自升式海洋平台地基强度稳定性分析

李红涛,李 晔

(中国船级社海工审图中心,天津 300457)

自升式海洋平台地基强度稳定性分析

李红涛,李 晔

(中国船级社海工审图中心,天津 300457)

自升式海洋平台地基强度稳定性是保证作业安全的基本条件。结合土力学理论及有限元分析,提出一套较完整的地基强度稳定性分析方法,并结合一个实际算例,探讨影响地基强度稳定性的几个关键因素,对平台设计人员及使用者具有一定的参考价值。

自升式平台;地基强度稳定性;土力学;有限元

Abstract:Foundation stability is important for jack-up safe operation.Based on soil mechanics and finite element analysis,the method of foundation stability assessment is suggested.Asan example,the foundation stability for a jack-up with truss legs isanalyzed and a few important factors influencing foundation stability are discussed.This papermay be useful for designers and operators.

Key words:jack-up;foundation stability;soilmechanics;finite element

自升式海洋移动式平台是海洋石油开发中被广泛应用的一种平台。平台就位前需要对地基进行稳定性分析,保证平台作业安全。在海洋油气开发史上,由于对海洋工程地质调查和研究不够,对地基强度稳定性分析不足,造成平台桩腿突然刺穿或滑移的情况时有发生[1],因此自升式海洋平台进入井位作业前,必须做海底调查和地基强度稳定性分析。然而自升式移动平台由于作业要求经常移位,海床土壤条件经常变化,且海底土质复杂难料,地基强度稳定性分析变得繁琐、困难,各国船级社对其分析方法也没有明确规定。参考国内外学者最新研究成果[2-4],试图建立起较完整的地基强度稳定性分析方法,希望对平台设计者、使用者提供帮助。

1 地基强度稳定性分析

1.1 预压载分析

自升式海洋平台就位之后,需进行预压载。预压是通过压载水施加重量载荷,使平台桩靴的对地压力达到操作手册规定值[5]。预压是保证自升式平台地基强度稳定性的重要措施,是保证作业安全的基本条件。预压载分析是确保下风向桩脚处的地基强度稳定性,可按如下公式确定:

式中:φS为许用系数,可取为0.9;VL0为单桩预压载量,可根据平台的操作手册得到;QV为平台站立状态下的下风向桩脚压力,可由以下公式计算:

式中:VD为船体重量引起的桩脚压力;VL为最大可变载荷引起的桩脚压力;VE为风、浪、流及P-Delta效应引起的桩脚压力;VDn为波浪惯性力引起的桩脚压力;系数1.15是考虑环境因素的不确定性给出的放大系数。

通过式(1)、(2)可以确定平台的预压载量,必须使预压载量大于或等于QV/φS。

1.2 土壤承载力分析—基础铰支

土壤承载力分析是指地基能够抵抗平台桩脚在横向、垂向载荷作用下的下沉、滑移能力。本节提供的方法适用于平台模型边界条件为铰支的情况。

1.2.1 下风向桩脚处的土壤承载力

处于下风向桩脚处的地基应满足如下公式:

式中:φS为许用系数,可取为0.9;QVH为下风向桩脚的横向、垂向压力,可按如下公式计算:

式中:VHD为船体重量引起的横向、垂向桩脚压力;VHL为最大可变载荷引起的桩脚横向、垂向压力;VHE为风、浪、流及P-Delta效应引起的桩脚横向、垂向压力;VHDn为波浪惯性力引起的桩脚横向、垂向压力。

式(3)中的FVH为海底地基的横向、垂向承载能力,可按如下公式计算[6]:

式中:A为桩靴底面与土壤接触投影面积;γ′为土壤密度;B为桩靴直径;Nγ、Nq为承载力系数;Sγ、Sq、Sc为承载力形状系数;dγ、dq、dc为承载力深度系数;cu为土的不排水抗剪强度;为填土压力,当没有土壤回填时,为0;m为桩靴支撑形状系数,圆形一般取为1.5。

横向承载能力可按如下公式计算[6]:

式中:kp为被动土压系数;ka为主动土压系数;h1为桩靴最大面积处入泥深度,如桩靴没有完全入泥,取为0;h2为桩靴尖端入泥深度;As为入泥桩靴侧向投影面积;cu0、cu1分别为桩靴最大面积处、桩靴尖端处的不排水抗剪强度。

由式(5)和(6)可得到地基垂向-横向承载能力曲线,即FVH-FH曲线,再乘以 φS后可得到容许承载能力曲线。当求得下风向桩脚处的垂向、横向力后,与FVH-FH曲线比较,当位于曲线包络范围内,则认为地基强度稳定性是可靠、安全的。

1.2.2 迎风向桩脚处的土壤承载力

迎风向桩脚处的土壤承载力应满足抗滑移要求,即

式中:φS为许用系数,当砂土时取0.8,当粘土时取0.64;QH、QV即为按式(4)求得的迎风向桩脚处横向、垂向压力;FH为地基横向承载能力,即

式中:δ为土壤摩擦角;cu0、cu1分别为桩靴最大面积处、桩靴尖端处的不排水抗剪强度。

1.3 土壤承载力分析—弹性支撑

当平台计算模型考虑桩脚与土壤的相互作用时,边界条件应定义为弹性支撑。本节提供的方法适用于平台模型边界条件为弹性支撑的情况。

采用弹性支撑时,需考虑3个方向的刚度系数,即垂向刚度系数K1,水平刚度系数K2,旋转刚度系数K3。其中旋转刚度系数K3需迭代才能计算完成。

三个初始计算刚度系数可由下式计算得到:

计算得到桩脚三个方向的压力,即横向力QH、垂向力QV和旋转力矩QM后,应代入屈服极限函数中进行分析,此函数可表示[6]:

式中:砂土时,HL0=0.12VL0,ML0=0.075VL0B;粘土时,HL0=cu0A+(cu0+cu1)As,ML0=0.1VL0B。

对于给定桩脚压力(QV,QH,QM),代入上述屈服极限函数FY,如果小于零,则桩脚压力(QV,QH,QM)落于屈服界限之外;反之,位于界限之内。当给定桩脚垂向力和横向力,由上述式(10)可得到桩靴的可容许最大转矩,即:

考虑桩脚与土壤相互作用的迭代计算过程:

1)采用式(9)所计算得到的初始弹性刚度作为边界条件,分析平台模型在重力、环境力及惯性力作用下的响应;

2)由步骤1)计算得到的(QV,QH,QM)代入屈服极限函数式(10),如果FY值小于零,则减小旋转刚度K3,重复对模型进行计算;

3)重复步骤2)的计算,直到平台每个桩靴的(QV,QH,QM)落于屈服界限上,如果QM减小到零,FY值仍小于零,则此承载力校核失败;

4)如果步骤1)中首次计算得到的(QV,QH,QM)落于屈服界限之内,则旋转刚度K3进一步修正,K3=

5)最终得到的桩脚压力需满足:①屈服极限函数值FY大于或等于零;②QV,QH应满足式(3);③抗滑力应满足式(7);④校核范围是平台的全部桩脚。

1.4 地基强度稳定性分析流程

综合上述1.1、1.2及1.3节内容,自升式移动平台的地基强度稳定性分析流程如图1所示。

2 算例

以某一带桩靴的桁架式三桩腿自升式移动平台为例,分析其作业区域的地基强度稳定性。平台结构有限元计算模型如图2所示。通过此模型可计算桩脚压力,基础铰支或弹性支撑通过模型边界条件进行设定。

此平台的主要参数及作业环境条件如表1所示。土壤参数如表2所示。

2.1 预压载分析结果

选取120°环境载荷方向的下风向桩脚的压力进行分析,此环境载荷方向是引起最大桩脚压力的方向。各部分载荷引起的桩脚压力如表3所示。

由表3可知,QV>φSVLo,需对此桩脚处土壤稳定性按1.2.1节进行校核。

2.2 土壤承载力分析结果—基础铰支

由表3结果可知,QVH=[56.635MN,6.578MN],为校核地基强度稳定性,需按式(5)和(6)计算土壤的承载能力。

2.2.1 砂土

假定此移动平台作业海床为砂土,计算得到相应变量数值如表4所示。

表1 作业条件Tab.1 Operation condition

表2 土壤参数Tab.2 Soil characteristics

图1 地基强度稳定性分析流程Fig.1 Flow chartof foundation stability assessment

表3 下风向桩脚压力Tab.3 Reaction value for leeward leg

表4 砂土承载能力 FVH-FHTab.4 Bearing capacity FVH-FHfor sand

图3为砂土地基垂向-横向承载力示意图。内侧的曲线是乘以系数0.9之后的容许承载力曲线图。很明显,QVH=[56.635MN,6.578MN],在容许承载力曲线包络范围内,因此,地基满足1.2.1节稳定性要求。

图2 有限元模型Fig.2 FEmodel

图3 砂土承载能力包络Fig.3 Bearing capacity envelope for sand

2.2.2 粘土

当FVH=QV/0.9=56.635/0.9=62.93 MN,FH没有解,也就是说,QVH在容许承载力曲线包络范围外,即当地基土质为粘土时,承载力不满足1.2.1节要求。

2.3 抗滑移分析结果

按1.2.2节要求,需对迎风桩脚处的土壤进行抗滑移分析。右舷尾部桩脚的压力如下表5所示。

表5 迎风向桩脚压力Tab.5 Reaction value for windward leg

2.3.1 砂土

将表5中的QV代入式(8),可得到砂土地基的横向承载能力,即FM=16.24tan33°+0.062=10.608MN,所以按式(7)校核,即QH=7.126MN≤0.8FH=8.487MN。

对于砂土地基,抗滑性能满足要求。

2.3.2 粘土

按式(7)校核抗滑性,即QH=7.126MN>0.64×9.482=6.068MN。因此,对于粘土地基,抗滑性能不满足要求。

2.4 小结

总结算例平台在设计条件下的地基强度稳定性,如下表6所示。

表6 地基强度稳定性分析结果Tab.6 Results of foundation stability assessment

3 结 语

由上述分析可得到以下结论:

1)环境条件对平台桩脚压力影响较大,尤其当水深较大,且环境条件恶劣时,对地基强度稳定性影响更为显著;

2)有限元边界条件对结构强度和地基强度稳定性分析影响较大,桩脚处铰支,计算分析结果相对保守,而弹性支撑,更接近实际,但需计及泥土参数,受作业地质限制;

3)桩靴尺寸是影响地基强度稳定性的重要因素,桩靴设计时既要保持足够的尺寸,保证地基承载力,又要考虑尺寸效应对入泥、拔桩的影响,因此需综合权衡;

4)考虑到实际土壤的复杂性和不确定性,采用公式大多为经验公式,且只分析了砂土和粘土地基,对于其它类型的土壤,有待于进一步研究。

[1] 邢 延.自升式钻井船桩脚插入深度计算[J].岩土工程学报,1991,13(5):36-45.

[2] M JCassidy,GTHoulsby,M Hoyle.Determining appropriate stiffness levels for spudcan foundations using jack-up case records[C]∥Proceedingsof OMAE2002.2002:307-318.

[3] Susan Gourvenec,Mark Randolph.Bearing capacity of a skirted foundation under VMH loading[C]∥Proceedings of OMAE2003.2003:413-416.

[4] SMicic,K YLo,JQ Shang.A new technology for increasing the load-carrying capacitiesof offshore foundations in soft clays[C]∥Proceedingsof OTC2003.2003:10.4043/15264-MS.

[5] 中国船级社.海上移动平台入级与建造规范[S].北京:人民交通出版社,2005.

[6] SNAME-RP T&RBulletin 5-5A,Recommended practice for site specific assessmentofmobile jack-up units[S].The Society of Naval Architects and Marine Engineers,2002.

Study on foundation stability assessment for jack-up

LIHong-tao,LIYe
(Offshore Engineering Plan Approval Centerof CCS,Tianjin 300457,China)

P752

A

1005-9865(2011)01-0105-06

2010-05-17

李红涛(1976-),男,天津人,博士,从事海洋工程结构设计与研究工作。E-mail:htli@ccs.org.cn