淺水固定式平臺大直徑鋼樁基礎應用研究

1中海油湛江分公司

2中國石油冀東油田油氣集輸公司

樁基是海洋固定平臺常用的錨固基礎形式，導管架的桁架結構的剛度在順應300 m水深范圍內的環境荷載、節省材料等方面具有很大的優勢，因此導管架+樁基的結構形式被廣泛應用于目前的海洋石油開采當中。圖1為某海洋樁基平臺的總體結構。

圖1 固定平臺的總體結構Fig.1 Overall structure of fixed platform

圖2為正在建造的某導管架結構。從圖中可以看到，目前在固定式平臺中常常使用的導管架的設計建造工藝均較為復雜，相應的成本也較高。

圖2 正在建造的導管架Fig.2 A jacket truss under construction

圖3為某導管架固定平臺的樁基布設情況。可以看到，如果采用了導管架結構，所對應的樁基的設計安裝也是海洋石油工程建設過程中的一個重要問題。由于樁基的數量較多，造成海上施工周期的增加；由于海洋環境的復雜性，施工的窗口期較短，因此樁基的可打入性分析就成為近年來研究的熱點。張樹德對黏土中打樁土阻力的衰減以及承載力的恢復進行了探討[1]。閆澍旺等對海洋平臺樁基貫入過程中的兩種極端現象（即拒錘和溜樁），探討了相應的打樁分析方法[2]。李颯等根據CPT以及現場打樁記錄探討了樁基安裝過程對土阻力的影響，并提出了相應的土阻力計算方法[3]。李書兆等針對南海北部區域的土壤特征進行了南海海域的打樁分析[4]。這些研究都是針對上述的群樁基礎展開的。

圖3 某平臺的樁基布設Fig.3 Pile foundation layout of a platform

由于受到各方面條件的限制，上述群樁結構被廣泛應用于海洋樁基平臺的設計。但是對于水深較淺的情況，海洋環境荷載要求較低，結構基礎絕對高度也較低，不需要考慮利用結構柔性傳遞釋放荷載，因此可以取消導管架，直接采用大直徑樁基作為上部組塊的支撐（圖4）。

圖4 取消導管架的獨立樁基平臺Fig.4 Independent pile foundation platform without jacket truss

近年來，隨著打樁錘的更新換代，超大直徑的樁基安裝已不再困難。特別是隨著海上風電事業的發展，獨樁基礎在海上風電場中得到了廣泛的應用，其直徑可達到8 m。取消導管架，將這種超大直徑的獨樁基礎應用到海洋樁基平臺可以節省大量建造費用，同時降低安裝風險，節省施工時間，節約安裝費用。因此有必要對這種結構的樁基承載力特征進行進一步的研究探討。

1 計算條件的確定

為了探討超大直徑海洋平臺獨立樁基的承載特性，本次研究以南海烏石項目為計算背景，采用相應海域的地質條件和荷載條件對不同直徑的獨立單樁的承載力進行了計算分析。計算中的土質條件見表1。

計算水深為19.6 m，水流流速2.19 m/s（百年一遇的表層流速），風速58.71 m/s（百年一遇的3 s風速）；100年一遇的波浪要素如下：有效波高H=9.72 m，周期T=10.01 s，波長L=150 m；上部荷載3 600 t。

表1 土層分布Tabl.1 Distribution of soil layers

分別選擇樁徑4 m和5 m的獨立樁基進行承載力計算分析。

2 環境荷載的確定

2.1 波浪荷載的計算

根據JGJ 213—1998《海港水文規范》[5]進行計算。

式中：pD為波浪力的速度分力，kN/m；p1為波浪力的慣性分力，kN/m；Du為柱體的直徑，m；A為柱體的斷面積，m2；CD為速度力的系數，對圓形斷面取1.2；CM為慣性力的系數，對圓形斷面取2.0；γ為水的重度，kN/m3。

2.2 水流荷載的計算

根據JTS 144-1—2010《港口工程荷載規范》[6]，作用在鋼管樁上的流水壓力標準值為

式中：Fw為水流力標準值，kN；ρ為水的密度，t/m3，海水取1.025 t/m3；v為水流設計流速，m/s，根據可行性研究報告中實測最大流速為2.19 m/s；A為計算構件在與流向垂直平面上的投影面積，m2；Cw為水流阻力系數，查JTS 144-1—2010《港口工程荷載規范》表13.0.3-1，圓柱的Cw為0.73。

2.3 風荷載的計算

根據JGJ 213—98《海港水文規范》，風荷載標準值為

式中：W0為基本風壓；k0為設計風速重現期換算系數，取1.0；k1為風載阻力系數，取1.17；k3為地形、地理條件系數，取1.0；k5為陣風風速系數，取1.38。

3 樁基承載特性分析

考慮上述計算得到的波浪力、風荷載、水流力，以及上部組塊的荷載36 000 kN，進行樁基設計計算，對于直徑4 m的獨立樁基，單根樁長129 m，入土深度93 m可滿足承載要求。對于直徑5 m的獨立樁基，單根樁長113 m，入土深度約77 m可滿足承載要求。為了對不同樁基的承載特性進行分析，采用有限元MIDAS/CIVIL進行分析計算，其中采用三維梁單元模擬實際的樁基礎，用土彈簧單元模擬樁周圍土抗力的影響。不同直徑的獨立樁基的計算模型見圖5 。

圖5 獨立樁基計算模型Fig.5 Calculation model of independent piles

圖6和圖7給出了獨立樁基的應力和位移分布。由計算結果可以看出，對于樁徑為4 m的獨立樁基，應力最大為239.8 MPa，位移最大為32.5 cm；對于樁徑為5 m的獨立樁基，應力最大為192.2 MPa，位移最大為18.2 cm。

圖6 獨立樁基的應力Fig.6 Stress of independent piles

計算結果顯示，取消導管架后，各種環境荷載直接作用于獨立大直徑樁基上，上述兩種大直徑獨立樁基設計均可滿足平臺上部組塊對于下部基礎的需要，且隨著樁徑的增加，樁身的應力水平降低，位移減小。這兩種樁基設計均可以滿足海洋平臺承載力以及樁身強度的要求。

圖7 獨立樁基的位移Fig.7 Displacement of independent piles

4 樁基與導管架平臺的比較

上述的計算分析表明，采用獨立樁基可以滿足該工程海洋平臺上部組塊的要求，且從圖4可以看到，取消導管架后，其建造安裝均得到了大大的簡化，獨立樁基礎的建造安裝基本過程見圖8，導管架平臺建造安裝過程見圖9。

采用不同的結構形式對總成本有顯著的影響，其建造工程量比較見表2。導管架建造工藝比鋼樁復雜，鋼樁建造工程單價約5 000元/t（不含材料費），導管架建造工程單價約10 000元/t（不含材料費）。鋼材材料費約5 500元/t。鋼樁基礎的建造工程成本可降低約4 300萬元。同時由于省去了導管架海上安裝使用的駁船和浮吊，可節省費用約1 000萬。對本項目而言，共計可節省費用5 300萬元。

圖8 獨立樁基的建造安裝過程Fig.8 Construction and installation process of independent piles

圖9 導管架的建造安裝過程Fig.9 Construction and installation process of jacket truss

表2 建造工程量對比Tab.2 Comparison of construction quantity

5 結論

結合某淺水固定式平臺實際工程的地質條件以及海況條件，針對取消導管架，采用獨立大直徑樁基直接作為上部組塊的基礎這一設計進行了樁基承載力以及樁身應力和位移計算分析。計算結果顯示，這種設計可以滿足海洋平臺的各方面要求，表明超大直徑鋼樁基礎在技術上可以滿足淺水固定平臺的需要。取消導管架減少了導管架建造和海上安裝，降低了工程風險，大大節省了建造成本。同時，采用這種設計可以有效縮短海上施工周期，降低安裝成本，控制現場風險，是海洋平臺樁基設計的一個新選擇。