自升式平台桩基稳定性分析与结构优化

初新杰

（1.中国海洋大学，山东 青岛 266003；2.胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东 东营 257017）

自升式平台桩基稳定性分析与结构优化

初新杰1,2

（1.中国海洋大学，山东 青岛 266003；2.胜利石油管理局钻井工艺研究院，山东 东营 257017）

进行了自升式平台桩基的稳定性分析和结构优化分析，初步探讨了层状地基承载能力分析方法，建立了平台整体、桩和桩靴等的数值计算模型，通过分析优化了桩基结构，降低了桩与桩靴连接处的应力集中，对自升式平台桩基结构设计和平台作业的稳定性分析具有参考价值。

自升式平台；桩基；层状地基；稳定性；结构优化

自升式平台在就位时，将桩基插入地基土，提供平台作业支撑力；在完成作业后，将桩基从地基中拔出，平台移位[1]。在软硬交互层状地层中，需要根据拟作业海区研究选择承力层，优化桩基的结构和插拔桩工艺，使得平台桩基能够“插得下、稳得住、拔得出”[2]。尤其在上部是较薄的硬土层、下部为较弱的粘性土层中，当桩基下插到上覆硬土层中承力时，平台暂时可能是稳定的，然而由于下卧软弱层的影响，桩基可能会突然穿透上覆硬土层进入下卧软地层，形成刺穿，轻者会导致平台急速的过度倾斜，造成平台、钻探设备的损坏和人员的伤亡，重者使整座平台倾覆[3]。

平台插桩时需要克服桩端阻力和侧摩阻力。平台拔桩时需要克服桩自重、覆土重、侧摩阻力和吸附力等阻力。平台站立支撑时，受到风、浪、流等环境载荷以及钻井作业载荷的作用，需要提供垂向力、水平力，保证平台的稳定。桩与桩靴的连接处相当于人的“脚脖子”，是应力集中的区域，是桩基结构的薄弱环节，必须保证该连接处是安全可靠的。因此，开展了桩基的稳定性及结构优化研究。

1 自升式平台桩基稳定性分析

自升式平台插入地基中的桩基础，提供平台的作业支撑力，只有地基具有足够的承载能力，平台桩基础才是稳定的。因此，需要深入分析各种情况下的地基承载能力。

1.1 地基承载力计算方法

在海中作业条件下，自升式平台与自升式航船基本状态一样，可按照自升式航船的工作特点，确定自升式平台的限制状态条件。所谓自升式平台地基失效，是指土的变形过大，可能造成结构或重要装备的损坏。平衡限制是常用的解决地基稳定性的方法，使用平衡限制方法，必须分析几个失效表面，并找出最关键的失效。

有效应力分析法，失效可由剪切特征定义：

式中，

σ为剪切面上的法向应力；

φ'为内摩擦角；

γm为材料系数。使用有效应力分析法，要考虑循环载荷产生的孔隙压力。

在支撑作业稳性分析中，基础的面积需使用有效面积，有效面积是考虑所有作用在基础上的水平力和垂直力的最终合力，每个力乘以一个相对载荷系数γf。合力在基础上的作用点称为载荷中心。

1.2 层状地基承载能力分析

海底土通常为层状结构，这种层状地基土的承载能力计算和分析比单一土层要复杂许多，承载能力分析，要考虑到持力层范围内所有土层的性状。遇到上硬下软的海底层状地基时，仅仅考虑上部硬壳层的承载能力是不够的，地基的承载能力往往取决于下部软土层，并与硬土层的厚度及上、下层的相对强度有关。如果承载力不够，可能发生桩靴穿透上部硬层，突然下陷。如果软土层较厚，桩靴快速下降深度较大，就会造成自升式平台严重倾斜，发生桩腿或升降装置严重损坏的危险事故。需要研究自升式平台船桩靴坐落在层状地基上承载能力计算方法及穿透可能性分析方法。

大多数的层状地基，可简化为双层地基，或者硬土层覆盖软土层，或者软士层覆盖硬土层。

（1）双层黏土时。双层黏土时，使用Brown和Meyerhof's方法。这两种方法适用于上软下硬和上硬下软两种情况，桩靴都处于双层地基的上层土中。这种状态下地基的承载能力不能仅考虑上层土的性状，还要考虑下层土的性状对承载能力的影响。

具体计算公式为

式中，

Nmc为承载能力系数，与Sub/Sut和H/B有关；Sut为上层土的剪切强度；

Sub为下层土的剪切强度，考虑到土的强度与深度的关系，通常Sub位于桩靴最宽处以下1/2～2/3处；H为上层土的厚度；B为桩靴的宽度。

上软下硬的地基，承载能力高于单一土层为上层土的承载能力。上硬下软的地基，承载能力低于单一土层为上层土的承载能力。

（2）一层为黏土一层为非黏性土时。如果双层土或多层土中的其中一层为粒状土时，可以用等效的方法，将粒状土换算出当量结性土剪切强度，再用Brown和MeyerhofS公式计算承载力。具体换算公式为

式中，

γ'为粒状土的有效容重；

Nr为粒状土的承载能力系数；

Nc为等效黏土层的承载能力系数。

通过计算获得的Su是非黏性土的等效黏土层的剪切强度。

（3）上软下硬，桩靴一部分落在硬层上时。当上层土的承载能力较小，不足以承载桩靴，使桩靴一部分落在硬层上，一部分处于软土层中时，可分别计算上层土部分和下层土部分的承载能力。

1.3 硬壳层情况下地基承载能力分析

海底土时常遇到这样一种层状地基情况，上层土的强度大而厚度小，下层土强度小而厚度大，有时软土层的承载能力比上层土小得多，这种海底地基通常称为“硬壳层”。在胜利埕岛油田等海域会遇到这种“硬壳层”的海底，“硬壳层”下有很厚一层软弱的淤泥质士层。在这种地基条件下，仅仅满足上层土的强度要求是不够的，必须详细校核软土层的承载能力。

强度较低的软土层，称为软弱下卧层，软弱下卧层对地基承载力有重要的影响，往往对地基承载力起着决定性作用。

参考《建筑地基基础设计规范》的推荐做法，将基底的压力扩散到软弱下卧层的顶面，然后校核在软弱下卧层的顶面处的应力是否小于软弱下卧层的承载力。该方法的适用条件是：上层土与软弱下卧层的压缩模量比值大于或等于3。

当地基受力范围内有软弱下卧层时，应按下式计算

式中，

σz为软弱下卧层的顶面处的附加应力设计值（kPa）；

σcz为软弱下卧层的顶面处土的自重应力标准值（kPa）；

fz为软弱下卧层的顶面处经深度修正后的地基承载力设计值（kPa）。

如果计算验算满足上述条件，则承载能力满足要求，此处海底地基可以作业。如果不满足上述条件，则该处海底不适合作业。如果在桩靴设计阶段计算时，不满足上述条件，可采用扩大桩靴底面积降低基底压力的方法。

2 桩基结构优化分析

2.1 自升式桩基平台整体分析

建立了平台整体模型，桩腿用梁单元模型，平台用实体单元模型。桩腿底部全约束，在平台表面施加面载荷，在平台侧面施加风载荷。

梁单元为直径3.2m，壁厚45mm；

面载荷为34197100N；

风载荷为100 Pa（均布载荷）。

自升式桩基平台FEA模型见图1。

通过分析平台整体，了解了平台在不同工况下的变形和各桩腿支反力。桩腿轴向应力分布情况见图2，平台整体变形位移情况见图3，桩腿支反力合力情况见图4。

平台垂直高度方向的最大变形位移约为18mm；整体变形位移约为18mm；平台最大Von Mises应力值约为29 MPa，桩腿的轴向应力值最大约为114 MPa。桩腿支反力合力最大值为5.1×107N。

图1 自升式桩基平台FEA模型

图2 桩腿轴向应力

图3 平台整体变形位移

图4 桩腿支反力合力

2.2 桩与桩靴连接处结构优化分析

由于桩腿和桩靴属于对称结构，因此建立桩腿和桩靴的1/4模型。在不影响分析结果的同时，对内部结构进行了一些简化，压缩模型的规模。采用板和实体单元进行模拟。桩靴底部全约束，对称面采用对称约束。由于只是选取桩腿的很短的一部分，因此假设桩腿只能有垂直方向的自由度。在桩腿上部施加载荷为3500000 N的重量（取全部载荷的1/4）。在桩腿和桩靴之间有一个厚为45mm的钢板用于焊接使用。模型全部的单元数量25813个。桩腿和桩靴FEA模型见图5。

通过桩与桩靴连接处结构的分析，了解了桩腿和桩靴在预压情况下的变形和应力分布情况，从而进一步调整了桩靴与桩腿的连接型式，降低了应力集中，优化了桩基结构。内部结构应力情况见图6，变形位移情况见图7，Von Mises应力情况见图8。变形位移最大值约为0.13mm，Von Mises应力最大值为约为68MPa，最大应力处在桩腿和桩靴连接处。

图5 桩腿和桩靴FEA模型

图6 内部结构应力云图

图7 变形位移图

图8 Von Mises应力图

2.3 桩靴应力/变形分析

由于桩靴为对称结构，为了缩减模型规模，因此取模型的1/8部分进行分析。在3个垂直面上除垂直自由度外，约束其他自由度。桩靴采用同一种钢材材料。土壤模型材料D-P模型。在CAD中建立桩靴和土壤的几何结构，导入到ALGOR中。桩靴与土的网格模型见图9。

考虑桩靴在工作的时候承受一定的压力，在压力情况下，桩靴周围的土壤会发生位移，需要分析桩靴在受力情况下，桩靴和桩靴周围土壤的变形。

土壤底部全约束。3个垂直面除垂直自由度外，约束其他自由度。桩腿部分除垂直自由度外，约束其他自由度。在土壤和桩靴结构设置接触关系。由于模型只是1/8，所以承受的载荷也为全部载荷的1/8。桩腿处施加1739300 N力。考虑重力因素。

通过数值模拟，分析了桩靴应力及变形情况。桩靴与土的FEA模型见图10，模型整体位移情况见图11，模型整体应力情况见图12，桩靴应力情况见图13，桩靴内部应力情况见图14，中心位置土壤位移情况见图15。

图9 桩靴与土的网格模型

图10 桩靴与土的FEA模型

图11 模型整体位移图

图12 模型整体应力图

图13 桩靴应力图

图14 桩靴内部应力图

图15 中心位置土壤位移图

分析得到：变形位移最大值约为0.13mm，Von Mises应力最大值为约为68MPa；最大应力处在桩腿和桩靴连接处，应力最大值为56.2MPa；垂直最大位移为55.7mm。

3 结束语

通过开展自升式平台桩基稳定性分析和桩基结构优化分析，探讨了层状地基承载能力分析方法；建立了平台整体、桩和桩靴等的数值计算模型，优化分析了桩与桩靴处的连接结构，降低了应力集中。

本研究对自升式平台桩基结构设计和平台作业的稳定性分析，具有重要的参考价值。研究建立的桩基，位于交互土层的承载力计算模式，将为平台设计、就位作业提供依据，保证平台、设备及人员的安全。同时，该成果将增加平台的适应性，扩大平台的海上作业范围，并保持胜利油田在自升式平台技术的领先水平，市场前景广阔。

[1]汪张棠，赵建亭.我国自升式钻井平台的发展与前景[J].中国海洋平台，2008，23(4)：8-13.

[2]黄悦华，任克忍.我国海洋石油钻井平台现状与技术发展分析[J].石油机械，2007，35(9)：157-160.

[3]徐松森.自升式平台上下分体探讨[J].船海工程，2008，37(1)：88-90.

Stability Analysis and Structure Optimization on Pile Foundations of Jack-up Platforms

CHU Xin-jie1,2
（1.Ocean University of China,Qingdao Shandong 266003,China；2.Drilling Technology Research Institute,Shengli Petrole um Administrative Bureau,Dongying Shandong 257017,China）

Stability analysis and structure optimization on jack-up platforms with pile foundations are finished.A analysis method of bearing capacity in layered soil is discussed.The numerical model is established and the pile-foundation structure is optimized.Stress concentration of connecting areas between piles and pile boots is reduced.The study has reference value for structure designs and stability analysis of jack-up platforms.

jack-up platforms；pile foundations；layered soil；stability；structure optimization

P751

A

1672-545X（2011）09-0006-05

2011-06-23

国家“863”资助项目—海底管线检测与水下结构物修复关键技术（2011AA0903）

初新杰（1968—），男，山东东营人，高级工程师，在读博士，主要从事海洋工程设计和试验研究。

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