遗留桩坑对自升式平台滑移风险的影响及对策

毛东风，张明辉，张来斌，段梦兰，宋林松（. 中国石油大学（北京）海洋油气研究中心；. 国家安全生产监督管理总局油气安全工程技术研究中心；. 中海油田服务股份有限公司）

遗留桩坑对自升式平台滑移风险的影响及对策

毛东风1, 2，张明辉1, 2，张来斌2，段梦兰1，宋林松3
（1. 中国石油大学（北京）海洋油气研究中心；2. 国家安全生产监督管理总局油气安全工程技术研究中心；3. 中海油田服务股份有限公司）

摘要：运用有限元分析方法研究了前期作业遗留桩坑对自升式钻井平台滑移风险的影响，提出了降低滑移风险的对策，并进行了实例分析。考虑流体在孔隙结构中的渗流、滑动摩擦接触以及材料与几何非线性，建立了桩-土相互作用的流固耦合有限元模型，通过数值模拟结果与已发表文献中实验结果的对比，验证了模型的可靠性。利用建立的模型分析了前期作业遗留桩坑影响下的桩基土体破坏过程、运移形式及遗留桩坑对桩-土相互作用的影响，结果表明：插桩初期遗留桩坑底部与桩靴底部出现塑性破坏区域，然后破坏区域随着压载的增加不断增大，直至形成连续滑移面；桩靴周围土体的运移形式随着桩靴与遗留桩坑距离的增大出现明显变化；随着桩靴-遗留桩坑中心距的增大，峰值水平滑移力先增大再逐渐减小。在最终位置插桩前以适当的距离和深度进行试踩可有效降低平台滑移风险。图12表1参13关键词：遗留桩坑；自升式平台；钻井平台；平台滑移；桩-土作用；桩靴

0　引言

随着作业频次的增加，自升式钻井平台在相近或同一位置二次甚至是多次插桩作业的情况越来越多。“踩脚印”问题越来越多地威胁着自升式钻井平台的作业安全。遗留桩坑（老脚印）导致的不均匀承载力可能使桩靴在插桩过程中滑向遗留桩坑 ，当几个桩腿向不同方向倾斜时，可能造成桩腿与平台卡住，导致钻井平台不能升起，严重影响桩腿乃至整个平台结构的安全。桩靴滑移趋势由水平滑移力的大小和桩靴对桩腿与船体连接处的力矩大小决定。约1/3的插拔桩事故与地基有关，而其中的15%源于遗留桩坑[1]。

根据相关规范[2]，原则上在插桩过程中不允许桩靴接近遗留桩坑或与遗留桩坑部分重合，当情况不可避免时，尽可能使用与之前完全相同的装置在完全相同的地点作业。然而，每一平台的设计都互不相同且其部署也受多种因素影响，显然现有规范已不足以保证平台在遗留桩坑附近的安全作业。由于踩脚印问题涉及非线性渗流、材料与几何非线性、流固耦合、插桩过程中的滑移接触摩擦、数值模拟收敛等复杂问题[3]，迄今为止，国内外只有极少数关于遗留桩坑问题的研究。国外的研究始于20世纪90年代，主要通过建立桩-土相互作用实验模型研究遗留桩坑存在条件下桩-土之间的相互作用，模拟压桩过程中的土体破坏情况：Stewart D P等[4]通过离心机模拟实验研究了桩腿的抗弯强度对遗留桩坑存在条件下桩-土相互作用的影响、桩靴与遗留桩坑的距离对滑移的影响；Cassidy M J等[5]通过实验模拟了不同预压载下的压桩过程，提出桩靴所受水平力矩将随压载增大而增加；Teh K L等[6]开展了一系列实验以确定海床角度和遗留桩坑对滑移的影响，发现遗留桩坑产生的桩靴水平滑移力远大于海床斜面产生的桩靴水平滑移力；Jardine R J等[7]指出将三维桩-土接触问题理想化为平面应变问题可以从工程上给出足够精确的预测。目前国内外对于遗留桩坑问题的研究尚不充分，公开发表的相关文献也很有限。因此，本文对插桩过程中桩-土耦合作用有限元模型的建立及参数处理方法进行探讨，采用ABAQUS软件对遗留桩坑影响下的桩-土相互作用、桩基土体的破坏形式以及桩靴-遗留桩坑距离对平台滑移的影响进行研究，得到水平滑移力变化规律，并通过与实验结果对比进行验证，在此基础上提出应对方案并进行实例分析。

1　分析方法与计算模型

在分析遗留桩坑影响下的桩-土相互作用时，应进行流体的渗流-应力耦合计算。本文采用不排水总应力分析方法，即总应力为有效应力与考虑饱和度的静水压力之和，则得到垂直方向平衡方程：

考虑流体渗流-应力耦合，计算时有限元网格固定在土骨架上，在满足流体连续方程前提下，流体可以流过网格，流体的非线性渗流采用Forchheimer渗流定律[8]模拟。假设土体为理想弹塑性体，即土体本构模型为摩尔-库仑模型[9]，且假定其弹性模量与不排水抗剪强度近似成比例，取前者为后者的500倍。摩尔-库仑强度准则[9]为：

其中

选取桩靴与遗留桩坑中心连线所在垂直面建立有限元二维模型（见图1）。遗留桩坑直径为D，深度为d，为降低模型边界对数值模拟精度的影响，取土体宽度为15D，深度为7d。为避免有限元计算过程中的“自锁”现象并提高计算精度，采用2阶减缩单元，土体采用8节点平面应变孔压单元（CPE8PR）。对于桩-土接触，需在其表面定义接触属性以模拟二者之间力的传递和相对位移。采用主、从接触算法，选取桩靴表面为主动面，土体表面为被动面[10]，桩-土接触采用罚函数形式，切向接触服从库仑摩擦定律[9]，法向接触采用硬接触形式，不允许桩靴与土体之间相互穿透，允许桩靴与周围土体发生分离[10]。为了得到准确的桩靴水平滑移力-垂直方向位移曲线，选择位移控制法进行加载。为了降低收敛难度，对桩靴尖端进行简化，鉴于典型锥形桩靴侧面积比底面积小很多，忽略桩靴侧面摩擦阻力。取不排水黏性土摩擦系数0.2～0.3，排水粒状土的摩擦系数为tanδ。

图1　有限元模型

由于自重应力场作用下土体不变形，计算时应首先进行初始地应力平衡。一般涉及土体的模拟常采用Geostatic分析步计算得到，与给定初始条件相对应的应力平衡状态作为后续分析的初始应力场，然而遗留桩坑的存在使得此法难以奏效。本文采用适用于复杂地形的地应力平衡法，即通过在初始条件（*INITIAL CONDITIONS）中导入应力文件实现。此外，考虑桩靴贯入深度较大时会引起土体变形严重，采用ALE（任意拉格朗日-欧拉方法）自适应网格以避免出现巨大的扭曲或变形从而保证计算的精确性。

参照西澳大学Gan C T等[5,11-13]的离心机实验数据，利用上述建模方法建立二维及三维有限元模型，经数值模拟计算得到桩靴于不同深度时各接触单元上的水平力分量，求和得到水平滑移力（见图2），并与实验结果[5, 11-13]（见图3）进行对比。结果表明，二维及三维数值模拟结果与实验结果吻合程度均较好，验证了本文计算模型的可靠性。由于三维模型运算时间长、收敛难度大，本文选用二维模型进行分析。

图2　数值模拟结果

图3　离心机实验结果

2　遗留桩坑对平台滑移的影响

2.1 桩靴周围土体破坏过程

采用建立的有限元模型分析桩靴周围的土体破坏过程，取桩靴-遗留桩坑中心距L=0.75 D（D=6 m，d=6 m），采用的单层黏土参数为：有效密度860 kg/m3，黏聚力20 kPa，内摩擦角0°。

桩靴周围土体的破坏过程分为3个阶段：①塑性破坏开始出现于遗留桩坑底部边缘（见图4a）；②随着压载的增大，遗留桩坑底部的破坏区域扩大并开始在桩靴周围远离遗留桩坑一侧土体出现塑性破坏区域（见图4b）；③当土体彻底破坏时，塑性破坏区域扩大成为连续滑移面（见图4c）。

2.2 桩靴-遗留桩坑中心距对土体运移方式的影响

图5为当桩靴达到预计深度时不同桩靴-遗留桩坑中心距条件下桩靴周围土体的位移矢量图，可以看出：遗留桩坑底部土体有明显的隆起趋势，且靠近遗留桩坑一侧的土体向遗留桩坑一侧显著运移；随着中心距的增大，桩靴下方土体基本随桩靴下移，而大部分靠近遗留桩坑一侧的土体向遗留桩坑移动，少部分随着桩靴边缘下移。

2.3 桩靴-遗留桩坑中心距对平台滑移的影响

图4　桩靴周围土体破坏过程

图5　不同桩靴-遗留桩坑中心距条件下压桩结束时的土体位移矢量图

图6为不同桩靴-遗留桩坑中心距条件下桩靴所受水平滑移力与其垂直方向位移的关系，表1为桩靴在不同桩靴-遗留桩坑中心距下的峰值水平滑移力，可以看出：随着中心距的增大，桩靴所受水平滑移力峰值不断增大，至中心距4 m时产生最大的峰值水平滑移力，随后峰值水平滑移力随中心距的增大逐渐减小。为进一步研究桩靴峰值水平滑移力与中心距的关系，将桩靴与遗留桩坑的距离无因次化（见表1）。

图6　不同中心距下桩靴水平滑移力-垂直方向位移关系

表1　桩靴在不同桩靴-遗留桩坑中心距下的峰值水平滑移力

对于踩脚印问题，桩靴所受水平滑移力与土体强 度、遗留桩坑尺寸、桩靴直径以及桩靴与遗留桩坑距 离有关，本文仅考虑桩靴-遗留桩坑中心距对峰值水平 滑移力的影响。根据表1中的数据，并考虑中心距为 零时由于桩靴与遗留桩坑重合水平滑移力为零，利用 MATLAB软件拟合得到峰值水平滑移力与中心距、遗 留桩坑直径比值间的关系式：

图7为峰值水平滑移力与桩靴-遗留桩坑距离的拟合曲线，可以看出：峰值水平滑移力随中心距的增加先增大后减小，在中心距与遗留桩坑直径之比为0.75时产生最大峰值水平滑移力。此外，当中心距与遗留桩坑直径之比大于等于5时，峰值水平滑移力趋近于零，此时遗留桩坑对滑移的影响可以忽略。

图7　峰值水平滑移力与桩靴-遗留桩坑距离拟合曲线

3　踩脚印问题对策

针对踩脚印问题，本文提出“试踩”的对策。所谓“试踩”是指自升式平台在最终位置插桩前在距遗留桩坑适当距离处按照一定的深度先进行预压载，以使部分桩基土体滑进遗留桩坑，从而减小水平滑移力。例如，将图7所示最危险的情况（L=0.75D）作为最终插桩位置，以中心距1.00D、1.25D、1.50D、1.75D和2.00D分别进行试踩。有限元模型除了地基土为双层土之外，其余与图1相似。对于中国某一典型水域区块，设计插桩深度为7 m，第1层土为黏土，厚度5 m，黏聚力11 kPa，第2层土为沙土，内摩擦角15°。

图8为直接在最终位置插桩就位（无试踩）时桩靴在不同深度下的水平滑移力，可以看出：在第1层土中插桩时水平滑移力较小，在第2层土中插桩时水平滑移力增长很快且可能导致桩腿结构损坏。

图8　直接插桩时桩靴在不同深度下水平滑移力

图9为在不同中心距处进行试踩时桩靴在不同深度下的水平滑移力，可以看出：在中心距大于1.25D处试踩时的水平滑移力已大幅减少，即在此条件下试踩后可以安全插桩。

图9　不同中心距处试踩时桩靴在不同深度下水平滑移力

图10为在不同中心距处进行试踩后桩靴在最终位置插桩就位时的水平滑移力，由于在1.25D处试踩时的峰值水平滑移力最小，建议试踩中心距为1.25D。

图10　不同中心距处试踩后在最终位置插桩时水平滑移力

综合考虑在中心距1.25D处试踩时的承载力曲线（见图11）及不同试踩深度试踩后在最终位置插桩时的水平滑移力曲线（见图12），建议试踩深度为7 m。

图11　中心距1.25D处试踩时的承载力曲线

图12　不同试踩深度试踩后在最终位置插桩时的水平滑移力

4　结论

基于遗留桩坑影响下桩-土相互作用的分析，建立了有限元模型，模型可靠性得到了实验数据的验证。利用建立的模型进行分析后发现：①在遗留桩坑影响下，插桩初期遗留桩坑底部与桩靴底部出现塑性破坏区域，然后破坏区域随着压载的增加不断增大，直至形成连续滑移面。②桩靴下方及靠近遗留桩坑一侧土体的运移形式随着桩靴与遗留桩坑距离的增大出现明显变化。③随着桩靴-遗留桩坑中心距的增大，桩靴所受峰值水平滑移力先增大再逐渐减小，直至趋近于零，此时遗留桩坑对平台滑移的影响可以忽略。

在最终位置插桩之前，以适当的距离和深度进行试踩，将极大地减小桩靴水平滑移力、降低平台滑移风险。

符号注释：

[1]Dier A, Carroll B, Abolfathi S. Guidelines for jack-up rigs with particular reference to foundation integrity[M]. Cork, Ireland: MSL Engineering Limited, 2004.

[2]SNAME. Guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units[M]. New Jersey: SNAME, 2002.

[3]Hossain M S, Randolph M F. Overview of spudcan performance on clays[C]//Proceedings of the 2nd Jack-up Asia Conference & Exhibition. Singapore: SNAME, 2008.

[4]Stewart D P, Finnie I M S. Spudcan-footprint interaction during jack-up workovers[C]//Proceedings of the 11th International Offshore & Polar Engineering Conference. Stavanger, Norway: International Society of Offshore and Polar Engineers, 2001: 61-65. [5]Cassidy M J, Quah C K, Foo K S. Experimental investigation of the reinstallation of spudcan footings close to existing footprints[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2009, 135(4): 474-486.

[6]Teh K L, Byrne B W, Houlsby G T. Effects of seabed irregularities on

loads developed in legs of jack-up units[C]//Proceedings of Petromin

Jack-up Asia Conference. Singapore: Singapore National University, 2006. [7]Jardine R J, Kovacevic N, Hoyle M J R, et al. Assessing the effects on jack-up structures of eccentric installation over infilled craters[C]//Proceedings of the International Conference of Offshore Site Investigation and Geotechnics: Diversity and sustainability. London: Society for Underwater Technology, 2002: 307-324.

[8]Hibbitt D, Karlsson B, Sorensen P. ABAQUS scripting user’s manual for version 6.3[M]. Pawtucket, USA: HKS, 2002.

[9]李广信. 高等土力学[M]. 北京: 清华大学出版社, 2004. Li Guangxin. Advanced soil mechanics[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2004.

[10]庄茁, 张帆, 岑松, 等. ABAQUS非线性有限元分析与实例[M]. 北京: 科学出版社, 2005.

Zhuang Zhuo, Zhang Fan, Ceng Song, et al. ABAQUS nonlinear finite element analysis and samples [M]. Beijing: Science Press, 2005. [11]Gan C T, Cassidy M J, Donovan T. Spudcan reinstallation near existing footprints[C]//Proceedings of the 6th International Conference of Offshore Site Investigation and Geotechnics: Confronting new challenges and sharing knowledge. London: Society of Underwater Technology, 2007: 285-292.

[12]Kong V W, Cassidy M J, Gan C T. Experimental study of the effect of geometry on the reinstallation of a jack-up next to a footprint[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2013, 50(5): 557-573.

[13]Gan C T, Leung C F, Cassidy M J, et al. Effect of time on spudcan footprint interaction in clay[J]. Geotechnique, 2012, 62(5): 402-413.

（编辑 胡苇玮）

Sliding risk of jack-up platform re-installation close to existing footprint and its countermeasure

Mao Dongfeng1,2, Zhang Minghui1,2, Zhang Laibin2, Duan Menglan1, Song Linsong3
(1. Ocean Oil-Gas Research Center, China University of Petroleum, Beijing 102249, China; 2. SAWS Oil-Gas Safety Engineering Center, Beijing 102249, China; 3. China Oilfield Services Limited, Yanjiao 065201, China)

Abstract:Analysis on the sliding risk of jack-up platform re-installation close to the existing footprint is conducted with finite element method. An effective countermeasure to reduce the sliding risk is suggested and an example analysis for an existed jack-up platform re-installation in a typical block with two layer soil within design driving depth in China sea area is carried out. Taking into consideration fluid seepage in pore structure, sliding contact friction, and the material and geometric nonlinear properties, a fluid-solid coupling finite element model for the spudcan-soil interaction is constructed. By comparing the numerical simulation result with the experimental result published in the literature, the reliability of the finite element model is verified. With the model, the failure process, the movement pattern of foundation and the spudcan-soil interaction under the impact of the footprint are analyzed. The study shows: in pitching pile the plastic failure zone appears at the low corner close to the spudcan first, then the area beneath the spudcan, and the plastic area becomes larger to form a connecting region finally as the loading increases continuously; the migration pattern of soil around the spudcan changes sharply with the distance between the spudcan and the footprint increasing; at the same time the peak value of the horizontal sliding force increases first then decreases gradually. In the final pitching pile position, ‘stomping’ in advance in appropriate distance and depth can reduce the sliding risk of a jack-up platform re-installation effectively.

Key words:existing footprint; jack-up platform; drilling platform; sliding risk; spudcan-soil interaction; spudcan

收稿日期：2014-02-13 修回日期：2015-01-28

作者简介：第一毛东风（1962-），女，河北石家庄人，中国石油大学（北京）海洋油气研究中心、国家安全生产监督管理总局油气安全工程技术研究中心教授，主要从事海洋油气结构工程、海洋油气安全、管柱力学、流固耦合等方面的研究。地址：北京市昌平区府学路18号，中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，邮政编码：102249。E-mail：maodf@cup.edu.cn

DOI:10.11698/PED.2015.02.14

文章编号：1000-0747(2015)02-0233-05

文献标识码：A

中图分类号：TE53

基金项目：国家自然科学基金（51379214）；国家科技重大专项（2011ZX05027-005-001）