自升式钻井平台插桩深度探析＊

陈建强,王建会,李明海,张 梁

(中石油海洋公司钻井事业部,天津 300280)

目前自升式钻井平台主要为桩靴式,桩端面积普遍很大,这已远远超出了桩基础的一般范畴,在应用Terzaghi和Peck公式进行插桩深度预测时所得的结果与实际插桩深度有较大出入。本文通过考虑桩靴尺寸,分析插桩过程中桩靴对地层物理力学性质的影响,结合海调资料和平台实际的插桩深度,运用最小二乘法求得桩靴对地层承载力的影响系数,从而对Terzaghi和Peck公式进行修正,提高插桩深度预测的准确性。

1 插桩深度计算

自升式钻井平台以桩腿支撑平台上部结构,提供轴向和横向抗力。平台的插桩深度与地层的极限承载力直接相关,土质条件(土的物理、力学性质)和桩靴的尺寸、形状和埋深是影响地层承载力的主要因素。自升式平台采用静力压载的方式(即平台自重和压载水重力)将桩腿插入海底面以下的土中,当施加的基础载荷等于或者大于地层的极限承载力时桩靴的贯入就会发生,直到土的极限承载力等于或者大于桩靴对土所施加的压力为止。对于单桩极限承载力的计算常采用Terzaghi和Peck公式：

式中,qn为桩脚的单位面积极限承载力;r1为由桩脚排出土的平均有效重度;A为桩脚的最大平面积;V为桩脚的体积。

对于排水粒状土：

结合工程地质钻孔及常规资料中提供的物理参数,运用Terzaghi和Peck公式对插桩深度进行预测,所得到的预测插桩深度往往比平台实际的插桩深度大,分析原因有以下几点：

1)由于砂土的原状取样技术的局限性,砂土在取样、保存及运输过程中不可避免地要受到扰动,而且取样过程本身就是一个卸荷过程,土体的原始性状必然受到影响[1]。因此,土工实验测得的砂土内摩擦角相比其真实内摩擦角应偏低。标贯试验虽然在现场进行,试验时砂体上覆压力骤减,标贯试验过程中砂土发生振动液化等,导致测试结果所反映的土体强度低于其实际强度。

2)根据大直径桩靴下砂层与原始地层的物理力学性质的对比发现,桩靴下地层的内摩擦角、压缩模量等参数有不同程度的提高[2]。在静压插桩过程中,随着荷载的逐渐增加,桩靴下砂层在桩荷载作用下排水固结,土的有效应力提高,从而提高了桩靴下地层的承载力。

本文主要考虑第二个因素,进而对Terzaghi和Peck公式进行修正,下面就插桩过程中桩靴对地层物理力学性质的影响进行分析。

2 自升式平台插桩及压载分析

海上钻井平台插桩为静力沉桩,即通过平台自重及所加配重将桩腿压入海底底土预定深度。

三腿独立桩靴自升式平台：一般压载量(含拖航时携带的油水等可变载荷)要大于钻井过程最大可变载荷量的1.5倍。正常操作程序一般又分为下面三个过程：第一步,初压：平台升离水面一定距离利用自身重量进行初步压载(均匀压);第二步,轮番压：1个桩腿1个桩腿地进行轮番压载,循环渐进,压载水量按照操船手册规定约为平台重量的1/3(注：作业状态各桩承受力不一样,设计压载量也不一样)。第三步,整体压：为确保压载充分和提高可信度,再将全部压载舱打满水,观察一定时间(企业安全规定24～36 h)无变化后方可排水升平台作业。若大风面临到来,应急情况下也可从第一步直接跨入第二步,简化程序,节省时间。

当桩腿在静压力作用下贯入土层中时,造成桩周土颗粒受到剧烈挤压,使桩周土体产生变化,原状土的初始应力状态受到破坏。首先是桩端土发生冲剪破坏,孔隙水在此冲剪挤压作用下会形成不均匀水头,产生超孔隙水压力,扰动了土体结构,这种破坏和扰动将随着桩的贯入不断地向下传递,使桩周一定范围内的土体形成塑性区,从而很容易使桩身继续贯入。在实际中,插桩过程是对桩腿进行轮番压载,就单个桩腿而言是一个缓慢且不连续的过程,随着载荷的逐渐增加和压载过程的间断,桩端土因冲剪破坏产生的超孔隙水压力能够较快的消散,桩靴下砂层在桩荷载作用下排水固结,土的抗剪强度及有效应力逐步恢复和提高,地层的内摩擦角、压缩模量等参数都会有不同程度的提高,桩靴下的地层将会体现出较高的承载能力。因此在计算插桩深度时,应考虑桩靴对地层承载力的影响,对于这种影响,下面引入桩靴影响系数。

3 桩靴影响系数

经统计可以发现,桩靴式自升式平台的桩端面积普遍很大,(如中油海5、6、7桩靴面积为70.12 m2,中油海9、10为158.54m2)。笔者认为桩靴面积越大,在插桩过程中对原始地层物理力学性质的影响越大,压实作用越明显,地层承载能力提高越多,而随地层深度的增加,桩靴对地层的压实作用将逐步减小。这些影响都可在地层内摩擦角上体现,下面用公式表示如下：

式中,φ′为地层受桩靴压实作用后的内摩擦角;φ为地层原始内摩擦角;B为桩靴当量直径;D为桩脚入泥深度;k为桩靴影响系数(无量纲)。

通过对已有海调资料的分析,结合平台的实际插桩深度(表1),运用最小二乘法对数据进行拟合,进而得到桩靴影响系数k。中油海5、6、7平台基本参数：桩靴面积70.12 m2,正八边形;单桩压载负荷为3 354.67 t。

表1 平台实际插桩数据(南堡油田海域)Table 1 The actual penetration depths of the platform footing tip(Nanpu Oilfield A rea)

通过M atlab软件进行最小二乘拟合,得到桩靴影响系数k=0.153 4,地层单桩极限载荷的残差分别为917.8,-2010,1 661.4 kN。下面用中油海5平台在南堡1-80井(井位土层强度设计参数见表2)的插桩数据进行验算。

表2 南堡1-80井位土层强度设计参数Table 2 The design parameters for soil strength at the Nanpu 1-80 w ell

考虑桩靴对地层承载力的影响,在计算插桩深度时引入桩靴影响系数,当计算桩靴入泥深度D=10.78m时,达到地层单桩极限载荷,且满足插桩安全性要求,此时桩脚处地层内摩擦角为φ′=20.6°(地层原始内摩擦角φ=18°)。中油海5平台在此地三桩腿的实际插桩深度分别为9.5,9.5,10.4m,与预测插桩深度基本一致。

4 结 论

本文分析了插桩过程中土体的压实作用对地层承载力的影响,提出了计算插桩深度时考虑桩靴对地层承载力影响的计算方法,并通过已有的海调资料和平台实际插桩深度得到了桩靴尺寸对地层承载力的影响系数,从而对Terzaghi和Peck公式进行修正,通过验算所得的计算结果更加接近于实际插桩深度,因此在实际应用中具有一定的指导意义。但在不同区块的地层具有不同特点,桩靴影响系数也不相同,因此在实际应用中应结合该区块的平台插桩历史资料,找到合适的桩靴影响系数,才能对插桩深度进行更好的预测。

[1] 刘剑涛,吴文峰,蒋宝凡.自升式钻井船插桩深度预测[J].中国造船,2007,48(增刊)：317-322.

[2] 陶常飞,吴建政,亓发庆,等.曹妃甸浅滩表层砂体插桩深度研究[J].海岸工程,2008,27(4)：54-59.