静力触探(CPT)在自升式钻井船插桩分析中的应用

王艳秋

(中海油服物探事业部工程勘察中心,天津 300451)

静力触探(CPT)在自升式钻井船插桩分析中的应用

王艳秋

(中海油服物探事业部工程勘察中心,天津 300451)

CPT测试作为岩土工程勘察中一项重要的原位测试技术,因其能在现场直接、连续、快捷地对岩土层的工程特性参数进行测试,并且避免了取样和室内试验对土样所造成的扰动等影响,故在国外及国内陆地岩土工程勘察领域已得到广泛应用。以南海某井场海底浅层土质工程地质特性的资料为基础,借鉴国内外CPT解释技术的经验,对海洋石油941号钻井船在南海某井场插桩深度进行了分析。

静力触探 自升式钻井船 承载力分析 插桩深度

Cone penetration test is a very important in-situ testing technique , it has been broadly used in geotechnical survey because of its fieldly,continunously and fastly testing the parameters of engineering properties and avoiding the samples being disturbed. The penetration depth of jack-up rig Haiyangshiyou-941 is analysized based on the experience of the interpretation of CPT at a certain site of South China Sea.

Cone penetration test Jack up rig Bearing capacity analysis Penetration depth

随着海洋资源的开发和利用,静力触探技术在国内外海洋地质工程中的使用越来越普遍。静力触探实验不仅具有准确、快速、经济及节省人力等优点,而且该技术对土体扰动小,可以更好地反映土体的原始应力、应变状态。近几年来已经在南海、东海等海域进行了许多CPT测试,通过对测试数据进行处理与解释,可获得被测试土层相关的物理及力学性质参数,为基础工程分析计算提供依据,在平台的桩基础分析和钻井船的插桩深度分析方面取得了很好的效果。

1 国内外研究现状

目前,国外用于海上作业的静力触探测试技术已比较成熟,应用越来越广泛。国外公司不仅对海底土的静力触探技术及相应的设备进行了系统的开发研究,能提供整套的静力触探技术和静力触探施工设备,同时也能提供从事海上静力触探勘察工作服务。总体上说欧美国家在该技术领域处于领先地位,如：荷兰由于其自身的地理位置关系,在保护海岸、治理低洼国土以及防洪大坝构筑方面有大量投入,推动了其静力触探技术的蓬勃发展。美国自20世纪70年代以来在应用海上静力触探实验方面发展也比较快,如：制造了应用于海洋勘探的圆锥静力触探仪,并在水深超过1200m的圣地亚哥海沟中的海底松软沉积物中成功地进行了实验[1]。

我国海上静力触探技术的研究应用起步比较晚,目前尚属于起步阶段,技术与国外差距比较大。2007年6月我国中海油田服务股份有限公司物探事业部工程勘察中心从国外引进了中国大陆第一套井下深海静力触探系统,并进行了第一次完全由国内技术人员参与的深海静力触探实验。静力触探技术在我国海上主要应用于油气田开发、钻井船插桩、海底管道及海底电缆(光缆)路由调查等海洋勘察工程,其使用的探头和仪器主要由国外研制。海洋工程地质勘察中平台的桩基础分析和钻井船插桩深度分析主要是基于土的参数而进行的。现今国内海洋工程地质勘察主要采取常规钻孔取样和CPT测试相结合的方式来确定土的参数,进而使用美国API RP 2A规范中推荐的桩基础和浅基础的计算方法来进行平台的桩基础分析和钻井船的插桩深度分析。

2 CPT实测原始参数

CPT原始数据是由Wison-APB downhole CPT系统所带测试数据采集软件(GoOnsite)所采集的,所测得的锥尖阻力、侧摩阻力和孔隙水压力是地基土物理力学性质和物理性质的综合反映,图2.1为CPT探头贯入粘性土中所产生的三个指标随深度变化的曲线示意图。图2.2给出了本井场CPT测试的三条曲线： 锥端阻力、侧摩阻力和孔隙水压力随土深度变化曲线。从而得到土体各深度的锥端阻力、侧摩阻力和孔隙水压力。通过对原始数据的解释和结合工程地质调查得到的土质资料给出了自升式钻井船插桩所需的参数。

3 CPT资料解释

国内CPT测试结果主要用于划分土层、估算粘性土的不排水抗剪强度和粒状土的相对密实度。土层中所测得的锥尖阻力和通过试验室土质试验能得到粘性的不排水抗剪强度。摩阻比和超孔隙水压力数据一般支持对粘性土和砂性土的分类,同时还能直观地判定出砂土与粘土迭层和互层土。

3.1 粘性土抗剪强度估计

粘性土的不排水抗剪强度可以根据CPT测试结果来估算[5]。其公式为：

图2.1 CPT测试的示意图Fig. 2.1 Schematic view of cone penetration test

图2.2 南海某井场CPT实验测试结果Fig. 2.2 Cone penetration test result

图3.1 相对密实度剖面Fig. 3.1 Relative Density Profile

图3.2 超固结比剖面Fig. 3.2 Overconsolidation Ratio Profile

图3.3 灵敏度剖面Fig. 3.3 Sensitivity Index Profile

表1 设计参数表Tab.1 Tabulation of design parameters

式中,cu=不排水抗剪强度

qt=校正后的PCPT锥尖阻力

σvo=总上覆压力(包括静水压力)

Nkt=锥头系数

有关资料所推荐的有代表性的Nkt系数的取值范围为4至30。对于本次调查的场址,依据此海域的经验性,我们所采用的Nkt系数的取值范围为20至25。

3.2 粒状土相对密度估计

粒状土的内摩擦角通常根据CPT测试得出的相对密度和颗分试验得出的土的级配之间的关系而选定。CPT测试提供了海底面以下土质状况的连续记录,能反映出粒状土的原位密实度状态。

Baldi等(1986)提出的方法可用来估计粒状土的相对密实度[6]。Baldi等(1986)推荐的估计粒状土相对密度(Dr)的公式为：

根据CPT解释结果表明(见图3.1)：本场址粒状土的相对密度在入泥深度13.6m以上一般为松散到中密实,该深度以下为密实到非常密实。

3.3 粘性土的固结状态

上世纪八十年代以来,根据CPT资料估计OCR总结出了很多OCR和不同形式的归一化孔隙压力和归一化锥尖阻力之间的关系[7]。对于有较少经验可供利用的土质,超固结比(OCR)可以由以下公式估计：

式中,k值的取值范围为0.2至0.5,平均值为0.3。高值一般用于重度超固结的粘性土。

根据以上方法做出该场址粘性土超固结比剖面(见图3.2)。由图3.2所示的粘性土超固结比剖面可以判断：该场址揭露深度范围内的粘性土一般为超固结土。

3.4 粘性土的灵敏度

粘性土的灵敏度(St)定义为原状土的抗剪强度与扰动土的抗剪强度之比。灵敏度(St)可以根据由CPT得出的摩阻比(Rf)来估计[5]。其表达式为：式中Ns为一常量。对于本场址的土质条件,Ns取值为6.0。

以上分析方法所得出的敏度剖面见(图3.3),结果表明：本场址粘性土的灵敏度指数为2到5。

4 海洋石油941号钻井船插桩深度分析

4.1 土质设计参数

CPT测试和解释结果可以看出,0～1.8m锥尖阻力较大为2～4兆帕,孔隙水压力为负值,密实度为中密实;1.8～7.3m锥尖阻力较小,孔隙水压力为正值,锥尖阻力成锯齿状,夹大量的锥尖阻力稍大的砂土细层和微细层。结合取样资料可以判断出第一层为中密实的粉质细砂,设计内摩擦角为25度。第二层为粉质粘土夹大量的粉土微细层,按互层土取参数,设计抗剪强度35kPa,设计内摩擦角20度。

4.2 海洋石油941钻井船的参数

海洋石油941号钻井船为三腿自升式移动钻井船。其桩脚式基础的最宽部分面积为254m2,有效直径为18.0m。预压载时,每只桩脚的最大预压载为112.2MN(11 436t)。桩靴示意图见图4.1。

4.3 海洋石油941号钻井船的承载力分析

当施加的基础荷载等于或大于土的极限承载力时桩脚尖贯入就会发生,近似于圆形或者方形基础的极限承载力(Q)[1],用下式计算：

式中：qn=桩脚尖的单位面积极限承载力

=SuNc.........用于不排水(粘性)土

图4.1 海洋石油941钻井船桩靴示意图Fig. 4.1 Footing configuration schematic view of hai yang shi you-941

图4.2 极限桩脚载荷与桩脚尖入泥深度关系曲线Fig. 4.2 Ultimate leg load vs footing tip penetration curve

=0.3γ2BNr+P0(Nq-1)....用于排水粒状土

P0=桩脚尖深度处的有效上覆压力

Nq,Nr=据内摩擦角而定的排水粒状土无量纲承载力系数

Nc=不排水粘土的无量纲承载力系数

=6(1+0.2D/B)≤9

Su=桩脚尖下B/2深度以内平均不排水抗剪强度

γ1=由桩脚尖排出土的平均有效重度

γ2=桩脚尖下B/2以内土的平均有效重度

B=桩脚尖的直径(最宽截面)

D=桩脚尖入泥深度(最宽截面)

A=桩脚尖的最大平面积

V=桩脚尖的体积

钻井船桩脚尖穿过土层后所形成的孔隙,假设是由回填土充满的。排水粒状土(硅质土)的承载力系数Nq和Nr的典型值在API RP 2A中关于浅基础一节中给出。

4.4 刺穿分析

当一硬粘土层或粒状土层之下潜伏着一层软粘土层时,上下之间承载力的不同可能会存在桩脚尖潜在的刺穿危险。3：1荷载扩展分析法[3,4]亦常用于实际分析中,这个方法假定施加在上层(硬土层)上的基础荷载被扩展通过硬层,在软弱层的顶面产生一假设的等效基础。通过硬层的扩展比例为1：3(水平方向：垂直方向),如果施加在等效基础上的压力超过下层土的承载力,则穿刺将会发生。在这种情况下,穿刺的安全性主要取决于上覆硬层的厚度。穿刺分析中承载力qn的表达式为：

式中：Ap'=等效基础面积=Ap[1+2H/3B]2

B'=等效基础直径=B+[2/3]H

D'=等效基础深度=D+H

Ap=实际基础面积

H=实际基础面之下硬土层的厚度

B=实际基础直径

D=实际基础深度

qn(硬层)=假设硬土层无限厚时的承载力

4.5 钻井船承载力分析

海洋石油941号钻井船插桩深度分析时,对于1.8m到7.3m的土层,进行承载力分析时,按照排水条件和不排水条件来考虑。按照此种土体破坏模型得出如下结果：上限：1.8m到7.3m的土层按照排水条件考虑,海洋石油941号钻井船在112.2MN(11436t)的单桩最大预压载下桩脚尖部的入泥深度为4.7m;下限：1.8m到7.3m的土层按照不排水条件考虑,海洋石油941号钻井船在112.2MN

(11436t)的单桩最大预压载下桩脚尖部的入泥深度为9.5m。实际的插桩结果为：三个桩腿的入泥深度分别为9.0m、5.1m和9.5m,与计算的结果较吻合（如图4.2）。

5 结语

在钻井船插桩入泥深度分析中,最主要的两个步骤为土质参数的确定以及承载力分析方法的选择,对于粘性土和粒状土组成的迭层土或互层土,土的破坏模型还与钻井船桩靴的压载速率有关,钻井船采取多级低增量缓慢压载时,迭层土破坏模式表现为排水性质;钻井船采取多增量快速压载时,迭层土破坏模式表现为不排水性质。文中通过CPT测试得出的粘性土的不排水抗剪强度、灵敏度、超固结比和砂土的相对密实度以及土的包含物的确定给出了该井场土质的设计参数。采用Skemptom公式,通过TehKL方法较为准确的预测了海洋石油941号钻井船的插桩入泥深度。

[1]陈培雄,刘奎,等.静力触探技术在东海陆架工程勘察中的应用研究.海洋学研究,2011(4).

[2]American Petroleum Institute, "Recommended Practice for Planning,Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design", API RP 2A - WSD, 21st Ed.,December 2000.

[3]TehKL, LeungCF, ChowYK, etal. Analysis of spudcan installation through loose sand into clay [C]//1st Jack-up Asia Conference and Exhibition, Singapore, 2006：2-9.

[4]TehKL. Punch-through of spudcan foundation in sand overlying clay [D]. Singapore： National University of Singapore, 2007.

[5]SCHMERTMANN, J. H., Guidelines for cone penetration tests：Performance and Design, U.S. Department of Transportation,Federal Highway Administration Office of Research and Development, Washington, D.C., Report TS-78-209,1978.

[6]BALDI,G.,BELLOTTI R.,GHIONNA,V., JAMIOLKOWSKI,M.and PASQUALINI E.,Interpretation of CPT's and CPTU's, 2nd Part： Drained Penetration in Sands,Fourth Intl.Geotechnical Seminar Field Instrumentation and In Situ Measurements,Nanyang Technological Institute,Singapore, November,1986,pp. 143-156.

[7]Powell,J.J.M.and Quarterman,R.S.T.,Guidelines for geotechnical design using CPT and CPTU,University of british Columbia,Vancouver,Deparment of Civil Engineering,Soil Mechanics Series 120,1988.