自升式鉆井平臺(tái)插樁對(duì)導(dǎo)管架樁腿承載力影響研究

陳樹恩

（中海石油（中國(guó)）有限公司，北京 100010）

1 理論計(jì)算方法

大直徑樁靴與導(dǎo)管架樁基礎(chǔ)之間的距離較小，樁靴下壓和上拔造成淺層土體形成的孔洞會(huì)影響樁基的豎向承載力。根據(jù)API規(guī)范，樁的極限承載力由樁側(cè)摩阻力和樁端總承載力兩部分組成：

式中：Qf為樁側(cè)摩阻力；

Qp為樁端總承載力；f為單位樁側(cè)摩阻力；As為樁側(cè)表面積，q為單位樁端承載力，Ap為樁端總面積。

粘土中f與q的計(jì)算如下：

式中：c為土體不排水抗剪強(qiáng)度

αá=，ψ=c/p0’，p0’為計(jì)算點(diǎn)的有效覆蓋土壓力。

砂土中粘土中f與q的計(jì)算如下：

式中：K為橫向地基壓力系數(shù)；

δ為土和樁壁間的摩擦角；Nq為支撐能力系數(shù)。

樁靴下壓時(shí)一部分土體被擠向兩側(cè)，一部分土體隨樁靴下沉，土體表面會(huì)形成一個(gè)沉陷區(qū)，據(jù)相關(guān)研究沉陷區(qū)最大直徑為樁靴直徑的2倍。

以我國(guó)南海淺水區(qū)域某工程為例，樁靴與樁基間距最小僅3.88 m，樁基礎(chǔ)位于沉陷區(qū)內(nèi)，因此在樁靴下壓，樁基周圍都會(huì)存在局部的土體流失，將導(dǎo)致樁基豎向承載力的下降。在運(yùn)用API規(guī)范計(jì)算樁基承載力時(shí)，將樁身周圍的土體考慮成與樁靴相同深度的上覆土層全部流失的極端情況，計(jì)算結(jié)果如表1所示：

表1 理論計(jì)算樁靴下壓對(duì)樁基承載力的影響

2 有限元分析方法

有限元分析是模擬結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要手段。采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行校核計(jì)算。將樁靴、導(dǎo)管架樁腿視為剛體結(jié)構(gòu)，賦予鋼材屬性。土體采用摩爾-庫倫模型，鋼管樁采用彈性模型，土體和大直徑鋼管樁均采用C3D8R單元進(jìn)行模擬，樁土之間切向?yàn)榱P接觸，法向?yàn)橛步佑|。為了考慮設(shè)計(jì)最不利情況，當(dāng)樁靴作用于某一位置時(shí)，將樁靴底面以上土體全部挖去，然后對(duì)樁頂參考點(diǎn)RP施加豎向位移荷載，提取樁頂反力得到荷載-位移曲線。

圖1 有限元模型三維視圖

由荷載-位移曲線可知樁靴下壓時(shí)樁的豎向極限承載力，并計(jì)算樁靴作用對(duì)豎向承載力的影響，匯總結(jié)果見表2。

表2 有限元分析樁靴下壓對(duì)樁基承載力的影響

3 模擬實(shí)驗(yàn)研究

在自升式鉆井平臺(tái)靠導(dǎo)管架插樁的過程中，影響導(dǎo)管架樁腿承載力的因素非常多，往往難以進(jìn)行正確合理的評(píng)價(jià)。所以，非常有必要進(jìn)行海底地層承載力模擬實(shí)驗(yàn)，將難以評(píng)估的破壞效果量化成可評(píng)估的參數(shù)，為自升式鉆井平臺(tái)在導(dǎo)管架旁邊就位提供實(shí)驗(yàn)支持。

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

自升式鉆井平臺(tái)插樁作業(yè)時(shí)，樁腿對(duì)周圍土體產(chǎn)生一定的擠壓，土體中的應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生一定的變化，模擬實(shí)驗(yàn)主要是測(cè)量插樁過程中土中應(yīng)力的變化，做出導(dǎo)管架樁腿周圍土的應(yīng)力變化曲線，根據(jù)土應(yīng)力變化曲線得出自升式鉆井平臺(tái)插樁時(shí)對(duì)導(dǎo)管架的影響。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)主要為測(cè)量樁腿插入過程中土中應(yīng)力和導(dǎo)管架平臺(tái)樁腿應(yīng)力的變化。如圖2實(shí)驗(yàn)方案所示，插樁時(shí)樁腿的邊緣與導(dǎo)管架平臺(tái)樁腿邊緣的距離為18 cm，土壓力傳感器埋設(shè)深度分別為10 cm，20 cm和30 cm。距插樁位置邊緣的距離分別為0.5倍、1倍、1.5倍和3倍樁徑（即9 cm、18 cm、27 cm和54 cm）。傳感器埋設(shè)完畢后，然后再選定的插樁位置插樁，插樁深度為35 cm，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖2 樁腿與傳感器的位置剖面圖

3.3 實(shí)驗(yàn)過程

按照實(shí)驗(yàn)方案，將各個(gè)傳感器按編號(hào)順序分別接到應(yīng)變儀上，并將各個(gè)傳感器的測(cè)量值歸零。在選定的實(shí)驗(yàn)區(qū)域挖出一個(gè)30 cm土坑，拍平，然后選出埋設(shè)傳感器的四個(gè)點(diǎn)，埋設(shè)傳感器，再埋10 cm的砂土，拍平重復(fù)上述動(dòng)作，直到所有的傳感器埋設(shè)完畢。

圖3 實(shí)驗(yàn)布置

靜置2 min，插樁，記錄數(shù)據(jù)。插樁示意圖如圖4所示。

圖4 插樁過程示意圖

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)作出隨插樁深度的增加實(shí)際土應(yīng)力和導(dǎo)管架平臺(tái)樁腿周圍土應(yīng)力的變化曲線。

圖5 傳感器埋深10 cm時(shí)土壓力值變化曲線

圖6 傳感器埋深20 cm時(shí)土壓力值變化曲線

由上述曲線可知，隨插樁深度的增加，實(shí)際土應(yīng)力值和導(dǎo)管架樁腿周圍土應(yīng)力值均增加后減小，且土應(yīng)力值在插樁深度為土壓力傳感器埋設(shè)深度的一半時(shí)土應(yīng)力值最大，且自升式鉆井平臺(tái)樁腿對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)樁腿周圍土應(yīng)力的影響要比對(duì)實(shí)際土體的土應(yīng)力值影響大。

4 結(jié)論

文章在理論研究、有限元分析的基礎(chǔ)上，得出了自升式鉆井平臺(tái)插樁對(duì)于臨近導(dǎo)管架樁腿承載力的影響。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套研究自升式平臺(tái)插樁對(duì)于導(dǎo)管架樁腿影響的模擬實(shí)驗(yàn)方案。該模擬實(shí)驗(yàn)通過控制傳感器的埋深以及距離范圍，可以了解到隨著插樁深度的增加樁腿的各個(gè)部分的應(yīng)力變化情況。通過模擬實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，隨插樁深度的增加，實(shí)際土應(yīng)力值和導(dǎo)管架樁腿周圍土應(yīng)力值均增加后減小，且兩種土應(yīng)力值均在插樁深度為土壓力傳感器埋設(shè)深度的一半時(shí)土應(yīng)力值最大。