基于标贯数的自升式平台桩腿贯入深度预测方法研究

祁 磊，刘振纹，赵开龙，许 浩

1.中国石油集团工程技术研究院，天津 300451

2.中国石油集团海洋工程重点实验室，天津 300451

基于标贯数的自升式平台桩腿贯入深度预测方法研究

祁 磊1，2，刘振纹1，2，赵开龙1，2，许 浩1，2

1.中国石油集团工程技术研究院，天津 300451

2.中国石油集团海洋工程重点实验室，天津 300451

准确预测自升式平台插桩深度是保障平台安全作业的前提。结合海洋岩土工程调查方法，探讨一种新的基于标贯数的平台桩腿/桩靴贯入深度计算方法。在简要介绍了现有自升式平台桩腿/桩靴基础承载力计算方法的基础上，详细论述了标贯数的确定、承载力计算方法、标准锤击数与现场锤击数的关系等基于标贯数的平台桩腿/桩靴基础承载力计算方法。而后结合自升式平台在冀东油田多个井位的井场勘察数据，采用本方法对其多个井位、多种不同形式的平台进行了计算。结果表明，大部分井位的计算精度较高，但仍旧存在一些离散性，主要原因在于不同的海洋工程地质条件与本方法中所推荐的标贯锤击数影响系数不一样。同时还发现，在砂性土中计算结果较为准确，而黏性土计算结果相对离散，这主要是因为标贯试验对于饱和黏土的测试精度较差。该方法可作为传统计算方法的一种参考，可大大节约时间和费用。

自升式平台；插桩深度；预测方法；标贯数；承载力

随着滩浅海油气开发的拓展，自升式平台在海洋钻修井作业中发挥了越来越重要的作用。自升式平台插桩压载作业是保障平台安全作业的前提，因而插桩深度预测的准确性非常重要。目前插桩承载力主要根据土体参数进行计算[1]，土体参数的准确性对结果的影响非常大。本文将在传统计算方法的基础上，结合海洋岩土工程调查方法，探讨一种新的自升式平台桩靴/桩腿插桩深度的计算方法，也就是采用基于标贯数的自升式平台平台桩腿/桩靴贯入深度计算方法。

1 现有自升式平台桩腿/桩靴基础承载力计算方法

自升式平台在插桩压载作业前都需要通过工程地质勘察来确定土体的工程地质参数，用于计算自升式平台桩腿（靴）插桩深度。主要获得土体容重、砂土的摩擦角、黏土的黏聚力等参数。然后根据这些参数分别选用砂土或黏土的承载力计算公式进行每层土体承载力的计算，进而得到承载力-贯入深度曲线，最终得到插桩深度[1-2]。

工程地质参数的获取主要有两种方法：原位测试和室内土工试验法[1-2]。目前国内原位测试法主要采用标准贯入试验、十字板剪切试验法。标贯主要用于确定砂土的液化，而用于计算插桩深度的黏土抗剪强度、砂土内摩擦角等相关参数主要通过直剪、三轴剪切等土工室内试验法获取。但土工室内试验土样是通过钻孔取样获取的，原状土样因受取样技术、运输、保存方法的影响，土样经常受到扰动，因而丧失了土体的原位特性，导致土工室内试验所获取的土体参数不准确。我们在勘察报告中经常会发现标贯数很大而砂土摩擦角却很小的情况，同时试验过程中不规范的试验操作也会影响试验的结果，不准确的土体参数往往会使预测的自升式平台桩腿（靴）插桩深度与实际插深差别很大，甚至导致实际插桩发生穿刺、滑移的风险，这对于自升式平台的安全作业提出了严峻的挑战。同时海洋土直剪、三轴等室内试验不仅耗费时间，而且费用高昂，工作量巨大。

标准贯入试验（standard penetration test，SPT）是原位动力触探的一种，是在现场测定砂或黏性土地基承载力的一种方法。主要是用一定重量的锤，自一定高度自由落下，将贯入器击入土中30 cm，以此得到锤击数，并根据锤击数来判断土体特性。来自自升式平台井场勘察的标贯试验结果一般用来判断砂土的液化。然而标贯与土体的承载力存在一定关系，因此本文提出采用标贯试验的标贯数来确定自升式平台桩腿（靴）贯入深度的方法。

2 基于标贯数的平台桩腿/桩靴基础承载力计算方法

用标贯击数N预测自升式平台桩腿（靴）贯入深度的方法，需要在土体参数与标贯数之间建立一种关系。标贯击数直接反映的是土体的强度，标贯击数越大说明土体强度越强，因而必然存在如下一种关系式。

式中：Q为基础总的极限承载力，kN；γ为土体水下容重，kN/m3；N为标贯击数，次；h为地层深度，m；β为桩体等相关参数。

采用基于标贯数的平台桩腿/桩靴基础承载力计算方法有两个问题需要考虑：一是标贯击数的测试方法和定义；二是公式的选取。

2.1 标贯数的确定

目前对于海上工程地质调查有两套国标可依：一是SY/T 6707-2008《海洋井场调查规范》[3]，二是GB 17503-2009《海上平台场址工程地质勘察规范》[4]。这两套规范都对标贯试验进行了规定，但却存在差别。GB 17503-2009在标贯试验中依据的是GB 50021-2001规范，该规范规定了标贯锤质量为63.5 kg，落距为76 cm；而SY/T 6707-2008规定的锤质量为79.5 kg，落距为0.91 m，两者存在差异。不同的试验设备规格及规定将会使所获得试验数据存在很大不同，本文对该方法所选用的试验设备和方法进行了限定，对于水深小于10 m，选用标贯锤质量为63.5 kg，落距为76 cm；而对于水深大于10 m的海域，选用锤质量为79.5 kg，落距为0.91 m。

对于水深大于10 m，其土体标贯试验步骤如下：取标贯锤质量为79.5 kg，锤的落距为0.91 m，锤速控制在30击/min，贯入器打入15 cm后，记录每打入10 cm的锤击数，并累计打入30 cm的锤击数，将打入30cm的锤击数记为标准贯入击数N，若锤击数达到50，而贯入深度未达30 cm时，记录实际贯入深度并终止试验。

2.2 承载力计算方法[5-8]

获得土体的标贯数后，就需要建立标贯数与承载力间的关系。参考API、SNAME等规范，提出自升式平台桩腿（靴）在不同土体中的极限承载力计算公式。目前在渤海湾工作的有不带桩靴的自升式平台，该平台插桩过程中桩腿承受侧摩阻力，它是总承载力的重要组成部分；而带桩靴的平台因桩靴尺寸较大，桩腿部分不存在侧摩阻力或侧摩阻力很小，因而可以忽略。这两种形式的极限承载力计算公式如下。

带桩靴平台的单桩极限承载力为：

不带桩靴平台的单桩极限承载力为：

式中：Q为单桩总的极限承载力，kN；Qs为桩侧摩阻力，kN；Qp为桩腿端部极限承载力，kN；q为单位面积桩端承载力，kN/m2；Ap为桩腿（靴）底端投影面积，m2；f为单位面积侧摩阻力，kN/m2；As为桩侧表面积，m2。

对于黏性土：

对于砂土：

式中：α为侧摩系数；β为桩端系数；D为桩腿入泥深度，m；B为桩腿直径，m；P0为桩端处的平均有效上覆土压力，Pa。

最后根据计算出的不同土层深度h、不同及相应的土层极限承载力Q值，绘制Q-h曲线（如图1所示），再根据平台单桩所受荷载，在曲线上确定自升式平台桩腿（靴）最终贯入深度。

图1 桩腿贯入深度曲线（Q-h曲线）

2.3 标准锤击数与现场锤击数的关系

计算公式中的锤击数并不是实际锤击数，因不同的海洋环境对锤击数会产生一定的影响，而砂土、粉土以及黏性土等不同土体类型对锤击数影响更大，因此需对现场锤击数根据不同土体类型等进行修正，现场锤击数与标准贯入击数换算公式为：

式中：N为标准贯入击数，次；μ为海洋环境影响系数；ω为土体类型影响系数；N1为现场锤击数，次。

3 计算方法的应用

结合自升式平台在冀东油田多个井位的井场勘察数据，拟合出适合于冀东油田的标贯锤击数影响系数μ和ω。并采用本方法对冀东油田多个井位、多种不同形式的平台进行了桩腿（靴）贯入深度计算，计算结果如表1所示。

计算表明：插桩深度计算结果对于大多数井位精度较高，但仍旧存在一些离散性。因而采用本方法时需要结合相关海域的工程地质条件对相关参数进行修正。同时在应用该方法中还发现，在砂性土中插桩深度计算结果较为准确，而黏性土计算结果离散较大，这主要是因为海底黏土一般为饱和黏性土，标贯试验对于饱和黏土的测试精度较差，但这可根据十字板剪切试验等其他原位试验进行进一步的修正。

表1 部分井位计算出的插桩深度

4 结束语

本文探讨一种新的自升式平台桩靴/桩腿插桩深度的计算方法，直接采用原位测试方法的标贯击数来进行自升式平台桩腿（靴）贯入深度的计算，通过分析标贯设备的规格、不同土体中单桩极限承载力的计算公式，以及标准锤击数与现场锤击数的差异和关系，提出了该公式的适用范围和注意事项，该公式可作为传统计算方法的一种参考，可大大节约时间和费用。

[1]Society of Naval Architects&Marine Engineers（SNAME）. Guidelines for Site Specific Assessment of Mobile Jack-up Units（2002）[S].

[2]HSE RR（UK），Guidelines for jack-up rigs with particular reference to foundation stability[S].

[3]SY/T6707-2008，海洋井场调查规范[S].

[4]GB 17503-2009，海上平台场址工程地质勘察规范[S].

[5]和鹏飞.某自升式平台在浅层气区域插桩可行性分析与实践[J].石油工程建设，2017，43（2）：35-38，49.

[6]邓海峰.复杂地层条件下升升式平台桩腿插桩深度对比分析[J].石油工程建设，2015，41（5）：12-15.

[7]刘允杭，杨旬.自升式钻井平台新型拨桩探泥器的研制[J].石油工程建设，2013，39（6）：38-40.

[8]秦立成，李宏，于文太，等.荔湾3-1平台水下桩基动力检测技术的应用[J].石油工程建设，2015，41（2）：20-24.

Prediction method research on penetration depth of jack-up platform pile leg /spudcan based on SPTblowcount

QILei1，2，LIU Zhenwen1，2，ZHAO Kailong1，2，XU Hao1，2

A new prediction method of penetration depth of jack-up platform pile leg/spudcan based on SPT blowcount is discussed.SPT blowcount determination，bearing capacity calculation method，relationship between standard SPT blowcount and in-situ SPT blowcout are illustrated in detail.This method is applied for several wellsites and jack-up platforms in Jidong Oilfield based on in-situ investigation data.The results show that the calculated predicted pile leg/spudcan penetration depth of most wellsites is relatively high，but some discreteness exists；the calculation accuracy is higher for sandy soil than for clay.This method may be taken as the reference of traditional calculation method due to its time and cost saving.

jack-up platform；pile penetration depth；prediction method；SPTblowcount；bearing capacity

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.03.008

祁 磊（1982-），男，山东烟台人，工程师，2009年毕业于哈尔滨工程大学船舶与海洋结构物设计制造专业，硕士，现从事海洋工程相关的科研工作。Email：qilei01@cnpc.com.cn

2016-12-19