南海海域深水导管架平台桩土力学分析

高苹梅，李 俊

（中国石油大学（华东）船舶与海洋结构物设计制造系，山东 青岛266580）

南海海域深水导管架平台桩土力学分析

高苹梅，李 俊

（中国石油大学（华东）船舶与海洋结构物设计制造系，山东 青岛266580）

以番禺30-1号导管架平台为原始模型，针对南海北部水文，以及南海北部陆架区海底土性质，采用设计波法设计海洋环境载荷，进行导管架平台群桩桩土力学分析。对比分析竖直桩和10°倾斜桩的轴力、横向位移、应力以及截面剪力力学性能，发现斜桩的力学性能优于竖直桩。

导管架平台；桩基础；力学；分析

随着海上油气资源开发步骤的加快，海洋平台的作业水深也不断增加。番禺30-1号导管架平台作为亚洲第2大导管架平台，工作水深达200 m，地位仅次于荔湾3-1号导管架平台。如此庞大的结构以及如此的作业水深，对于导管架群桩的桩腿性能提出了很高的要求［1-2］。因此，在极限波浪载荷下，分析桩腿的横向位移和受力情况，对桩腿服役性能进行准确的安全评估，是发展深水导管架平台的关键环节。

1 分析模型简介

番禺30-1号导管架长213 m、高89 m、宽89 m，导管架的质量16 216 t，3层甲板。分析模型包括环境模型（风、浪、流、海底土）和结构模型（平台结构模型），如图1所示。

图1 番禺30-1号导管架平台的桩土力学分析模型

该平台采用8腿16群桩结构，为了对比分析，分别建立竖直群桩和10°倾斜群桩模型。桩的入土深度为99 m，外径2.438 m，壁厚0.05 m。材料密度为7 800 kg／m3，泊松比为0.3，屈服强度为343 MPa。2种群桩的导管架结构模型如图2所示。

图2 导管架平台结构模型

2 环境参数设置

2.1 南海水文

为了更好地对比2种群桩的力学性能，本文采用了设计波法，考虑了极限波浪载荷作用，并将非线性影响计入分析之中。设计波要素包括设计波重现期和设计波特征（波高、波周期）。根据南海长期的波浪统计资料，得到100 a一遇的最大波特征参数，然后换算成相应波高和波浪周期的规则波，作为结构波浪载荷设计的依据。

对于最大波高长期分布函数，目前大都采用三参数的Weibull函数。拟合计算采用累积分布函数，引入最大波高Hm：

式中：Kh为形状参数，Hc为过阈界限，H0为最小阈限高度［3］。

根据长期子样提供的Hm和Pc（Hm），应用最小二乘直线拟合方法和迭代运算，可以确定3个待定参数Kh、Hc、H0。

对于设计波周期的研究，一般通过研究波浪平均过零周期与相应的平均波高之间的长期关系来建立两者之间的函数关系。查阅文献可知二者之间关系［3］：

对于番禺30-1号导管架平台，设计重现期TC.Y＝100 a。TC.Y年内出现的波的总数N＝3.15×107TC.Y／，则TC.Y年一遇的最大波出现概率为1／N，代入式（1）后整理得

结合式（2），通过长期观测南海水文得到最大波高长期分布参数和平均周期与平均波高关系参数，进而求得设计波特征，如表1。

表1 设计波参数

番禺30-1号导管架平台处于南海海区分布中的S4区，查阅S4区全年波向概率统计图后得知，风向主要为东北向、东向、南向和西南向。为简化计算，只需选取此4种波向进行设计波计算。

2.2 南海北部陆架海底土建模

番禺30-1号导管架平台处于南海北部陆架，通过查阅相关文献［4-5］发现，南海北部陆架海底土主要为残留沉积物或准残留沉积，以细砂、粉砂为主，局部地区为砂、粘土。针对分析环境的海底土物理特性，本文建立5种土，共将土层分成7层。土壤3种特性曲线选用标准分别为P-Y API 1987、T-Z API 1993、Q-Z API 1993，土体均为正常固结。

3 结果分析

主要研究了2种群桩桩身轴力随入土深度的变化规律，并就二者的桩身位移、剪力以及应力分布情况进行了对比和分析。本文模拟结果涉及4个波向，18种工况，32根桩腿。由于结构的对称性，仅选取最大东向波浪荷载组合工况下4号桩的模拟结果进行说明。

3.1 桩身轴力随入土深度变化规律

竖直桩和斜桩的桩身轴力随入土深度的变化如图3所示。

图3 桩身轴力随入土深度变化曲线

由图3可知，桩顶处轴力倾斜桩28 400 k N，竖直桩31 410 k N，即倾斜桩的轴力要小于竖直桩，这与前者具有一定的倾斜角度有关。二者的桩端阻力都比较小，但是倾斜桩的值要大于竖直桩。这说明竖直桩中侧摩阻力起主导作用，桩端阻力贡献很小［6］；而斜桩则提供了一定量级的桩端阻力，与侧摩阻力共同承担上部载荷。

3.2 位移对比

根据软件模拟结果，两种群桩桩身的位移分布曲线如图4。

图4 桩身位移分布曲线

由图4可知，桩顶处，竖直桩横向位移为31.69 mm，位移较大，超出安全服役范围；而倾斜桩的位移为18.89 mm，在安全允许范围内。在桩身和桩端，倾斜桩的横向位移均小于竖直桩的横向位移，比竖直桩更能满足安全需求。在砂土和粘土分界的地方，二者的横向位移发生突变，这与两类土的力学性质不同有关。

3.3 应力分布对比

根据软件模拟结果，2种群桩桩身的应力分布曲线如图5。由图5可知，在泥面附近处，两种群桩截面均出现最大应力。这是由于在泥面附近，环境载荷产生的横向载荷作用以及桩结构对土的相对刚度，使得桩侧土壤变形对桩产生很大的约束力矩，由于约束力矩和轴向载荷的最不利组合，使得泥面附近桩的截面出现很高的应力［7］。考虑安全系数后，材料的许用应力为［σ］＝0.6σ＝0.6×343＝206 MPa，竖直桩最大应力为232 MPa，大于材料许用应力；倾斜桩最大应力为196 MPa，小于材料许用应力。同时可以看出，相同入土深度，倾斜桩的截面应力小于竖直桩。因而倾斜桩比竖直桩更满足安全需求。

图5 桩的应力分布曲线

3.4 剪力分布对比

根据软件模拟结果，两种群桩桩身的剪力分布曲线如图6。

图6 桩的剪力分布曲线

由图6可知，桩顶处，倾斜桩剪力2 152 k N，竖直桩剪力3 163 k N，即倾斜桩的桩顶剪力要小于竖直桩的剪力。由于风浪流组合荷载的作用，在两种群桩的泥面处均会引起很大的剪力。而且相同入土深度，倾斜桩的剪力小于竖直桩。

4 结论

1） 斜桩的桩端阻力大于竖直桩的桩端阻力。由于斜桩存在倾斜角度，因此当平台总重力相同时，倾斜桩比竖直桩能提供更多的桩端阻力来抵抗平台竖向荷载，即倾斜桩在承载方面更具优势。

2） 桩顶处，竖直桩横向位移较大，超出安全服役范围；倾斜桩的位移保持在安全允许范围内。对于桩身和桩端，倾斜桩的横向位移均小于竖直桩的横向位移，因此倾斜桩比竖直桩更能满足安全需求。

3） 在泥面附近处，两种群桩均出现最大应力。这是由于在在泥面附近，环境载荷产生的横向载荷作用以及桩结构对土的相对刚度，使得桩侧土壤变形对桩产生很大的约束力矩，由于约束力矩和轴向载荷的最不利组合，使得泥面附近桩的截面出现很高的应力。因此在实际设计中，泥面附近某一深度的桩的壁厚稍大一些。同时可以看出，相同入土深度，倾斜桩的应力小于竖直桩。尤其是泥线附近，将竖直桩改为倾斜桩之后，最大应力由原来的232 MPa降低到196 MPa，满足了钢材的强度要求。

4） 由于极限海洋环境载荷的水平作用，在两种群桩的泥面处均会引起很大的剪力。而且相同入土深度，倾斜桩的剪力小于竖直桩。

5） 深水导管架平台的桩腿比较长，斜桩设计和施工较为复杂，工程上还缺乏理论指导，会带来很大的不便和风险。从力学性能方面分析，倾斜群桩优于竖直群桩。因此，平台桩腿设计中选用倾斜群桩，更能保证平台的服役安全性。

［1］ 刘毅，杨树耕，潘阳，等.水平载荷下群桩效应对导管架平台结构计算的影响［J］.石油矿场机械，2012，41（8）：26-29.

［2］ 王世敬，王春莲，韩清学.导管架平台结构动力优化设计［J］.石油矿场机械，2008，37（12）：38-41.

［3］ 王言英.关于我国沿海海域设计波参数的探讨［J］.大连工学院学报，1984，23（4）：81-86.

［4］ 郑志昌，陈俊仁，朱照宇.南海海底土体物理力学特征及其地址环境初步研究［J］.水文地质工程地质，2004（4）：50-53.

［5］ 牛作民.南海海底细粒土的工程地质性质基本特征［J］.海洋地质与第四纪地质，1992（12）：15-24.

［6］ 李龙起，罗书学.非均匀地基中倾斜桩基竖向承载特性模拟试验研究［J］.岩土力学，2012，33（5）：1303-1304.

［7］ 陈建民，娄敏.海洋平台工程［M］.东营：中国石油大学出版社，2004：145-197.

Pile-soil Mechanical Analysis of Deep-sea Jacket Platfor min South China Sea

GAO Ping-mei，LI Jun
（Depart ment of Naval Architecture and Ocean Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China）

Taking Pan Yu 30-1 jacket platf or mas the original model，according to the hydrology and the seabed soil properties of continental shelf in northern South China Sea，the marine environmental l oads wit h the design wave method was designed and pile-soil mechanical analysis of jacket platf or m group piles was conducted.A comparison of mechanical properties was also made including axial force，displacement，stress and shear bet ween the vertical group piles and the 10°inclined gr oup piles，and it was f ound t hat mechanical pr operties of inclined gr oup piles are superior to those of vertical group piles.

jacket platf or m；pile f oundation；mechanics；analy sis

TE952

A

1001-3482（2014）06-0010-04

2014-12-26

高苹梅（1988-），女，山东淄川人，硕士研究生，主要从事船舶与海洋结构物设计制造研究工作，E-mail：gaopingmei＠126.co m。