自升式鉆井船插樁對導管架平臺的影響分析

邢 杰，蔡 鵬，姜海瑞，朱泳吉

（1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057；2.中海油能源發展股份有限公司湛江安全環保分公司，廣東 湛江 524057）

0 引言

自升式鉆井船因其移動便利性，廣泛應用與海洋油氣勘探開發中。隨著我國海洋油氣開發場址水深的增加，進行鉆井或修井作業時，其就位插樁對導管架平臺樁基的影響問題日趨明顯。美國輪機與造船工程師學會（SNAME）關于鉆井船插樁的規范和國際標準化組織（ISO）在相關規范規定[1-2]，當鉆井船樁靴與鄰近平臺樁之間間距小于1 倍樁靴直徑時，就需要評價鉆井船插樁對鄰近平臺樁安全性的影響。目前，對于樁靴的貫入過程涉及巖土工程土體大變形問題，RITSS 法、CEL 法、ALE 法等大變形有限元技術是解決該問題的主要數值手段。國外Hossain等[3]基于RITSS 方法成功預測樁靴在單層或成層土中的插樁阻力及“穿刺”問題。Tho 等[4]在LS-DYNA中采用CEL 方法分析樁靴-鄰近樁間的相互作用。Li等[5-6]借助ALE 方法先計算樁靴插樁引起的土體位移，然后借助桿系-土彈簧模型得到了鄰近樁的水平位移。通過CEL 法模擬分析，結合南海某鉆井船插樁實例，研究鉆井船插樁過程中對導管架平臺樁基影響。

1 研究方法

1.1 耦合的歐拉-拉格朗日（CEL）有限元方法

鉆井船插樁過程會引起土壤大變形，若運用常規的有限元算法，在計算過程中有限元離散網格會發生嚴重畸變，導致計算中斷，無法模擬整個連續過程累積的擠土效應對鄰近樁基的影響。耦合的歐拉-拉格朗日（CEL）有限元方法是ABAQUS 中分析流固耦合的關鍵技術，其結合拉格朗日網格與歐拉網格的優點。

1.2 條件參數

以南海某鉆井船插樁為例，建立鉆井船樁靴和海洋平臺鋼樁主要結構模型，樁基的直徑為2.438 m，樁靴直徑為23 m，平臺A1 的三根樁A1-1，A1-2，A1-3 樁中心距樁靴1 中心的距離分別為24.949 m，18.792 m，18.261 m；樁基鋼材采用DH36，樁長138 m。

1.3 數值模型

采用CEL 有限元計算方法進行模擬仿真計算，建立樁腿主要結構模型。導管架平臺泥面以下3 根樁腿直徑均為96 寸（2.438 m），樁長取138 m，入泥深度均為117.5 m。土體模型尺寸為138 m（長）× 138 m（寬）× 150 m（高），將泥面至泥面以下45 m 的土體設為歐拉體，采用六面體歐拉實體單元進行網格劃分。剩余的土體設為拉格朗日體，采用六面體拉格朗日實體進行網格劃分。土的應力應變關系取為理想彈塑性。對于砂土層，彈性模量取20 MPa，泊松比取0.3，粘聚力c取1 kPa。對于粘土層，彈性模量E取150su，泊松比取0.495。根據樁靴和鋼樁的屬性，樁靴和鋼管樁的彈性模量E取210 GPa，密度取7850 kg/m3，泊松比取0.25。

1.4 邊界條件

將歐拉土體及空穴3 個方向邊界節點的水平速度設置為0，并且設置為歐拉吸收邊界，以防止歐拉土體穿越計算模型的邊界，消除由于計算模型尺寸選取可能導致的邊界效應。將拉格朗日土體區域側面和底面的位移設置為0。對樁的頂部進行位移約束，僅允許樁發生豎向位移。計算時，采用位移控制方式設定樁靴貫入土層的速率，速度設置為0.5 m/s，樁靴的貫入深度為12 m。

2 結果分析

2.1 樁靴貫入引起的土體響應

歐拉土體的變形通過歐拉體積分數（EVF）進行觀察。鉆井船插樁引起的樁靴周圍土體的隆起和土體的回淤都可通過EVF 進行顯示。樁靴貫入過程中，不斷擠壓兩側的土體向外隆起，樁靴上部形成空穴，貫入深度為12 m 時，受群樁的影響，靠近樁側土體的回淤現象比遠離樁側明顯。圖1 為插樁過程中土體速度矢量圖，可以看出樁靴下部土體主要由底部向外側運動。在樁坑頂部，靠近樁一側的泥面處土體因受樁基的影響，向靠近樁靴一側運動程度明顯大于遠離樁基的一側。而在樁靴底部，則因受樁基影響，使樁靴的水平方向位移受限。這種運動趨勢有可能導致鉆井船向遠離平臺的方向傾斜。

圖1 樁A1-1＆2 周圍歐拉土位移矢量圖

圖2 為樁靴貫入不同深度（4 m，8 m，12 m）后，樁A1-1、A1-2 周圍土體內等效塑性應變分布，由圖可見，由于樁基的存在，隨著樁靴逐步貫入，樁靴兩側的塑性區由對稱分布變成了不對稱分布，說明樁基會影響土體塑性區的分布，而樁體周圍塑性的土體將對樁基的承載力產生影響。

圖2 樁A1-1＆2 周圍歐拉土位移矢量圖

2.2 樁靴貫入造成的樁響應

圖3 為樁靴貫入不同深度，樁基應力分布圖，由圖可知，隨著樁靴貫入深度增大，樁的應力逐漸增大，且最大應力位置向下移動。與樁A1-1，A1-2 相比，樁A1-3 的應力較大。

圖3 樁基應力分布圖

2.3 樁身強度校核

根據中國船級社規范，鋼管樁壁厚需滿足以下兩個條件：（1）最小厚度t應滿足：t> 6.35 +D/100，經驗算，樁身壁厚都滿足最小厚度t的要求。（2）樁身工作應力應小于許用應力，即：

樁基鋼材為DH36，屈服強度355 MPa，許用應力[σ] = 0.6σs= 213 MPa = 213 N/mm2。式中：t為樁基壁厚，mm；D為圓管外徑，mm；N為計算截面的軸向力，N；A為圓管的截面面積，mm2；Mx、My為計算截面分別繞x軸和y軸的彎矩，N·mm；W為圓管截面的剖面模數，mm3。根據計算結果，可以得到，A1 樁位最危險的樁基都是最靠近樁靴的位置，即樁A1-3。而通過對樁靴貫入分別為4 m，8 m，12 m 時的樁身數據進行對比，結果表明，當樁靴安裝就位，即樁靴貫入達到12 m 時，樁身應力最大。通過對樁靴貫入12 m 的應力比值和彎矩分布可知，樁身的工作應力與許用應力的比值在樁靴最終深度（約泥面以下12 m）處達到最大，此后逐漸減小，在泥面下40 m 左右達到初始水平，此后再次出現增大，至60 m 左右恢復初始狀態。這種現象是由40 m 處出現反彎點，而40 m 以下樁基壁厚減小所導致的。樁靴貫入對土體存在一定的影響范圍，樁周土體最大水平位移存在于樁靴最大截面斜下方近似40°處，可得到土體的最大水平位移出現在37 m 附近。

2.4 對樁基豎向承載力的影響

在樁靴插樁過程中，對樁基周圍土體以及樁基本身都將產生一定的影響。從A1-3 樁基在樁靴插樁前后樁基軸力和軸向位移分布可知，樁靴貫入對樁身軸向力的影響有限，軸向位移增加了約3 cm。插樁結束后，樁基周圍和樁靴下部土體出現明顯的塑性區，樁身塑性區從泥面處沿樁身展開，樁靴底部塑性區由兩側底邊緣展開并貫通。樁身周土塑性區最大開展深度Zmax= 12.72 m（泥面處Z= 0），樁靴底部塑性區最大開展深度Zmax= 15.14 m。泥面以下11.9 m 樁周出現最大塑性應變。綜合考慮樁基樁身軸力變化，樁基豎向位移以及塑性區展開的情況，可得出樁靴插樁對樁基豎向承載力影響較小。

2.5 對樁基水平向承載力的影響

在樁靴插樁完成后，采用設計極限荷載，計算樁基的水平向位移，從而實現模擬分析樁基的水平向承載力。計算結果如圖4 所示，其中Pene 代表樁靴插樁結束時的樁身位移，load2 代表施加了極限荷載后的位移。從計算結果可以看到，在樁靴插樁完成后，如果在遭遇極限條件，樁基的水平向和豎直向位移增量均在3 cm 以內。

3 結論

（1）在樁靴插樁過程中，樁靴與樁基會發生相互的影響。樁靴上部靠近樁基一側的泥面處的土體回淤明顯，而樁靴底部則水平向位移受限。樁靴周圍土體的運動趨勢有可能導致鉆井船向遠離平臺的方向傾斜。

（2）樁靴貫入對距離樁靴最近的樁基影響最大，隨著鉆井船樁靴貫入深度增大，樁基應力逐漸增大，樁基最大應力位置逐漸下移。樁身最大應力比出現在40 m 附近。樁周土體最大水平位移存在于樁靴最大截面斜下方近似40°處。

（3）綜合考慮樁基樁身軸力變化、樁基豎向位移以及塑性區展開的情況，可得出樁靴插樁對樁基豎向承載力影響較小。