海洋平台射流辅助沉桩试验研究

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(1.中国石油大学(华东) 石油工程学院，山东 青岛 266580；2. 中石油渤海钻探工程有限公司， 天津 300000)

1 研究背景

随着海洋油气资源开发力度的不断加大，设计和建造石油平台桩基已成为海洋工程中一个重大科技挑战[1-4]。

在海上沉桩施工远比地面沉桩施工复杂，经常会由天气条件、船只调度、更换打桩锤等原因，造成桩不能连续贯入到设计深度，施工过程中出现停锤现象[5]。停锤少则几个小时多则几天甚至几周，使连续打桩时桩周一定范围内土体强度恢复，后继沉桩施工困难，甚至出现拒锤现象[6-8]。若出现拒锤，且桩贯入度又没有达到设计深度时，与陆地桩基工程不同，在海上难以进行桩基承载力静压试验[9-13]。为保证海洋工程安全，需要采取辅助动力沉桩方法，使桩达到标准贯入深度。高压水射流技术目前已广泛应用于切割、清洗、钻井、破碎、研磨等作业[14-15]。随着海洋石油工业的发展，水射流技术在海洋石油工业中也展现出了广泛应用前景。

本文提出的高压水射流辅助沉桩技术是一种专门针对上述问题辅助动力沉桩，使桩达到标准贯入深度的沉桩方法。而试验是开展相应研究的必要手段。基于设计的海洋平台射流辅助沉桩模型试验装置，开展6种形状喷嘴产生的射流对土塞表面作用力的模型试验研究，并借助数值模拟对模型试验结果进行验证，探寻高压水射流辅助沉桩技术的可行性，同时为海洋平台射流辅助沉桩原理样机的试制提供重要理论和试验依据。

2 射流辅助沉桩原理

海洋桩基平台射流辅助动力沉桩是一个涉及动力学、结构力学、土力学等多学科领域的综合、复杂、系统的研究课题。其原理是采用高压水射流将桩端土层扰动，破除“土塞”、降低地层强度，利用锤击等技术手段使桩快速下沉，直至设计深度，同时将冲动后的桩前土由回流带出地面而成孔，停水后，土壤再度沉降，固结在桩周围，使桩牢固埋在土中的施工方法。冲孔和沉桩同时进行，边冲孔边沉桩，因高压水的喷射力很强，各种土体都能很快松动。除较大的粗砂、砾石留在孔底外，一般土壤颗粒都能被回水冲出地面。

3 模型试验

海洋平台射流辅助沉桩模型试验装置如图1所示，主要包括试验箱、导向架、模拟桩、桩头保护器等。

3.1 土体强度分析

停锤阶段，连续打桩产生的超静孔隙水压力消散，土体强度逐渐恢复[16-22]。根据有效应力原理，打桩施工前土中原有应力为

σ=σ′+u0。

(1)

式中：σ为总应力；σ′为有效应力；u0为初始孔隙水压力。令土体内摩擦角为φ，此时土体强度τf为

τf=σ′tanφ=(σ-u0)tanφ。

(2)

打桩施工过程中土中应力为

σ=σ′+u0+u。

(3)

式中u为超静孔隙水压力。则土体强度τf为

τf=σ′tanφ=(σ-u0-u)tanφ。

(4)

由式(4)知超静孔隙水压力的出现，土体强度有所降低。打桩间歇后，土中的超静孔隙水压力部分转化为有效应力，即

σ=σ′-u0+ξu。

(5)

此时土体强度为

τf=σ′tanφ=(σ-u0+ξu)tanφ。

(6)

式中ξ为超静孔隙水压力转化为有效应力的比例，一般取值为0.5～1.0。由式(6)知超静孔隙水压力的消散使土体强度提高，故后继沉桩施工困难，甚至出现拒锤现象。所以试验关键是停锤周期后地层的模拟。

3.2 土层模拟

试验槽的三壁都布置好土工织布，而观察窗内侧自上而下悬挂塑料薄膜以模拟边界在垂直方向不受约束。模拟土倒入槽内后，捣实均匀，不让土中留有明显的空洞。当土加到既定高度后，再铺上一层土工织布，并在上面压一些砝码和砖块。这样，让模拟土在双向排水路径下固结61 d，直至表面平整，透过玻璃看不见界面处有明显孔洞。固结工作结束后，先关闭槽底排水阀，然后在试验槽中注入一定量的水，使土体达到饱和，并静置12 d，使已被压缩为超固结状态的试验土回弹至一种稳定状态[23]，此后即可进行各项试验测试。

3.3 试验测试及分析

试验箱内填土1.3 m，水深0.1 m。采用开口圆形管桩，试验时模型桩的总长为1.1 m，桩体为圆形，直径0.3 m，打入深度1 m，每0.25 m停顿1次，再利用水射流对桩内土塞进行破坏。试验采用椭圆进口喷嘴(代号1)、圆弧喷嘴(代号2)、双圆弧喷嘴(代号3)、锥形喷嘴(代号4)、流线型喷嘴(代号5)和等变速喷嘴(代号6)6种喷嘴，选取喷嘴直径0.01 m，注入水压30 MPa，喷距0.2 m，对比不同喷嘴产生的射流对土塞表面的作用力。土塞表面中心作用力的试验结果如表1所示。

表1 射流在土塞表面中心作用力

试验结果显示，相同注入水压条件下，在喷嘴最下方的土塞面层存在最大压力，由中心向两侧呈现线性递减。射流作用到土塞表面后发生偏转，沿土表向两侧流动，最终沿两侧壁上返。6种喷嘴的扩散角度都较小，有利于射流能量的集中。对比6种喷嘴的射流等速核，等变速型喷嘴等速核宽度、长度为最大，其有限喷距最长，作用在土塞表面中心处的压力也最大。因此，采用等变速喷嘴产生的射流辅助动力沉桩，桩基建设效率提高较大。

4 数值模拟

4.1 数学模型

流体流动受物理守恒定律支配，孔底流体满足质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程[9]。

(1) 质量守恒方程：

式中：ρ为密度；t为时间；V为速度矢量。

(2) 动量守恒方程：

式中：vx,vy,vz是V在x，y,z方向上的分量；μ为动力黏度；p为压力；Svx，Svy,Svz为动量守恒方程的广义源项。

(3) 能量守恒方程：

式中：T为温度；cp为比热容；k为传热系数；ST为黏性耗散项。

4.2 数值模拟分析

根据前面6种喷嘴产生不同形式射流的模型试验结果，研究射流压力作用下土塞内部的应力变化。以模型试验中开口钢管桩的直径，取宽0.3 m，深0.5 m的土体作为研究对象，根据6种喷嘴产生的不同射流对土塞表面中心的作用力，在土体上表面施加一个非均布荷载，土体两侧施加垂直于轴线方向的约束，在底面施加固定约束，划分网格后计算,以等变变速喷嘴为例，数值模拟试验结果如图2所示。

图2 土塞内部应力变化模拟结果

对比土体内应力分布状态计算结果得出：由于射流轴线上速度最高，位于射流轴线上的土体内出现1个高应力的应力核，应力核呈近同心圆形扩散，应力逐渐减小；在应力核两侧靠近壁面的位置出现2个低应力区，这是由于两侧受射流压力较小；随深度增加土体内应力减小。根据数值模拟结果绘制出6种喷嘴产生射流作用在土体上，土体内最大应力和最小应力变化曲线，如图3所示。

图3 不同喷嘴射流作用下土体内最大应力和最小应力

对比6种喷嘴射流作用下土塞内的最大应力和最小应力，应力的变化趋势基本相同，其中锥形喷嘴的应力最小，等变速喷嘴的应力最大，与模型试验结果基本吻合，为海洋平台射流辅助沉桩原理样机采用等变速喷嘴试制提供了重要依据。

5 结 论

(1) 针对海洋石油平台桩基建设中停锤问题，提出高压水射流辅助沉桩技术设想，并根据有效应力原理分析了停锤过程中土体强度的变化。

(2) 设计海洋平台射流辅助沉桩模型试验装置，该装置测试出了6种喷嘴产生的不同形式射流对土塞中心表面作用力。

(3) 对比6种喷嘴的射流等速核，结果表明等变速型喷嘴等速核宽度、长度为最大，其有限喷距最长。

(4) 结合数值模拟对土体内应力分布状态进行试验，对比6种喷嘴射流作用下土塞内的最大应力和最小应力，验证了模型试验结果。

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