埕島油田海上自升式平臺反復插拔樁對地層的影響*

荊少東 梁曉勇 徐帥陵 侯方

1中石化石油工程設計有限公司

2中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第二鉆井工程分公司

埕島油田位于黃河入海口處的極淺海區(qū)，水深5～25 m，已建成各種固定式采油平臺100 多座，配備有11 個自升式移動平臺進行井下作業(yè)。插樁和拔樁過程是海上移動平臺在漂浮狀態(tài)和海底支撐狀態(tài)之間轉換的過程，對于平臺的作業(yè)性能和安全性十分重要。插拔樁過程中，土體受到擠壓、拖帶發(fā)生破壞。拔樁后，在海底會留下樁坑。平臺插拔樁后，由于受到擾動，坑內土體的強度會降低[1-3]，無論在橫向和豎向都變得不均勻。

通過模型試驗，掌握反復插拔樁造成的地基土強度喪失與恢復過程，明確自升式平臺反復插拔樁前后土體的強度變化和樁坑的影響范圍，以及平臺插拔樁過程中貫入力和起拔力的變化規(guī)律，對確保平臺插樁就位的安全至關重要。

1 試驗系統(tǒng)組成

研制了自升式平臺插拔樁試驗系統(tǒng)，主要包括土箱、加載及支撐裝置、測量系統(tǒng)、土體強度測量設備和模型樁靴等。

1.1 樁靴模型

樁靴模型按照1∶100 的比例尺進行縮尺制作，如圖1 所示。

圖1 樁靴模型尺寸Fig.1 Model size of pile shoe

1.2 其他儀器設備與功能模型土箱

考慮邊界效應，模型土箱的尺寸為800 mm×800 mm×400 mm，模型箱側板底部對稱設計了2個排水孔，用于抽真空固結以制備模型試驗土。插樁與拔樁的過程通過液壓千斤頂和反力架配合實現(xiàn)。采用測力傳感器測試插樁過程中的壓力和拔樁過程中的拉力大小。使用孔隙水壓力傳感器測量試驗過程中土模型內部孔隙水壓力變化，以判斷插拔樁對土的影響程度及范圍。使用便攜式十字板剪切儀測試插拔樁前后土層的不排水抗剪強度。

1.3 試驗用土制備

圖2 真空預壓固結模型箱原理圖Fig.2 Schematic diagram of vacuum preloading consolidation model box

將取自埕島油田海域的粉土和粉質黏土進行風干、打散后過篩、充分碾散，攪拌均勻，然后加水制備成飽和泥漿，再將土樣分層放進模型箱后進行真空預壓固結，使粉土和黏性土充分固結，制成一定強度的飽和土備用[4-6]。制樣原理見圖2，真空預壓裝置見圖3。

圖3 真空預壓裝置Fig.3 Vacuum preloading device

2 試驗方案

2.1 土層分布

試驗土層分布為上部20 cm 厚粉質黏土，下部7 cm 厚粉土。試驗開始前，實測得到的各土層土體物理力學參數(shù)平均值見表1。

2.2 孔隙水壓力傳感器布置

參考前人研究經(jīng)驗和插拔樁數(shù)值分析結果[7-11]，認為插拔樁的影響范圍主要在以樁靴中心為圓心1.5D（D為樁靴直徑）范圍內，進一步考慮模型試驗的比尺效應，確定孔壓計布置的水平最大距離為1.5D較為合適，可覆蓋全部影響范圍。

具體布置方式如下：共使用孔壓計4 個，分布在樁靴模型兩側。其中距離樁靴中心1D位置沿深度布置2 個，深度分別為10 cm 和20 cm；距離樁靴中心1.5D處位置沿深度布置2 個，深度分別為10 cm 和20 cm，用于監(jiān)測插拔樁在粉質黏土和變層位置處孔壓變化過程。

表1 試驗土體參數(shù)Tab.1 Test soil parameters

2.3 插拔樁過程設計

考慮到粉土層下為土工織布和砂土，若插樁深度達到粉土層底部，貫入力會激增，即下部排水砂層會對粉土層強度有所影響，因此確定插樁深度為22 cm 左右，即樁靴進入粉土深度為2 cm 左右。

插樁過程采用位移控制，速度均為0.1 mm/s，插樁至既定深度后，靜置10 min 后拔樁，待土體完全回流結束10 min 后，再次插樁。重復上述過程，往復兩次插拔過程，終止試驗。

詳細試驗方案設計如圖4 所示。

圖4 具體試驗設計示意圖Fig.4 Schematic diagram of specific test design

2.4 土體強度測試方案設計

試驗前，在模型箱四個角點距離箱側10 cm 位置處，分別測試沿深度方向土體強度大小，并取平均值作為初始土體強度值。

反復插拔結束后，在距離樁靴 0.75D、1.0D、1.25D、1.5D、1.75D和樁底位置處分別測試土體強度（圖5）。

3 試驗結果分析

3.1 插拔樁影響范圍分析

3.1.1 初次貫入

（1）土層位移變化。由于表層黏性土強度較低，導致初始貫入時土層發(fā)生沖切破壞，沖坑周邊未發(fā)生擠土隆起，反而下沉，樁靴附近表層土體出現(xiàn)裂縫。這是由于隨著樁靴貫入深度增加，樁坑內壁土體發(fā)生部分程度坍塌，支撐力顯著下降，坑外側主動土壓力引起樁坑側壁土體發(fā)生整體移動，而且貫入過程中，樁靴對其周邊側壁土體有向下的牽引作用，導致坑外側土體向坑內側傾斜。

圖5 土體強度測試位置分布圖Fig.5 Distribution map of soil strength test position

（2）孔壓變化。圖6 為插樁過程中，不同土層位置處孔壓監(jiān)測結果。

圖6 初次插樁不同位置處孔壓變化Fig.6 Pore pressure changes at different positions of the initial pile in sertion

從圖中可以看出，貫入深度達到5 cm 時，2 號孔壓計示數(shù)開始增加，表明在該深度距離樁靴中心1D處的土體出現(xiàn)壓縮變形，導致孔隙水壓力增加，峰值達到6 kPa；貫入深度達到7.5 cm 時，1 號孔壓計示數(shù)開始增加，表明樁靴貫入影響區(qū)域已發(fā)展至距離樁靴1.5D處，但孔壓增加不明顯，最終峰值約為0.7 kPa；貫入深度達到7 cm 時，3 號孔壓計示數(shù)開始增加，且增加趨勢明顯，峰值達到18 kPa，表明隨著貫入深度的增加，樁靴底部附加應力影響范圍逐步擴大；貫入深度達到15 cm 時，4 號布置在哪孔壓計示數(shù)開始增加，但峰值較小。貫入過程結束時，各孔壓均維持不變，無消散跡象。

3.1.2 初次拔樁

初始貫入結束后，待孔壓消散10 min 后開始拔出樁靴。拔樁速率與插樁速率相同。

拔樁結束后，樁靴帶出部分完全擾動土體，該部分土體呈流速狀，屬于超軟土，基本無強度，這主要是由于插樁后樁坑側壁土體坍塌或回流以及發(fā)生樁坑縮孔導致的。樁坑呈現(xiàn)倒錐形，樁坑最大深度為8.5 cm（約為1D），最大直徑為12 cm（約為1.3D）。拔出過程中，孔壓稍有增加，擠土效應不明顯。完全拔出后，由于內部支撐作用更小，導致側壁向樁坑內部傾斜更嚴重。

3.1.3 二次插拔

初次完全拔出30 min 后，在相同位置進行二次插樁。

由于初次插拔已形成完整樁坑，二次插樁時，擠土效應不明顯，孔壓增量相比第一次插樁明顯下降。但樁靴拔出后，再次攜帶出部分完全擾動土體，對鄰近樁靴土體進一步產(chǎn)生擾動，導致樁坑深度和直徑更大。拔樁后，測量樁坑最大深度為10 cm（1.1D），最大直徑為15 cm（1.6D）。二次拔樁后，孔壁坍塌更嚴重，樁坑側壁土體向坑內傾斜也更明顯，表現(xiàn)為表層土體下沉。

3.2 土體強度影響分析

試驗開始前，在距離貫入位置中心2D位置處，選取4 個試驗點，沿深度每間隔4 cm 測試一次土體強度，測試深度達到22 cm，至粉土層。

表2 試驗前后土體強度對比Tab.2 Comparison of soil strength before and after the test

二次拔出完成后，根據(jù)試驗影響范圍，分別對距離貫入中心0.75D、1D、1.25D、1.5D和1.75D位置處的土體強度進行測量，以分析反復插拔樁對周邊土體擾動影響。

圖7 為不同深度處，距離樁靴不同距離處的土體受擾動程度分布規(guī)律。從圖7 可知，距離樁靴0.75D位置處擾動程度最嚴重，最高可達到40%。隨著距離的增加，擾動程度有所降低，距離增加至1.5D至1.75D范圍內時，土體基本不受擾動，同時結合超孔隙水壓力數(shù)據(jù)，可以確定插樁影響范圍約為距離樁靴中心1.6D范圍內。

圖7 土體強度受擾動程度（不同深度）Fig.7 Degree of disturbance of soil strength（different depths）

圖8 給出了距離樁靴中心不同距離的土體強度受擾動程度沿深度的分布規(guī)律。從圖8 可知，距離樁靴中心不同位置處，沿深度方向土體的擾動程度在1.8D（16.5 cm）范圍內基本不變，隨后擾動程度明顯降低。

圖8 土體強度受擾動程度（距離樁靴中心不同距離）Fig.8 Degree of disturbance of soil strength（different distance from the center of pile shoe）

此外，對樁坑底部中心土體強度進行測量，試驗后強度為39.4 kPa，強度約增加40%，這是由于反復插樁對坑底土體有壓密作用，同時土體再次發(fā)生固結，根據(jù)荷載-位移關系可知，固結應力可達到140 kPa。

3.3 插拔樁過程中荷載變化分析

3.3.1 初次插拔樁

初次插拔樁中荷載變化曲線見圖9。由于淺表層為軟黏性土，因此樁靴初始貫入時地基表現(xiàn)為沖切破壞，樁靴底部黏性土被壓密至樁靴底部，很少部分土體從樁靴側面擠出，樁側土體由于主動土壓力作用向坑內傾斜，樁坑側壁土體出現(xiàn)坍塌或回流，荷載曲線呈緩慢線性上升，當樁靴接近粉質黏土-粉土變層處時，荷載增加至25 kg，該部分荷載主要由樁靴端部承擔，側壁摩阻力幾乎不用考慮。

圖9 初次插拔樁過程中荷載變化曲線Fig.9 Load change curve in the first insertion and removal process of piles

進一步貫入樁靴，荷載出現(xiàn)瞬時突變，底部黏性土被進一步壓密，粉土層同時發(fā)揮抗力作用，貫入結束時荷載峰值達到130 kg。此時，樁靴中心底部出現(xiàn)較為嚴重的壓密區(qū)，土體強度有所增加，樁靴邊緣形成局部塑性區(qū)，土體強度所有降低。

維持樁靴豎向位移不變，待荷載穩(wěn)定后開始拔樁。該過程中發(fā)現(xiàn)，峰值荷載出現(xiàn)明顯降低，最終達到穩(wěn)定值，究其原因可能為樁靴荷載主要由端部土體承擔，貫入過程中樁靴與土相互作用表現(xiàn)良好；貫入結束時，樁端壓密區(qū)土體出現(xiàn)應力松弛，樁靴周圍塑性區(qū)土體進一步變形，導致樁靴與土相互作用力下降，最終表現(xiàn)為荷載降低。根據(jù)試驗結果可以看出，初次插樁結束后。

荷載穩(wěn)定后開始拔樁，起拔力Qb約為20 kg，這主要源于端部土體對樁靴產(chǎn)生的吸力作用，隨后荷載明顯下降，該部分荷載源于側壁土阻力。

3.3.2 二次插拔樁

二次插拔樁中荷載變化曲線見圖10。二次插拔樁過程中，由于坑內土體受到擾動，強度明顯降低，導致樁靴在黏性土中的荷載較小，接近粉土層時，最大荷載約為8 kg。樁靴進一步貫入至粉土層，由于初次插樁對底部土體有壓密作用，土體強度增加，導致樁靴貫入荷載增大，峰值荷載達到了140 kg。貫入結束后，維持樁靴豎向位移不變，峰值荷載逐漸降低至穩(wěn)定值，約為0.78，較初次插樁有所提高，這是由于初次插拔樁后，樁靴中心底部土體已經(jīng)過一次壓密作用，土體強度有所提高，變形能力較弱，導致二次插樁后樁靴與土相互作用弱化效應不明顯，最終表現(xiàn)為穩(wěn)定荷載與峰值荷載比值較高。

圖10 二次插拔樁過程中荷載變化曲線Fig.10 Load change curve in the second insertion and removal process of piles

樁端壓密區(qū)土體出現(xiàn)應力松弛，樁靴周圍塑性區(qū)土體進一步變形，導致樁靴與土相互作用力下降，最終表現(xiàn)為荷載降低。

荷載穩(wěn)定后開始拔樁，起拔力Qb約為18 kg，較初次拔樁略有下降歸因于端部土體對樁靴產(chǎn)生的吸力作用。

3.3.3 荷載變化規(guī)律

兩次插拔樁的荷載變化規(guī)律相近，整體變化規(guī)律如圖11 所示。從圖11 可以看出：①插樁階段：初始貫入至黏性土中時，荷載呈緩慢線性增加，接近變層處時，荷載發(fā)生突變，并近似呈線性增加至峰值；②維持階段：荷載逐漸降低至穩(wěn)定值；③拔樁階段：瞬時起拔力較大，隨后突然降低，最后趨于穩(wěn)定。

其中，黏性土中的貫入力峰值與起拔力峰值接近。

圖11 插拔樁過程中荷載變化規(guī)律Fig.11 Load change law during insertion and removal process of piles

4 結論

通過樁靴縮尺模型試驗系統(tǒng)在室內進行反復插拔樁的小比尺物理模型試驗，得到如下結論：

（1）樁靴貫入至黏土層中發(fā)生沖切破壞，初次貫入結束后，側壁土體發(fā)生回流和坍塌，表層土體有明顯沉陷；初次拔樁結束后，遺留較大樁坑，呈倒錐形，其深度和直徑均大于樁靴直徑，反復插拔后遺留樁坑尺寸有所增加，同時拔樁攜帶出的土體已被完全擾動，呈流塑狀態(tài)。

（2）通過監(jiān)測不同位置處孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律并測試試驗前后土體強度，獲得了反復插拔樁對地層的影響范圍和影響程度，即：距離樁靴距離越近，擾動越嚴重，擾動程度最高可達40%，且平面影響范圍約為距離樁靴中心1.6D；沿深度方向土體的擾動程度在1.8D深度范圍內基本不變，隨后擾動程度明顯降低。

（3）反復插拔樁使樁坑底部中心土體發(fā)生再次固結，土體進一步被壓密，強度約增加40%。

（4）采用位移控制方式模擬了插樁、作業(yè)和拔樁三個過程，監(jiān)測到了貫入力的整體變化規(guī)律，即：初始貫入至黏性土中時，荷載緩慢增加，接近變層處時，荷載發(fā)生顯著突變，隨后近似呈線性增加至峰值；作業(yè)期間，貫入力逐漸降低至某一穩(wěn)定值；由于土壤附加吸力作用，初始拔樁時的瞬時起拔力較大，隨后突然降低，最后趨于穩(wěn)定；黏性土中的貫入力峰值與最終的起拔力峰值較為接近。

（5）與第一次插拔樁過程相比較，二次插樁在黏性土中的貫入力峰值略有下降，在粉土層中的貫入力峰值略有升高，維持荷載比例有明顯升高，初始起拔力略有下降。