自升式平台桩土作用机理的研究进展

张兆德，李俊来，张 心，谢永和

(1.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院,浙江舟山 316022;2.浙江省近海海洋工程技术重点实验室,浙江舟山 316022;3.武汉理工大学,湖北武汉 430070)

·综 述·

自升式平台桩土作用机理的研究进展

张兆德1，2，李俊来1，3，张 心1，2，谢永和1，2

(1.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院,浙江舟山 316022;2.浙江省近海海洋工程技术重点实验室,浙江舟山 316022;3.武汉理工大学,湖北武汉 430070)

自升式平台是近海石油开发中最主要的移动式平台,被国内外广泛使用。通过对现役自升式平台的结构特点进行分析,简要介绍了自升式钻井平台的分类、桩靴形状和桩土相互作用中的穿刺现象;探讨了国外对桩土相互作用机理的研究情况,重点阐述了国外对桩土相互作用的实验研究和土体本构模型的发展及数值模拟方法;而后对国内的研究情况进行了总结,提出了在自升式平台桩土相互作用方面应该深入探讨的问题。

自升式钻井平台;桩土作用;试验研究;数值仿真;研究进展

自升式钻井平台是海洋石油开发中最为常用的移动式海洋平台,因其造价低、效率高、机动性好,被广泛应用于水深150m以内的近海石油工程中。然而由于自升式平台的作业周期短、移位频繁、海况环境的不同,以及作业海底地基特性的差异常常导致灾难性事故的发生。

因此自升式平台服役期间的安全问题至关重要。而自升式平台主要是受垂向载荷、水平载荷及力矩等组合荷载的作用,其主要安全问题集中在地基承载力问题,容易产生桩靴穿刺现象。国内外学者及工程人员对海底地基承载特性[1]及桩土相互作用机理[2]等问题开展了广泛的研究,得到了地基极限承载、土体回流趋势和桩靴穿刺机理。

1 自升式钻井平台概况

1.1 平台分类

自升式钻井平台根据分类方法不同划分为多种类型,按基础类型不同可分为:垫板基础、独立桩靴基础和钢裙重力基础,现在使用及在建的多数为独立桩靴基础,各基础类型的自升式平台概况见表1。按照桩腿结构型式分为壳体式和析架式两种,壳体式平台桩腿由钢板焊接成圆形并配有齿轮齿条传动升降系统,由于造价原因主要用于60m以内的浅水区,国内现役的自升式平台绝大多数都是壳体式平台;而析架式平台的用钢量少于壳体式,工作水深可达150m,因其技术更先进、作业水深更深,所以目前在建的自升式平台大多为析架式,如图1、2所示。

表1 各基础类型的自升式平台概况Tab.1 The introduction of general type jack-up

图1 壳体式自升式平台Fig.1 Hull leg jack-up

图2 析架式自升式平台Fig.2 Truss leg jack-up

1.2 桩靴

桩靴[3]是自升式平台的主要承载结构。平台自重及环境载荷通过桩腿传递到桩靴,然后经过桩靴和土体的相互作用最终传递到海底地基,靠地基支撑整个平台,如图3所示。桩靴形状一般为圆形或多边形,底面为平面或倒圆锥结构,桩靴直径一般为5¯20 m不等,较大的桩靴基础增大了桩土作用的接触面积,减小了桩靴的入泥量,提高了自升式平台的机动性和安全性。

图3 桩靴形状Fig.3 Shape of the spud-ean

1.3 穿刺现象

由于风浪和地基承载等自然环境的不确定性,自升式平台使用过程中的灾难性事故亦频繁发生。一般而言,自升式平台在拖航、预压和作业过程中易发生事故。

拖航过程主要是受海上风浪等环境载荷影响,超过设计极限则易导致平台强度或稳性不足而发生事故,最典型是1979年我国“渤海2号”平台在渤海湾迁移井位拖航作业途中的翻沉事故;而预压、作业过程中的多发事故大多是由于海底地基承载力不足,引发的桩靴穿刺现象。桩靴穿刺现象多出现在层状地基基础,是指自升式平台插桩过程中,桩靴基础遇到上硬下软地基,当载荷超过硬土层最大承载时土体发生剪切破坏,桩靴刺穿硬土层进入软土层,由于承载力大幅下降造成桩靴迅速下沉的现象。一旦发生桩靴穿刺现象,极易导致船体倾斜,甚至翻沉,图4为桩靴穿刺引起平台事故。

在实际的自升式钻井平台作业前,为防止承载不足都需要经过预压处理。首先将船体提升至水面以上,向压载舱内注入压载水至设计荷载,经过一昼夜或更长时间的预压,然后排除压载水并将船体提升至预定位置进行作业,图5既是自升式平台拖航、预压以及作业的过程。实践表明预压过程可以有效的减小穿刺现象的发生,保证了地基了承载能力,特别是软土地基,足够的预压是预防承载力失效的最有效办法。

图4 桩靴穿刺引起的事故Fig.4 Punch through accident

图5 自升式钻井平台工作流程Fig.5 The working process of jack-up rigs

2 国外研究现状

自升式平台桩土相互作用过程中涉及土体的强非线性和土壤参数的不确定性及易变性,使得求解该问题的精确解变得极为复杂,国外学者分别就插拔桩、预压和钻井工作等方面进行了广泛研究,得出了有关地基承载、土体回流和桩靴穿刺等有价值结论,很多已经应用的工程规范中。目前研究者主要通过模型试验、数值模拟和现场测量来描述探讨该问题,以下主要回顾了自升式钻井平台的物理模型试验方法和数值模拟方法。

2.1 物理模型试验

土工离心模型试验的出现具有里程碑的意义。土工离心模型试验的出现使得岩土问题实现了跨越发展。土工离心模型试验能够模拟重力场,采用原型土料,将结构缩小为原型的1/N,放置在N倍的重力加速度下进行试验,从而在小尺寸模型中再现原型特性,并且可以降低试验成本和进行重复试验,因此被广泛用于岩土工程的物理模拟研究。在离心模型试验方面,剑桥大学、曼彻斯特大学、新加坡国立大学和西澳大学开展了大量的工作。

在早期的研究中,MEYERHOF[4](1951),HANNA(1963)和DE BEER(1963,1970)通过大量实验研究以及极限平衡理论建立了地基承载力求解方程,他们一致认为在承载力方程中怎样选取合适的摩擦角是该问题研究的难点。因为摩擦角随应力大小的不同而变化,因此在桩靴底部应力均匀变化的失效土壤中无法给出一个确定的摩擦角,而且研究发现摩擦角仅改变2度时承载力系数变化范围幅度超过50%。

英国剑桥大学的SCHOFIOLD等人的工作使土工离心机在世界岩土界得到广泛的重视和应用。欧洲先后形成的数个离心试验中心对北海石油平台的建设起了较大的作用。

CRAIG[5]进行了一系列离心机模型试验,如图6所示,在他们试验中桩靴原型尺寸为14 m,土质为均质砂土、均质粘土和上层砂土下层粘土三种情况。研究发现上层砂土的自重和刚度对于punch-through现象的发生有决定作用,同时也发现上层砂土的厚度对出现punch-through破坏也有影响。当上层砂土层为2.6m时没有明显的punch-through破坏,而对于上层砂土层为7m和9.5m厚时,在基础贯入到2m时就发生punch-through破坏。试验结果与理论分析比较发现,HANNA&MEYERHOF的方法低估了出现破坏时的荷载,因此他们建议在承载力分析中当基础贯入越过分界面时应该考虑一个作用在基础周围的附加反力部分。

OKAMURA、TAKEMURA和KINURA[6]将密砂覆盖在软粘土上,进行了一系列50 g下的离心机试验,研究了承载力和变形机理。分析了砂土的厚度、下层粘土的强度和基础的宽度、形状和埋深的影响,发现承载力随着砂土厚度和基础宽度比(H/B)的增加而增加,最终达到上层砂土的承载力,这时可以认为是双层承载力土的上限。同时也发现承载力随下层粘土的强度和基础的预荷载线性增加。当承载力小于单层砂土的承载力时会发生punch-through破坏,这时基础附近的砂土会流向下层粘土。

TSUKAMOTO在均质砂土中进行了离心机试验。在他的试验中考虑基础受竖直轴力、水平剪力和弯矩复合荷载作用并且假设在塑性增量的理论框架内,从试验得出的流动法则、硬化法则都很好的符合弹塑性本构关系的假设。

SANTA MARIA、MARTIN和TAN FSC[7-9]等人进行了单桩组合工况下的试验研究,探讨了在粘土和沙土中基于组合工况下屈服曲面的加载路径问题。HOSAIN等[10-12]对三桩腿自升式平台进行了试验研究,如图7所示。通过对平台主体和三桩靴载荷及位移的测量,分析了载荷传递、桩腿长度与预压比的改变对系统承载力和载荷-位移关系的影响。

图6 离心机模型试验Fig.6 Model testof centrifuge

图7 桩靴入泥的模型试验Fig.7 Model testof spuud-can into themud

2.2 数值仿真

近几十年,数值仿真方法也被广泛应用于桩土相互作用的研究中来,并在某些方面应用于工程实践。在设计中普遍采用两种数值分析方法,有限元分析和极限平衡方法。

有限元方法是解决系统和局部偏微分控制方程数学问题的一种手段,有较为严密的理论基础。由于它能够提供闭合的近似解,适应复杂的几何条件、材料特性和边界条件[13],因此能够更好的描述现场的各种变化,从而在海洋平台基础设计中应用广泛。有限元方法在基础设计中的主要应用包括:通过揭示结构性能确定基础设计参数,进行参数敏感性分析,和其他数值分析方法或者离心模型试验结果相互验证。有限元方法的局限性主要表现在确定初始应力状态、把握临近破坏时的弹塑性本构关系及保证非线性数值分析的稳定性等方面遇到的困难。

极限平衡方法有两个分支:一是通过研究滑裂面上作用力的静力平衡和确定滑裂面,利用摩尔库伦准则求得问题的解;二是假定土体处处达到极限平衡状态的前提下,用特征线法求解应力场,在一定的简化条件下,获得问题的闭合解极限平衡方法通常假设基础的破坏模式,并引入其他一些简化假定,使问题变得静定可解,从而确定承载力。通常采用二维分析,通过考虑侧边的摩擦来考虑三维效应。这种方法在基础承载力分析上的应用仍处于起步阶段。极限平衡方法的简化假定使该方法的严密性受到损害,极限平衡方法的准确性取决于它所假设的破坏机理与实际情况是否符合。

MICHALOWSKI[14]用极限分析的方法给出条形基础在上层砂土下层粘土中的设计表格。解决的方法是基于两种破坏机理,双层地基的刚体崩塌机理和粘土的连续变形破坏机理。极限分析表明承载力随着下层粘土的强度增加而增加,然而当上层砂土达到极限承载力时,粘土强度的增加也不会提高地基承载力,但当下层粘土相对砂土非常坚硬同时上层砂土对于基础宽度来说又很薄时例外。

BURD和FRYDMAN运用有限元的方法分析了条形基础在上层砂土下层粘土中的情况。他们分析的结果表明承载力发展的趋势和MICHALOWSKI用极限分析方法给出的结论相似。而且分析还表明荷载扩散角随着摩擦角的增加而增加，但随土的强度增加而减小。

HU和RANDOLPH运用大变形有限元分析方法计算地基的承载力,运用这种方法可以很好的处理表面基础在贯入到土层的分析,同时也可以分析基础下土的流动机理。数值结果表明当把上简化为Tresea和Von Mises材料时,对于平面应变的基础和轴对称的自升式海洋平台基础（spudcan）的计算结果与承载力塑性计算方法得到的结果很好的吻合。

MERIFIELD等用数值极限分析方法来估计位于双层粘土层中的刚性浅基础的承载力情况。通过使用有限元结合古典塑性力学的上下限理论求得了最终承载力的精确范围。比较极限分析和经验、半经验的计算结果发现后者的方法低估或者高估承载力20%。在他们的研究中发现当上下土层的强度比大于2.5时或者基础埋深大于基础宽度的一半时,现有的方法会有相当大的错误。

WANG和CARTER[15]使用有限元方法计算了在双层粘土中条形基础和圆形基础的大变形分析。假设上层土的强度大于下层土。他们比较大变形分析和小变形分析的预测结果,讨论了承载力行为和不同情况下的承载力系数。在他们报告中也讨论了塑性区的发展和土的重度对承载力的影响。

HOULSBY和MARTIN[16-17]给出了埋深较浅的圆形基础的承载力系数,计算考虑包括基础埋深、锥角角度、土层随深度变化的强度的变化率、基础表面的粗糙程度。在他们的研究中没有考虑土的自重。他们进行了总共12种情况下的计算,得出了不同参数时的承载力系数值。这个结果被广泛的应用尤其在海洋工程方面。

LIU、HU和KONG[18]用大变形有限元方法分析了基础在双层土中的承载力,给出了上下土层的厚度和强度比对承载力的影响。还讨论了塑性区的发展和土的自重对承载力的影响。从结论可知当基础离土层分界线较远时可以按单层土考虑,当基础距土层分界线较近时,下层土的影响较复杂,承载力会降低,同时得到发生punch-through现象时的临界距离,如图8所示。

图8 桩靴入泥的数值模拟Fig.8 Numerical simulation of spud-can into themud

YI等[19]人通过欧拉有限元方法对桩靴预压过程中的超孔隙压力[20]的产生进行了研究,结果表明在Abaqus/Explicit中,欧拉法[21]可以对不排水的土体预压过程进行模拟,同时发现在不排水的抗剪强度计算中,桩靴承载力与孔隙比变化相互影响较大。

3 国内研究现状

国内对自升式平台的研究主要集中在桩靴式平台,一部分对平台在极端环境载荷下的结构强度进行了计算,另一部分对桩靴承载及入泥特性进行了分析。

郑喜耀讨论了桩靴在均一黏性土、沙土和粉土中插桩深度[22]的计算方法,并给出了计算参数的选取依据以及部分参数的取值方法。范文等以Terzaghi公式的假设和原理论为基础,导出了地基极限承载力[23]公式的一般形式,而太沙基地基极限承载公式则为其特例。由于考虑中间主应力的影响,计算所得的地基承载力比太沙基地基极限承载力要大,此法可得出具有广泛意义的统一解。

黄齐武和贾苍琴根据塑性下限定理,借助有限元技术,建立了极限承载力三维情况下的锥形规划形式。采用原对偶内点法求解非线性规划问题,基于相应的理论计算框架,构造满足条件的静态容许应力场。该方法客服了屈服函数的线性化或光滑近似;利用对偶性,在求解下限解的同时获得对偶命题的解。

在数值模拟方面,天津大学利用Abaqus软件开展了广泛的研究,得到了一系列有益结论。付丽娜[24]对桩靴基础的竖向承载力进行了研究。其利用有限元法分析了竖向荷载作用下桩基的承载力,研究了平台桩靴尺寸、土壤特性参数(包括粘聚力、弹性模量、内摩擦角)和摩擦系数等因素对桩靴贯入阻力的影响规律,以及贯入阻力与入泥深度关系以及压桩结束后孔隙水压力的变化规律。

张浦阳在其博士论文中引入流固耦合理论建立了饱和粘土条件下桩土系统有限元模型,通过桩靴在多种土质及贯入条件下的计算和分析,提出了桩靴在深贯入条件下的极限承载力系数为10.30(不考虑土体回流作用)和12.25(考虑土体回流作用),极限上拔阻力系数为12.62;同时文中给出了平台插桩/拔桩过程中土体孔穴深度、桩靴承载力、桩靴底部吸力和桩靴上拔力的计算方法。文中分析了多层土条件下,桩靴承载力和孔穴的变化规律,系统描述了上下土层强度比、上层土相对厚度、下层土标准化抗剪强度和土体强度非均匀系数等参数变化对桩靴承载力的影响。同时给出了桩靴上拔过程中桩靴底部吸力在平台工作荷载、上拔速度和贯入深度等参数变化时的发展规律,计算得知数值模的吸力变化范围在总上拔力的27%～80%。

于晓洋也开展了自升式钻井船桩靴上拔力的研究。其采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型,模拟了在荷载作用下桩靴的上拔过程。通过数值分析确定桩靴上拔所需的最大上拔力,并定性的分析了土体参数(弹性模量E、粘聚力c)、桩靴参数(直径D,上部坡角)及埋置深度d对桩靴上拔力的影响及其相互关系曲线。

大连理工大学的高博则应用AFENA软件研究了桩靴在双层地基土中的承载力情况。文中建立二维有限元模型,着重考虑了上层土的强度、上下土层的强度比、上层土的厚度和土的自重对承载力的影响,同时也对桩靴穿刺和土体回流过程进行了探讨。主要结论为,对于上强下弱型的双层粘土,承载力首先是受上层土强度的影响,并随着基础贯入深度的增加,承载力逐渐提高。当基础接近下卧软弱土层时,承载力就会减小,这时就得考虑下层软弱土层对承载力的影响。当基础贯入到土层中某个深度时,承载力达到最高值,然后随着基础继续贯入,承载力会突然的下降,此时基础就很可能会发生“穿刺”破坏。

4 总结

国外学者已对桩土相互作用问题进行了广泛的研究,特别是随着离心机模型试验的出现,大大促进对此问题探讨,并随着数值仿真技术的成熟,可以验证试验结论的有效性,极大的带动了对此问题的求解。因此在研究过程中,总结得到了一些工程设计、评估的方法,其中一些结论已经应用于工程规范。

本文回顾了自升式钻井平台桩土相互作用的研究内容,对其插桩、钻井工作和拔桩过程中的一些工程问题进行了描述,详细介绍了国外学者通过离心机试验和数值仿真对地基承载、穿刺机理、桩土回流和拔桩机理的研究情况,同时也给出了我国学者对此问题的研究现状。由上面总结介绍可知,还有如下几方面问题函待解决:

1)自升式平台在百米水深海域的作业机理应该尽快开展。随着自升式钻井平台应用于更深的水深,桩靴在深水海底地基中的力学特性,以及在恶劣环境载荷作用下的作业安全性能指标函待探讨,急需指导性的结论或者规范应用于工程实践。

2)我国沿海海域地质条件下的桩土作用机理的研究函待解决。目前为止学者们仅对北海、墨西哥湾和西非海岸等地区的桩土作用机理进行了广泛的研究,国内的自升式平台设计通常是参照国外的设计标准。而我国渤海湾石油储量丰富,水深较浅,适合自升式钻井平台作业,但地基特性与其他海域区别较大,因此对渤海湾水域桩土作用问题的研究应该尽快开展。

3)整体模型试验的研究需要加强。现阶段对桩靴相互作用机理方面的试验研究多采用单桩模型,通常是将土地基、桩基和结构分开来考虑。实际上,桩靴之间以及桩靴和平台之间的互相作用机理十分复杂,对平台整体性能的影响巨大,因此整体模型试验的研究十分必要。

4)多层地基基础模型试验的开展和数值仿真模拟急需进行。作业海域的地基基础多为层状地基,而层状地基特性于单层地基大不相同,对自升式平台作业性能影响较大,而现在广泛开展的单层地基研究结论很难应用于层状地基,因此开展层状地基桩土作用的研究颇为重要。

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The Research Development of the Pile-Soil Interaction M echanism of Jack-up Platform

ZHANG Zhao-de1,2，LIJun-lai1，3，ZHANG Xin1，2,et al
（1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering of Zhejiang Ocean University，Zhoushan 316022；2.Key Laboratory Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province，Zhoushan 316022；3.School of Transportation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

Jack-up platform is themain type ofmobile platform in the offshore oil development.And it is widely used at home and abroad.The structural characteristics of the jack-up working on the sea，are analyzed.The classification of the jack-up，the shape of the pile and the punch-through phenomenon are introduced.The research works on the pile-soil interaction mechanism，especially the experimental studies and the numerical simulation are discussed.And finally，the problems on the pile-soil interaction mechanism，which should be further investigated，are issued.

Jack-up Platform；pipe-soilinteraction；modeltest；numerical analysis；research processing

U674

A

1008-830X（2014）05-0448-07

2014-06-20

国家自然科学基金(51179173)

张兆德(1964-),山东临朐人,教授,博士,研究方向:结构动力学.