial for safety operation of the jack-up platform in practice.

Key words： marine platform;clay;spud-can;punch-through;waiter jetting

自升式海上石油鉆井平臺因其定位能力強、作業靈活、可移動性能好、價格低廉等特點，在近海油氣勘探開發中發揮著重要作用. 據統計，全球自升式鉆井平臺約占移動式鉆井裝置總數的二分之一，為石油勘探開發做出了巨大貢獻[1].海上自升式鉆井平臺作業分為幾步進行，先經過拖航、就位、放樁、插樁、預壓、升船，然后才可以進行正常作業.其中在預壓過程中，樁腿在船艙壓載水等荷載作用下繼續下沉，樁靴插入海底泥面以下，平臺船體卻在上升，而實際作業時通常采取分級加載方式，即平臺所需的全部壓載水會分多次注入，各次之間會使壓載重量維持一段時間不變，確認安全后才可以繼續注水進行下一步的壓載，因此預壓載為一個“加載-暫停觀察-繼續加載”的不連續加載過程.

由于海底狀況復雜，插樁穿刺一直是自升式平臺的潛在安全隱患.穿刺是指預料之外的單個樁腿突然下沉，一般發生在上硬下軟的地層中.樁靴插樁到硬土層時可能暫時穩定，然而由于持續加壓及下伏軟土層的影響，平臺樁腿會突然穿透上硬土層并進入下伏軟土層而快速下沉，形成穿刺事故，最終可能導致船體嚴重傾斜，造成結構和裝置的損壞，甚至威脅到人員安全[2]. 據MSL公司統計，穿刺事故占自升式平臺總事故的比例高達53%[3]，而其中超過90%的事故發生在亞洲[4]. 國內外學者對穿刺現象展開了廣泛的研究，Lee等人[5-6]在上層砂土下層黏土的土層中開展了一系列離心機實驗，提出了將樁靴及下部砂土等效為一個截錐體基礎的新穿刺模型，并發現測得的最大貫入阻力發展趨勢高度相似;Hossain等人[7-8]在上層硬黏土下層軟黏土以及多層土的土層情況中進行了大量離心機實驗，研究了樁靴貫入時孔穴的形成、土體流動模式及穿刺發生位置.殷齊麟等[9]運用RITSS大變形數值計算方法模擬層狀地基插樁，分析可插樁過程土體變形機理.曹式敬等人[10]和戴兵等人[11]對平臺穿刺計算方法進行了討論，對樁基承載力計算公式進行了歸納和修正.這些穿刺研究主要集中于上硬下軟土層及成層土的連續加載過程，缺乏對樁靴在單一土層不連續貫入的研究.

為了獲得更大的地基承載力，提高在超軟地層井位的作業能力，新型平臺通常都配有面積較大的樁靴，也稱“大樁靴”設計. 大樁靴在提高軟地層適應性的同時，能在較淺的地層獲得足夠的穩定性，從而降低穿刺風險.但在實際作業中發現，在黏土層中預壓載時也會發生穿刺事故. 2004年，印尼Belida B wellhead platform （WHP）插樁時發生了穿刺事故[12]，后來重新進行地質調查，發現在預壓載過程中，黏土層產生了“人工硬層”導致了穿刺. 2017年，南海某大樁靴自升式鉆井平在黏土層預壓載時發生了穿刺現象，穿刺深度近4 m，對平臺結構造成了嚴重損傷.因此，對黏土層地基承載力的研究有助于了解黏土中穿刺的機理，對于保障生產安全，減少財產損失具有重要的意義.

對于黏土中的穿刺問題，國內外的研究較少.Barbosa-Cruz[13]通過離心機實驗發現，黏土中的穿刺現象是由不連續加載過程中土體固結所造成的，固結程度較小也能引起穿刺. Bienen等人[14]在Barbosa-Cruz的基礎上通過離心機實驗研究了固結時間，固結深度對穿刺機理的影響，發現固結后孔隙比減小，不排水抗剪強度增加，承載力急劇增加;固結時間越長，承載力提高越多.趙明華等人[15]對軟黏土中沉樁以及隨后的固結過程進行了模擬，研究了不同因素對固結完成后樁側土體不排水抗剪強度的影響.以上研究有的雖然通過離心機不連續加載分析了黏土穿刺問題，但都是通過位移加載至固結深度后停止加載，等待固結時間后重新加載，與實際作業分級加載方式有所出入.

綜上所述，目前對穿刺現象的研究主要集中在上硬下軟的成層土中，現有黏土層中穿刺的研究主要采用位移加載，不能很好地模擬平臺預加載方式，而且現有規范[16]中預判穿刺的承載力公式大多基于圓餅形樁靴提出，雖然具有較好的通用性，但是對于采用方形大樁靴的適用性有待商榷.本文以某方形大樁靴自升式平臺為原型，運用模型實驗系統研究了黏土層中不連續加載的穿刺現象，分析了穿刺產生的機理和影響因素及降低穿刺風險的方法.對于完善黏土層穿刺研究和指導工程實際具有重要意義.

1? ?插樁模型實驗

1.1? ?模型實驗系統

實驗在土池中進行，實驗系統如圖1（a）所示，土池兩側設有垂直導軌系統，便于調整加載系統的位置，同時也是對整個上部測量系統起到承載的作用. 實驗分為沖樁和非沖樁兩類，首先，在圖1（a）中位置1處進行不連續壓載實驗，測量壓載過程中的承載力-位移曲線. 然后，將整個系統移動到位置2處進行相同的壓載實驗，但在壓載過程中進行沖樁操作，測量承載力-位移曲線.對比兩種工況以及不同壓載速率下的承載力-位移曲線.

進行縮尺實驗時，根據相似性分析，1g重力加速度環境下模型試驗長度、位移、應力、時間等均為原型的1/N[17]（N為試驗模型縮尺比），應變和重度系數等參數與原型比例為1，流量與原型比例為1/N2.

插樁實驗加載系統如圖1（b）所示，該系統的上部由水箱注水進行垂直方向載荷的持續加載，豎直導軌配合滾動軸承用于水箱垂直移動;在自升式平臺樁靴模型上面安裝位移傳感器和力傳感器，用來測量樁靴在實驗中的載荷和入泥深度等相關數據.另外，在樁靴底部布置沖樁孔，并按照實驗設計配備相應的模擬沖樁系統，通過水泵控制沖樁水壓，對樁靴以下土體進行沖刷，使其處于不排水狀態，沖樁示意圖如圖2（a）、2（b）所示.插樁位置詳圖如圖2（c）所示，插樁位置距水平邊界1.2d（d為實驗樁靴最大截面邊界方向長度），距豎向邊界1d，由于存在一定的邊界效應，將導致實驗結果會稍有偏大[18]，但左右兩個插樁位置完全對稱，并且邊界條件保持一致，因此實驗的對比結果仍具有合理性.尺寸效應即為地基承載力系數Nγ隨基礎寬度的增大而減小，與基礎埋深和大小等因素相關[19]，本實驗存在一定的尺寸效應，但樁靴尺寸、插樁位置和深度都是一定的，其結果仍具有參考性.

實驗所用的樁靴模型以某自升式平臺大樁靴為原型，模型如圖2（d）所示，制作比例為1 ∶ 75，平臺樁靴模型長300 mm，寬236 mm，樁底至樁腿頂面高600 mm，樁靴底部設有4個沖樁孔. 實驗的動態數據采集采用DH5923動態信號測試分析系統，該儀器共有32個測量通道，每個通道接口均為7芯航空接頭，能夠輸出最高為24 V的橋路電壓.沖樁系統如圖2（a）所示，主體為XQm型水泵，其排量范圍為0～25 L/min，最大揚程為20 m，額定功率為0.125 kW.原位測量系統采用SZB-1.0型便攜式十字剪切儀，該儀器包括1只扭力計、6根延長桿、4只不同的十字板頭、1只板頭桿和3只輔助扳手，用于測定飽和黏性土的原位不排水強度.其中板頭尺寸如表1所示，由于土層厚度一定，板頭越高在深度方向取點就越少，B板頭雖然高度較小可測點位多，但量程過大不夠精確，D板頭可測點位又過少，考慮到精確度和土層厚度，最終實驗選用C號板頭進行測量.在實驗前，分別對兩個樁靴加載點的前、后、左、右、中心5個點進行不排水剪切強度測量，取其平均值，從而得到抗剪強度隨深度的擬合曲線.

1.2? ?實驗方案及實施

實驗分為2類（沖樁和非沖樁）共6種工況，如表2所示.每種工況均分為四級加載，每級加載分為加載和觀察兩個過程.參考實際平臺預壓載時加載和觀察的時間，將實驗的觀察時間設定為30 min，通過改變每級加載的速率來觀察土體的穿刺情況.在同一級加載速率下還設置了沖樁對比工況，目的是考察在插樁過程中進行沖樁操作對土體承載力以及穿刺現象的影響.沖樁工況下沖樁作業伴隨整個加載過程，且沖樁壓力保持一定，對樁靴底部土體進行持續沖刷.

實驗黏土的主要參數如表3所示，實驗前先將黏土進行晾曬處理，碾碎直徑大于10 mm的黏土塊，之后把黏土倒入土箱中，逐層加水攪拌，然后讓黏土靜置固結一段時間，配置一定初始含水率的飽和黏土（實驗土層厚度為35 cm）;配好土后安裝樁靴模型與加載裝置，安裝傳感器. 通過控制配重對樁靴分級壓載，先通過控制加載管道流量達到不同的加載速率，加載配重至50 kg，停止加載并靜置30 min，第一級加載完成;然后按之前的加載速率繼續加載，將配重加至100 kg，靜置30 min后完成第二級加載;最后依次將配重加至150 kg和200 kg，完成整個不連續的四級加載流程，并記錄全過程的承載力和位移等數據.在位置1完成正常插樁實驗后，拔出樁靴，將加載實驗裝置移到位置2進行沖樁對比實驗.沖樁工況參考了實際平臺沖樁操作，首先將沖樁管線與樁靴連接緊密，之后開啟水泵觀察樁靴沖樁孔是否堵塞，若出現堵塞情況則加大水泵輸出，沖開后4個孔均能順利沖樁，然后將沖樁壓力控制在7.2 kPa（與實際比例為1 ∶ 75），同樣記錄全過程的承載力和位移等數據.實驗前使用十字板剪切儀對不同點位的原位土進行了測試，最后取平均值得到的土體不排水抗剪強度如圖3所示.

2? ?模型實驗結果與分析

2.1? ?不連續加載穿刺現象的產生

加載過程中，在每級加載中間會有30 min的觀察期，土體的固結就發生在此觀察期內. 從圖4（a）可以看出，T1實驗中在第一次觀察期過后重新加載時，發生了快速下沉，下沉深度為5mm，由于插樁深度較淺，且土層厚度較小，可認為是一次下沉深度較小的穿刺現象，其相對土層厚度的穿刺深度為1.4%.從圖4（b）局部放大圖中可以看出，在發生穿刺前，隨著重新加載時荷載的增加，樁靴的入泥深度在一定時間內保持不變，這說明在停止加載時土體產生固結，從而在樁靴底部形成局部硬層，分析其原因可能是在加載過程中，底部土體孔隙水壓持續上升，由于土體來不及排水，荷載由孔隙水和土體共同承擔;在靜置過程中土體有充分時間排水，因此孔隙水壓減小，樁靴局部土體的有效應力增加，土體發生再次固結，在局部形成硬化層，再次加壓時荷載超過硬化層的承載力后出現穿刺現象.

2.2? ?加載速率對穿刺的影響

對比圖4（a）和圖4（c）、圖4（d）可以看出，T1在第一次和第三次觀察期后都發生了穿刺現象. 而T2與T3實驗僅在第一次觀察期后發生了一次穿刺，可以看到加載速率降低后，穿刺風險有了明顯降低.其原因可能是因為加載速度較快時，樁靴底部土體的固結速率較高，上部快速形成的硬土層阻礙了下部軟土層的進一步排水，因而最終形成的硬土層較薄，抗剪強度較低.已有研究結果表明，上硬土層抗剪強度減小時，穿刺風險隨之增大[20].

2.3? ?加載時沖樁對穿刺的影響

沖樁是以大量海水對樁腿下面的土壤進行噴沖，以消除土壤對結構物吸附力的操作，沖樁一般用于解決鉆井平臺拔樁困難等問題[21]，能有效減小拔樁阻力，而本實驗將沖樁應用在插樁過程中，對比正常加載工況研究沖樁對樁靴地基承載力的影響，并觀察沖樁工況下的穿刺情況.從圖5（a）（b）（c）均可以看出，在插樁過程中進行沖樁，土體的承載力有明顯降低，其中T4工況中土體承載力下降幅度最大（42%）.圖6表明在沖樁工況下3種加載速率均未出現穿刺現象.沖樁對樁靴底部土體的作用，一是在樁靴底部形成一層“水膜”，二是當沖樁壓力較大時噴沖作用會破壞底部土體的整體性，避免硬土層的形成，這兩種作用都有效地阻礙了土體的固結和局部硬層的形成，規避了相應的穿刺風險.

實驗結果表明，在預壓載時沖樁能夠有效降低穿刺風險.在工程中遇到穿刺風險較高的地層可以采用沖樁的方式，保證作業安全.

2.4? ?施工建議

大樁靴平臺在軟黏土層中插樁作業時，在不影響工期的情況下盡可能降低壓載的速率，避免由于加載過快引起的穿刺事故.并且在遇到穿刺風險較高的黏土區域，可考慮在插樁時進行沖樁處理，在沖樁初期可增大泵壓直到樁靴底部孔都沖開，然后降低至一定的壓力保證能正常沖樁即可，維持沖樁狀態至插樁結束，可在一定程度上降低穿刺風險.

3? ?結? ?論

1）本文針對某大樁靴自升式平臺在黏土層發生的穿刺事故，通過模擬實際平臺的加載方式，設計了一整套包括加載裝置、測量裝置和沖樁裝置的實驗系統，完成了樁靴在黏土中的插樁實驗，驗證了實驗系統的有效性.

2）以正常壓載方式進行加載時（T1～T3）均出現了微小的穿刺現象，并且在較高的加載速率下（T1）出現了多次穿刺，表明平臺在黏土層中插樁時會出現穿刺現象，并且穿刺風險隨加載速率的提高而增加.

3）實驗結果表明，在插樁過程中進行沖樁操作，能大幅度降低地基承載力，最高可達42%，并有效降低穿刺風險.

參考文獻

[1]? ?陳宏.自升式鉆井平臺的最新進展[J].中國海洋平臺，2008，23（5）：1—7.

CHEN H. The latest development of jack -up drilling platform [J]. China Offshore Platform，2008，23（5）：1—7. （In Chinese）

[2]? ?胡知輝，趙軍，宋林松，等. 復雜地層條件下自升式鉆井平臺插樁穿刺分析[J].中國海上油氣，2011，23（5）：344—348.

HU Z H，ZHAO J，SONG L S，et al. Analysis on punch-through during the jack-up unit preloading in complex stratum [J]. China Offshore Oil and Gas，2011，23（5）：344—348. （In Chinese）

[3]? ?DIER A，CARROLL B，ABOLFATHI S. Guidelines for Jack-up rigs with particular reference to foundation integrity [R]. Ireland： MSL Engineering Limited，2004：7—14.

[4]? ?TEH K L，LEUNG C F，CHOW Y K. Prediction of punch-through for spudcan penetration in sand overlying clay [C]// Offshore Technology Conference. Houston，Texas： OTC，2009：1468—1481.

[5]? ?LEE K K，CASSIDY M J，RANDOLPH M F. Bearing capacity on sand overlying clay soils： experimental and finite-element investigation of potential punch-through failure [J]. Géotechnique，2013，63（15）：1271—1284.

[6]? ?LEE K K，RANDOLPH M F，CASSIDY M J. Bearing capacity on sand overlying clay soils： a simplified conceptual model [J]. Géotechnique，2013，63（15）：1285—1297.

[7]? HOSSAIN M S，RANDOLPH M F. Deep-penetrating spudcan foundations on layered clays： centrifuge tests [J]. Géotechnique，2010，60（3）：157—170.

[8]? ?HOSSAIN M S. Experimental investigation of spudcan penetration in multi-layer clays with interbedded sand layers [J]. Géotechnique，2014，64（4）：258—277.

[9]? ? 殷齊麟，董勝，樊敦秋. 復雜地層中自升式平臺插樁的數值模擬[J].工程力學，2016，33（9）：204—211.

YIN Q L，DONG S，FAN D Q. Numerical simulation of penetration of Jack-up platform in complex foundation soils [J]. Engineering Mechanics，2016，33（9）：204—211. （In Chinese）

[10]? 曹式敬，宋林松，黎劍波，等. 自升式平臺穿刺計算方法探討[J].海洋石油，2011，31（1）：86—89.

CAO S J，SONG L S，LI J B，et al. Discussion on punch-through calculation method of jackup [J]. Offshore Oil，2011，31（1）：86—89. （In Chinese）

[11]? 戴兵，段夢蘭，宋林松，等. 自升式鉆井平臺穿刺分析[J].科技導報，2010，28（17）：63—66.

DAI B，DUAN M L，SONG L S，et al. Investigation of the punch-through in Jack-up rigs [J]. Science & Technology Review，2010，28（17）：63—66. （In Chinese）

[12] BRENNAN R，DIANA H，STONOR R. Installing jackups in punch-through-sensitive clays [C]// Offshore Technology Conference. Houston，Texas： OTC，2006：1524—1550.

[13]? BARBOSE-CRUZ. Partial consolidation and breakthrough of shallow foundations in soft soil [D]. Perth：School of Civil and Resource Engineering，University of Western Australia，2007：1—7.

[14]? BIENEN B，CASSIDY M J. Set up and resulting punch-through risk of jack-up spudcans during installation [J]. Journal of Geotechnical & Geoenvironmental Engineering，2013，139（12）：2048—2059.

[15]? 趙明華，占鑫杰，鄒新軍. 飽和軟黏土中沉樁以及隨后固結過程的數值模擬[J]. 湖南大學學報（自然科學版），2013，40（2）：1—8.

ZHAO M H，ZHAN X J，ZOU X J. Numerical simulation of pile installation and subsequent consolidation in clay [J]. Journal of Hunan University （Natural Sciences），2013，40（2）：1—8. （In Chinese）

[16]? SNAME. Guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units，technical and research bulletin 5-5a [S]. New Jersey： SONA Engineers，2008：64.

[17]? 高攀，段夢蘭，趙良美，等. 大比尺自升式平臺插拔樁試驗系統研制及驗證[J]. 中國海上油氣，2016，28（6）：108—114.

GAO P，DUAN M L，ZHAO L M，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. （In Chinese）

[18]? 徐光明，章為民. 離心模型中的粒徑效應和邊界效應研究[J].巖土工程學報，1996，18（3）：80—86.

XU G M，ZHANG W M. Study on particle size effect and boundary effect in centrifugal model [J]. Chinese Jounal of Geotechnical Engineering，1996，18（3）：80—86. （In Chinese）.

[19]? 柳飛. 模型試驗中地基材料粒徑與基礎尺寸效應研究[D]. 青島：中國海洋大學環境科學與工程學院，2010：61—67.

LIU F. Study on the particle size effect and scale effect in model test [D]. Qingdao：College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，2010：61—67. （In Chinese）

[20]? 林一，胡安康，蔣瑋，等. 層狀地基中自升式鉆井平臺插樁穿刺風險分析[J]. 哈爾濱工程大學學報，2016，37（6）：754—761.

LIN Y，HU A K，JANG W，et al. Risk analysis of punch through for a jack-up drilling unit in layered soil [J]. Journal of Harbin Engineering University，2016，37（6）：754—761. （In Chinese）

[21]? KOHAN O，BIENEN B，GAUDIN C，et al. The effect of water jetting on spudcan extraction from deep embedment in soft clay [J]. Ocean Engineering，2015，97：90—99.