南海北部灣打入式隔水導管承載力CPT設計方法*

劉功艷 管 申 劉賢玉 曹 峰 王 騰

(1.中海油能源發展裝備技術有限公司南海工程分公司 廣東湛江 524057； 2.中海石油(中國)有限公司海南分公司 海南海口 570300;3.中海石油(中國)有限公司湛江分公司 廣東湛江 524057； 4.中國石油大學(華東)石油工程學院 山東青島 266580)

隔水導管是從海上鉆井平臺下入的第一層套管，為井口和表層套管提供支撐和保護。鉆井隔水導管的承載力和下深設計直接影響井口的穩定性[1]。淺海導管架平臺的隔水導管通常采用打樁法作業，打入法下鉆井隔水導管具有作業程序簡單、時效高、隔水導管承載力更大等特點。

隔水導管的打樁貫入過程引起樁側周圍土體應力場劇烈變化，樁周土體的循環剪切造成樁側摩阻摩擦疲勞現象[2]。Jardine[3]發現樁土界面摩擦疲勞是由于樁土界面剪切導致顆粒破碎產生的。國外許多學者通過模型試驗、現場試驗建立樁側摩阻力與靜力觸探試驗(CPT)阻力的經驗關系，提出了基于CPT的打入樁設計方法，主要有Fugro-O5、ICP-O5、NGI-O5和UWA-O5等方法[4-7]。

CPT設計方法充分考慮了樁打入過程中樁側應力場發展規律對其豎向承載力的影響，其可靠性已經通過大量靜載試驗數據庫分析得到了初步驗證[8-9]。與傳統的API[10]設計方法相比，CPT方法的計算結果更接近于實測值，且離散性更小[3,6]。API意識到傳統經驗計算方法的缺陷，將上述4種基于CPT的設計方法納入到最新版本的附錄條款說明中(API RP2GE0 2014)，并建議工程設計使用[11]。

本文基于CPT法對打入式隔水導管的承載力進行設計，并與API法進行對比分析，研究砂土密實程度、導管下深對導管單位側摩阻力及承載力影響，并通過南海某工程實測CPT數據對打入式隔水導管承載力的可靠性進行評估,以期為隔水導管承載力計算提供參考。

1 樁側摩阻力的計算方法分析

1.1 API和CPT樁側摩阻力計算模型

1)API樁側摩阻力計算模型。

打入式隔水導管的承載力主要由樁側摩阻力來提供。其豎向承載力Q主要由樁側摩阻力Qs組成，如式(1)所示。

(1)

式(1)中：τf為單位極限樁側摩阻力，kPa；z為樁端入土深度，m；D為樁基外徑，m。

(2)

式(2)中：Kf是水平土壓力系數，對于打入式開口管樁，無土塞時Kf=0.8，有土塞或密口樁Kf=1.0；δf為鋼—砂界面摩擦角，典型值介于28°～30°。對于長樁，API給出了δf樁土界面摩擦角和極限側摩阻力τflim建議取值。

2)CPT樁側摩阻力計算模型。

Lehane研究團隊的UWA-O5 CPT設計方法與其他3種CPT方法相比，其可靠性更高[11]。其樁側局部摩阻力計算公式如下:

(3)

(4)

式(4)中：h為考察點與樁端的豎向距離，m；Arseff表示考慮土塞效應樁端橫截面面積，m2。

Manassero等[12]給出了根據CPTqc值確定砂土相對密實度的方法，如式(5)所示。

(5)

根據《土工試驗方法標準》[13]，假定均質密實砂土的相對密實度Dr=80%，中等密實砂土Dr=50%。土體的有效重度為9.0 kN/m3,依據式(5)得到密實砂土、中等密實砂土CPTqc隨深度變化曲線如圖1所示。

圖1 均質砂土CPT錐端阻力

對于給定土層的CPTqc數據，結合式(2)～(5)計算得到樁側局部側摩阻力和導管的承載力。

1.2 CPT、API法樁側摩阻力計算結果分析

1)密實砂土樁側摩阻力計算結果分析。

CPT方法計算樁側徑向應力表達式(4)中存在h/D摩擦疲勞效應，隨打入樁長的增大，樁側土阻力摩擦退化越顯著[13]。所以，對下深為30、40、50 m等3種下深導管的摩擦疲勞效應進行了對比分析。

給定隔水導管外徑D=0.914 m,內徑Di=0.864 m，樁土界面摩擦角δf=29°，Kf=0.8，分別由API法和CPT法得到密實砂土層中導管的單位側摩阻力隨深度變化曲線如圖2所示。

圖2 密實砂土中單位側摩阻力隨深度變化

從圖2中可以看出，密實砂土層中，API法樁側單位側摩阻力隨深度增大，在30 m處達到其極限單位側摩阻力τflim=96 kPa后，隨深度保持不變。CPT法的單位側摩阻力隨深度近似呈指數規律增大；在同一深度處，由于導管長度越大其淺層側摩阻力的摩擦疲勞效應越顯著。但在導管底部，CPT法的單位側摩阻力遠大于API值。

2)中等密實砂土樁側摩阻力計算結果分析。

中密砂土層中導管的單位側摩阻力隨深度變化曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，中等密實砂土層中，API方法得到的樁側單位側摩阻力在24.5 m處達到其極限側摩阻力后，隨深度保持不變。CPT法中，同一深度處的單位側摩阻力隨導管下深增大而減小，這與密實砂土一致。但與密實砂土不同的是,API法顯著高估了導管的單位側摩阻力，從而導致極端承載力值也遠大于CPT法。

圖3 中等密實砂土中單位側摩阻力隨深度變化

3)極限承載力計算結果分析。

密實、中密砂土層中導管下深30、40、50 m的承載力比較見表1。密實砂土層中，導管下深30 m時，QAPI密實比QCPT密實偏小30.8%；下深50 m時，QAPI密實比QCPT密實偏小8.8%；中密砂土層中，下深30 m時，QAPI密實比QCPT密實偏大104.8%；下深50 m時，QAPI密實比QCPT密實偏大134.8%。研究表明，中等密實砂土摩擦疲勞效應顯著，API計算結果偏大偏不安全，這與文獻[14]的結果基本一致。

表1 API法與CPT法導管極限承載力比較

2 南海北部灣現場應用

南海北部灣場址巖土工程勘察報告給出土層的原位靜力觸探測試qc隨深度變化曲線如圖4所示。對φ914.4 mm隔水導管分別采用CPT法和API法得到的導管單位側摩阻力、側摩承載力隨深度變化曲線如圖5、6所示。從圖5單位側摩阻力曲線分布可以看出，導管上部4/5長度范圍內其單位側摩阻力小于API法；而在接近樁端1/5長度范圍內，其單位側摩阻力遠大于API法。從圖6導管承載力比較圖中可以看出，API法對導管上部的單位側摩阻力計算值偏大，對導管底部的計算值偏小，但整體承載力與CPT法基本相同。這主要是因為場址土層多為密實到非常密實砂層，摩擦疲勞效應較弱，對API法計算結果影響較小。

圖4 南海某場址CPT錐端阻力曲線

圖5 導管單位側摩阻力隨深度變化曲線

圖6 導管承載力隨深度變化曲線

3 結論

1)CPT法考慮了打樁對樁周土體的摩擦疲勞效應，導管同一深度的側摩阻力隨導管下深增大而減小；與密實砂土相比，中等密實砂土摩擦疲勞效應顯著。

2)與CPT法相比，密實砂土中API法低估導管承載力，隨深度增大，偏小幅度增大；中等密實砂土API高估承載力，隨深度增大，高估程度增大；下深50 m時高估134.8%。

3)結合北部灣工程現場40 m導管打入能量分布曲線,驗證了CPT法的正確性，可為打入式隔水導管承載力的可靠性評估提供借鑒。