自升式平台桩腿穿刺分析及风险控制方法探讨

许 浩，刘振纹，祁 磊，邓海峰，李 春

中国石油集团工程技术研究有限公司，天津 300451

自升式平台桩腿穿刺分析及风险控制方法探讨

许 浩，刘振纹，祁 磊，邓海峰，李 春

中国石油集团工程技术研究有限公司，天津 300451

对于自升式平台，目前常用的桩腿穿刺可能性分析方法偏于保守。为此，首先提出了复杂多层土体的承载力计算方法，即先按单层土计算各层基础承载力，然后由下往上按双层土修正各层土的承载力；而后结合具体平台实例，通过有限元分析，进行平台桩腿穿刺安全性评价，给出平台桩腿极限穿刺深度；在上述研究的基础上，提出了控制穿刺风险的穿刺分析流程、穿刺风险规避措施；最后结合现场计算实例，验证了上述提出方法的准确性，验证结果表明平台预测插桩深度与实际插桩深度基本一致。

自升式平台；穿刺分析；复杂多层土体；风险控制

自升式平台桩腿穿刺，是指平台在升船插桩过程中，桩腿基础遇到硬壳层而桩靴施加的压载超过层状地基承载力时，地基土发生冲剪破坏，桩靴穿过硬土层进入软土层，由于承载力大幅度下降，造成平台桩腿迅速下沉。一旦穿刺发生，就可能引起桩腿损坏，船体倾斜，甚至翻沉。因此，在硬壳层发育的海区，平台桩腿基础的潜在穿刺危险是平台安全作业的严重威胁。

海底土硬壳层的承载能力受到下卧软土层的影响，一般会遭受不同程度的削弱。目前计算土层承载力的方法一般是基于单层土进行的[1]，没有充分考虑硬土层下的软土层对承载力的影响。本文依据双层土体的承载力计算方法[2]，提出了适用于复杂多层土体的承载力分析方法（所谓复杂多层土体，即不同类型的土体交替存在，硬土层下卧软土层或软土层下卧硬土层），可用于穿刺分析计算，并且基于桩腿结构强度的有限元分析，计算得到了平台的极限穿刺深度，形成了穿刺风险分析流程，可供相关实际工程参考。

1 复杂多层土体中桩腿穿刺的分析方法

1.1 承载力计算

目前无论是在国内还是国外，对多层土体的承载力分析研究较少。本文提出了一种复杂多层土体的承载力分析方法，首先按单层土计算各层基础承载力，然后由下往上按双层土修正各层土的承载力。具体的计算步骤如下：

假设土体按强度不同，分为n层：

（1）根据单层土承载力计算公式[2]，分别计算各层土在各自深度范围的基础承载力：FVti1、FVbi1，其中的右上角数字1表示采用单层土计算公式进行计算，i为土层编码，t表示土层顶端，b表示土层底端。某桩靴极限承载力曲线见图1。

（2）将第n层土顶部与底部的承载力分别设为：FVtn2、FVbn2，规定 FVtn2=FVtn1、FVbn2=FVbn1，其中的右上角数字2表示采用双层土计算公式进行计算。

图1 按照单层土体计算的桩靴极限承载力曲线

（3） 对比 FVb（n-1）1和 FVtn2的大小：若 FVb（n-1）1>FVtn2，则按照上硬下软的双层土计算公式[2]重新计算第n-1层、第n层土组成的组合土层，计算得到FVt（n-1）2；若FVb（n-1）1

（4）当为上硬下软土层时，按照穿刺计算分析方法进行计算，可分为上硬黏土层下软黏土层和上砂层下黏土层两种情况；当为上软下硬土层时，需要首先判断土体失效类型，当B≥3.45 T（1+1.1 D/B）时发生排挤，排挤失效采用排挤的计算方法[3]，其中B为桩靴最大横截面直径，T为软黏土层厚度，D为插桩深度。

（5）如步骤（3）、（4），计算第n-2层以上所有土层的极限承载力，并绘制出修正的桩靴贯入深度计算曲线，见图2。

图2 修正后的桩靴极限承载力曲线

1.2 桩靴形状与土层分界面的位置关系

对于复杂多层土体，为提高桩靴基础承载力计算精度，应充分考虑大直径桩靴形状与土层分界面的位置关系。在土层的分界面，应按桩靴实际形状进行分部计算。即当桩靴最大横截面位于上层土体时，由于倒锥形的存在，下层土体也将贡献一部分承载力，此时桩靴的承载力为桩靴上部形状在上层土体中对应的承载力和下部倒锥形在下层土体中对应的承载力之和，见图3。

其中图3（a）表示桩靴最大横截面位于海底泥面以上；图3（b）表示桩靴最大横截面位于土层分界面上；图3（c）表示桩靴整体位于某层土中；图3（d）表示桩靴的最大横截面位于上层土体中，倒锥形部分位于下层土中。

图3 桩靴与土层的位置关系

2 穿刺安全性评价

对于存在穿刺可能性的井位进行插桩分析时，利用穿刺安全系数[1]判断平台作业可行性的方法有时过于简单，甚至保守。确定平台是否进行插桩作业的依据不仅是安全系数，还要进一步分析穿刺的可能性及穿刺对平台的危害性[4]。

为此，建立自升式平台有限元模型，确定穿刺发生时需重点关注的结构区域，评价穿刺对平台的危害程度，计算得到平台的极限穿刺深度。平台某一桩腿发生穿刺时，当平台结构所受最大应力接近或达到其屈服极限时，此时的穿刺深度视为极限穿刺深度。

结合井位的土层分布情况，判断平台在该井位的穿刺深度，参考有限元计算的平台极限穿刺深度，进一步判断是否可以继续插桩，从而形成了自升式平台穿刺风险控制方法。

2.1 穿刺分析有限元模型的建立

本自升式平台为三腿独立桩靴式平台，平台自身重量为67 510 kN，单桩最大压载量为43 780 kN（约取为43MN），平台长54.86m，桩腿长125.27m，桩腿之间纵向距离为35.02 m，横向距离为36.58 m。

基于平台操船手册建立平台有限元模型，主船体、围阱区、固桩架和桩腿的结构采用大型有限元计算软件ANSYS完成，模型中采用shell 181单元对板进行模拟，beam 188单元对弦杆和齿条进行模拟，pipe 288单元对水平撑管、斜撑管和跨距间撑管进行模拟，pipe 16单元模拟桩底入泥的结构。对于平台附属结构，例如甲板室、工程房、直升飞机平台、悬臂梁、横向轨道、钻杆堆场等没有直接进行建模，而是将这些结构简化成载荷的形式施加到平台上。平台有限元模型见图4。

图4 平台有限元模型示意

平台主体与桩腿采用节点耦合方式进行连接。平台的上导向和下导向部位主要约束桩腿与平台主体水平的相对位移，在ANSYS中需要注意的是每个桩腿的左、右两个弦管齿条以及上、下导向的耦合节点应转换节点坐标系，这样才能保证上、下导向对桩腿的合理约束。

齿轮主要约束桩腿的垂向相对位移，模型中使用线刚度为2×1014Pa的刚性杆与桩腿的弦管齿条连接，刚性杆包括横杆和竖杆。横杆的长度为从齿条中心到锯齿的半宽的距离，竖杆的长度为齿轮的半径，竖杆的顶端正好与齿轮的中心高度平行。最后，将竖杆顶端与该侧升降室齿轮所在位置进行竖直方向的耦合。将未发生穿刺的桩腿底部铰支，发生穿刺的桩腿存在竖向自由度见图5。在主船体的底板施加预压的均布载荷。

图5 模型的边界条件

2.2 载荷施加

海上钻井平台插桩为静力沉桩，即通过平台自重及所加配重将桩腿压入海底预定深度，三腿独立桩靴自升式平台插桩压载一般分为三步：初压、轮番压和整体压。

模型中平台的预压载方法是：首先在底板对应的舱室部位施加均布载荷，进行初压；然后轮番施压：先压艏腿，而后压左腿，最后压右腿。按照平台操船手册的规定每个桩腿的最大压载量为43 MN。当压载量达到或超过43 MN时，假设其中的某一桩腿发生穿刺，在该桩腿底施加Z向（竖向）位移模拟穿刺，当桩腿某一结构超过其屈服极限时，即认为当前Z向位移为极限穿刺深度。

2.3 计算结果

本模型计算中取平台的工作水深为60 m，气隙为1.5 m。计算结果见表1。

穿刺发生时，需要关注的区域为桩腿弦管齿条和齿轮的耦合处、弦管齿条和上导向的耦合处。艏腿发生穿刺时，艏腿右弦管齿条与齿轮耦合连接处附近结构的应力先达到屈服极限；左腿发生穿刺时，右腿前弦管齿条与上导向耦合处结构的应力先达到屈服极限；右腿发生穿刺时，艏腿前弦管齿条与齿轮耦合处弦管的应力先达到屈服极限。

表1 平台有限元模型计算结果

3 穿刺风险控制方法

3.1 穿刺分析流程

在分析国内外平台穿刺及其事故分析和应对措施的基础上，制订了穿刺风险分析评价流程，见图6。

图6 穿刺风险分析评价流程

确定平台是否进行插桩的依据：安全系数的分析，穿刺可能性的再分析（土性参数的再分析），穿刺对平台的危害评估。

结合井位的土层分布情况，判断平台在该井位的穿刺深度，对比有限元计算的平台桩腿极限穿刺深度，如果预测的穿刺深度大于极限穿刺深度，则应该考虑换井位或者更换作业平台，或者降低压载量。

3.2 穿刺风险规避措施

穿刺会对平台结构造成巨大的损害，为尽量减少穿刺事故带来的损失，平台操作者在进行高质量的地质调查后，可以考虑采取以下措施进行风险规避：

（1）减小气隙进行单桩预压载。分析表明穿刺时船体会向穿刺腿倾斜，如果此时气隙较小，平台可以很快倾斜入水。平台获得的浮力将有助于减缓穿刺速度，降低穿刺停止时的入泥深度，从而减少平台结构的损伤。

（2） 如果需要，可以在水中进行压载，即漂浮压载，以便减小因贯入软土层而产生的桩腿载荷，减轻穿刺发生时对平台船体和桩腿桁架、齿轮的影响和损坏[5-9]。

（3）在硬土层中使用喷冲的方法，使得桩靴在最小载荷的情况下贯入软土层。

（4）在条件允许的情况下，比如在海况比较温和，井位作业时间相对短，且作业期间风力、波高和海流速度相对较小的情况下，通过降低预压载量可以减小平台桩脚的入泥深度，降低穿刺风险，提高平台作业的安全性。

4 现场计算实例

以上述平台在波斯湾某井位插桩计算为例，探讨穿刺计算方法。表2为该井位平台艏腿位置地质勘察数据，表3为平台桩靴数据。

表2 作业井位艏腿位置工程地质勘察数据

表3 平台桩靴参数

根据复杂多层土体的穿刺分析方法，以第8层黏土为基础，由下往上按双层土修正各层土的承载力，其中第2层、第5层和第7层按照穿刺工况进行分析（上硬土层下软土层计算模式），分析计算的结果见图7。可以看出，按单层土体计算公式计算得到的承载力未考虑下卧软层的影响，即硬软土层交接处的承载力存在不合理之处，而按本文提出的复杂多层土体的承载力计算方法考虑了下卧软层对上部硬土层承载力的影响，并进行了修正，则显得更为合理。

图7 极限承载力与插桩深度关系曲线

在压载过程中，桩腿首先刺穿9.2～12.8 m的第2层粉砂层，最后到达16.2～17.2 m的第5层粉砂层。由于第5层粉砂层厚仅1 m，而桩靴底部的尖端高度1.1 m，桩靴最大横截面坐落在第5层粉砂层顶层时，桩靴尖端已刺穿了第5层粉砂层到达第6层黏土层内。第5层和第6层修正后的承载力达到要求，不会发生穿刺事故，故最后的插桩深度为17 m左右，与实际插桩深度基本一致。

5 结论

（1）对于桩靴式平台，目前常用的穿刺可能性分析方法偏于保守，提出了复杂多层土体的承载力计算方法，首先按单层土计算各层基础承载力，然后由下往上按双层土修正各层土的承载力。

（2）通过有限元分析，发现穿刺发生时，桩腿弦管齿条与齿轮耦合处和弦管齿条与上导向的耦合处最容易发生损坏，为减少穿刺对结构的影响，可以考虑采用主动刺穿或减少气隙等方式进行单桩预压载，但需严格控制穿刺深度。

（3）利用穿刺安全系数判断平台穿刺的方法过于简单，应综合分析井位的工程地质性质，穿刺深度及穿刺对平台结构的危害程度，以便给出客观的判断。

（4）结合自升式平台的插桩实例，对比了多层土体承载力计算方法与单层土体承载力计算方法的差别，可供相关工程参考。

[1]SY/T6707-2008，海洋井场调查规范[S].

[2]Society of Naval Architects&Marine Engineers（SNAME），Guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units[Z].Technical&Research Bulletin 5-5A，Jersey City，New Jersey，1st Edition Rev 2，January，2002.

[3]姚首龙.桩靴基础自升式钻井平台在砂土层下伏黏土层中的插桩分析[J].船海工程，2013（2）：111-114.

[4]曹式敬.自升式平台穿刺计算方法探讨[J].海洋石油，2011（1）：86-89.

[5]张宝平.一种全新的自升式钻井平台预压方法[J].船海工程，2015（2）：164-166.

[6]刘大辉，白勇，阮伟东，等.基于有限元的自升式平台桩腿快速维修方法研究[J].石油工程建设，2017，43（5）：19-23.

[7]邓海峰.复杂地层条件下自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.

[8]祁磊，刘振纹，赵开龙，等.基于标贯数的自升式平台桩腿贯入深度预测方法研究[J].石油工程建设，2017，43（3）：32-34.

[9]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.

Study on punch-through analysis and risk controlmethod of jack-up spudcan

XU Hao，LIU Zhenwen，QILei，DENG Haifeng，LIChun
CNPC Engineering Technology Research Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China

The commonly used analytical methods of jack-up spudcan punch-through possibility are conservative.Thus，this paper proposes a calculation method for jack-up spudcan punch-through in multiple soil layers，that is calculating soil bearing capacity of each layer respectively，then calculating combined soil bearing capacity of first layer and second layer using the two layer soil bearing capacity calculation method，and applying this modified bearing capacity method in turn untilthe last layer.Limit penetration depth of jack-up spudcan is analyzed based on the finite element method for leg structure strength.The more improved analysis process of jack-up spudcan punch-through is discussed and the risk control measures are proposed.Finaly，the accuracy of the method is verified by the analysis and calculation of the actual piling process.

jack-up；punch-through analysis；complex multiple soillayer；risk control

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.06.004

许 浩（1985-），男，山东青岛人，工程师，2010年毕业于天津大学港口、海岸与近海工程专业，硕士，现主要从事与海洋工程地基与基础分析研究有关的工作。Email：xuh.cpoe@cnpc.com.cn

2017-10-26