隔水导管桩竖向承载力分析

万 军， 梁 超2， 关 湃， 李翔云， 庞洪林

(1. 中海石油(中国)有限公司 天津分公司， 天津 300459; 2. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室， 天津 300072)

0 引 言

目前国内有许多海上油气资源得不到有效开发，这些油气资源主要来自于小型的边际油田，如何经济有效地开发油气资源一直是边际油田的关键问题。目前应用于小型油田的简易平台种类繁多，其中大部分需打入传统的钢管桩基础提供其所需的承载力，如能有效利用平台井口结构中的隔水导管及表层套管替代传统钢管桩为平台提供支撑，则既满足开采需求又满足平台承载需求，形成“一管双用”，将使边际油田的开发更加经济。

近年来，关于井口结构承载力方面的研究大多以隔水导管为对象：胡浩杰[1]利用FLAC软件分析打入式隔水管竖向承载力的时效性；苏堪华等[2]考虑井口荷载，分析隔水导管的最小入泥深度；杨进[3]建立隔水导管在不同土层情况下的承载力计算模型，提出隔水导管最小入泥深度的计算方法；沈园园等[4]根据隔水导管受力特点，开展隔水导管入泥深度的研究。目前还鲜有对于隔水导管与表层套管联合支撑平台的研究。为此，采用有限元分析方法，以渤海地区常用尺寸的隔水导管与表层套管为研究对象，探究两者组成的隔水导管桩在黏土环境中的竖向承载特性，为工程应用提供参考。

图1 井口结构中的隔水导管与表层套管

1 隔水导管桩结构特点

隔水导管与表层套管在井口结构中的布置形式如图1所示。在渤海地区，隔水导管常采用打入式安装方法，深度一般在30～70 m，表层套管采用钻入法安装，长度可达数百米，两者之间采用固井水泥连接。

基于上述特点将隔水导管、表层套管、固井水泥考虑为一整体，由上半部分大直径桩段与下半部分小直径桩段组成变截面隔水导管桩，如图2所示。图中：D1为上桩段外径，D2为下桩段外径，L1为上桩段桩长，L2为下桩段桩长。

图2 隔水导管桩结构图

图2所示的隔水导管桩结构类似于“T型桩”。在“T型桩”研究领域，方焘等[5]和易耀林等[6]分别通过试验与数值方法分析“T型桩”的承载特性，但其研究对象为桥梁工程中的搅拌桩，桩长较短，与海洋平台中的隔水导管桩存在明显差异。表1为渤海地区常用隔水导管及表层套管的结构尺寸，结合表1的参数，采用有限元计算软件ABAQUS对隔水导管桩竖向承载力进行分析。

表1 隔水导管与表面套管的尺寸

2 有限元分析模型的建立与验证

图3 有限元分析模型

2.1 有限元分析模型

图4 隔水导管桩承载模式

采用静力分析步计算隔水导管桩竖向承载力，土体本构模型选用Mohr-Coulomb弹塑性模型，桩模型采用线弾性模型，单元类型均为C3D8R。隔水导管桩由隔水导管、表层套管、固井水泥组成，根据截面强度等效原则，计算不同尺寸下的隔水导管桩等效弹性模量，结果如表2所示。土体根据渤海地区土层资料选均质黏土，不排水剪切强度Su=50 kPa，弹性模量E= 50 MPa，泊松比v= 0.49。有限元分析模型如图3所示。

表2 隔水导管桩模型参数

图5 土体尺寸对承载力的影响

模型中桩-土相互作用选用“主从面”接触，刚性较大的桩体作为主接触面，土体作为从接触面。桩-土接触分为法向接触和切向接触，法向接触类型选为硬接触，切向接触类型选为库伦摩擦，接触摩擦因数根据已有研究选择0.4[7-8]。由于隔水导管与表层套管为海洋平台井口采油通道，隔水导管桩内部不存在与土塞作用产生的内摩阻力，因此在计算中桩内壁与土体切向接触设置为光滑。如图4所示，隔水导管桩竖向承载力应由4部分组成，分别为上桩段外侧摩阻力f1、下桩段外侧摩阻力f2、上桩段端阻力q1和下桩段端阻力q2。

2.2 模型参数敏感性分析

为保证有限元分析模型计算的准确性和可靠性，需对计算结果受不同因素影响的规律性进行分析，以确定最佳模型计算参数。分别选取不同土体模型尺寸、土体网格尺寸、土体弹性模量进行计算，探究各因素对隔水导管桩竖向承载力计算结果的影响。

2.2.1 土体模型尺寸对承载力的影响

在实际工程中，土体为半无限体，在计算中有必要确定合适的土体模型尺寸以避免边界的影响。 为此建立4种不同尺寸的土体模型，直径分别为10D1、20D1、30D1和40D1，土体模型长度均为1.5L，L为隔水导管桩总长度。桩模型尺寸选为D1=610 mm、D2=444 mm、L1=50 m、L2=30 m，计算结果如图5所示。

从图5可以看出，相比于其他3组，当土体模型选择为10D1时的计算结果明显存在边界效应，承载力明显高于直径为20D1、30D1、40D1时的计算结果，当土体超过20D1后承载力不再发生明显改变。因此，可以认为在隔水导管桩竖向承载力计算中，土体直径选择为20D1即可消除边界效应的影响。

2.2.2 网格尺寸对承载力的影响

为分析计算模型网格划分对计算结果的影响，按照图6将土体网格分为3部分考虑，分别为桩长方向1、桩长方向2和径向。

图6 土体网格划分示例

网格划分方案如表3所示，按照网格尺寸建立不同计算模型，径向及桩长方向2采用偏精度布置，桩长方向1采用均匀布置，即最大网格与最小网格尺寸相等。隔水导管桩模型尺寸选为D1=610 mm、D2=444 mm、L1=50 m、L2=30 m。

表3 土体网格划分方案

选取桩长方向1网格尺寸为1 m，桩长方向2网格尺寸(最小网格尺寸～最大网格尺寸)为1.0 m～2.5 m，计算表3中不同径向网格尺寸下的承载力，结果如图7所示；选取径向网格为0.05D1～1.50D1，桩长方向2网格尺寸为1.0 m～2.5 m，计算表3中不同桩长方向1的网格尺寸下的承载力，结果如图8所示；选取径向网格为0.05D1～1.50D1，桩长方向1网格尺寸为1 m，计算表3中不同桩长方向2的网格尺寸下的承载力，结果如图9所示。

图7 径向网格尺寸对承载力的影响 图8 桩长方向1网格尺寸对承载力的影响 图9 桩长方向2网格尺寸对承载力的影响

从图7～图9的结果可以看出：径向网格尺寸对隔水导管桩竖向承载力计算结果影响较大，极限承载力随着径向网格最小尺寸的减小而减小，并且逐渐趋于稳定，说明网格尺寸越小，越有利于计算精度的提高；而桩长方向1和桩长方向2的网格对计算结果影响较弱，不同尺寸的计算结果无较大差别。考虑到计算精度、计算时长及网格形状，确定径向、桩长方向1和桩长方向2的网格尺寸为0.05D1～1.50D1、1 m和1.0 m～2.5 m为计算模型的最佳网格尺寸。

图10 土体弹性模量对承载力的影响

2.2.3 土体弹性模量对承载力的影响

为研究不同土体弹性模量对计算结果的影响，分别取土体弹性模量为50 MPa、30 MPa、20 MPa、10 MPa进行计算，隔水导管桩模型尺寸选为D1=914 mm、D2=444 mm、L1=50 m、L2=30 m，结果如图10所示。

从图10可以看出，承载力曲线拐点对应横坐标无明显差别，说明土体弹性模量对于隔水导管桩极限承载力影响较小，但可以看出随着弹性模量的减小，达到极限承载力所需的桩顶位移随之增大。

2.3 分析方法的验证

为保证有限元分析模型的准确性，选用隔水导管桩尺寸D1=914 mm、L1=50 m、L2= 30 m，计算5种黏土不排水剪切强度下的隔水导管桩竖向极限承载力，并与API规范[9]计算结果进行比较，如表4所示。从表4可以看出，有限元方法的计算结果相比API规范稍大，但幅度均在20%以内，说明计算模型具有较高的准确性及可靠性。

表4 数值计算与API计算对比

3 隔水导管桩结构参数对极限承载力的影响

参照表2中隔水导管桩不同截面尺寸下的结构参数，隔水导管与表层套管根据不同实际工况存在不同的入泥深度，简易平台在使用中需要多大截面尺寸、多少承载参与长度的隔水导管桩是值得研究的问题。为此建立不同截面尺寸、不同桩长的计算模型，分析隔水导管桩结构参数对其极限承载力的影响规律。

3.1 桩径对承载力的影响

根据表2的参数计算不同截面尺寸下的隔水导管桩极限承载力，其中L1=50 m、L2=20 m，计算结果如图11所示，可以看出随着上桩段截面尺寸D1的增大，其承载力呈线性增长趋势。

图11 桩径对承载力的影响

3.2 桩长对承载力的影响

分别计算不同L1与L2情况下的隔水导管桩承载力曲线，结果如图12所示。

图12 桩长对承载力的影响

从图12的结果可以看出，增加上桩段桩长L1比增加下桩段桩长L2可更有效地提高隔水导管桩竖向极限承载力，且下桩段桩长超过一定长度时，承载力曲线呈折线，在隔水导管桩上桩段端部出现塑性破坏后，下桩段的承载能力才逐渐激发，存在滞后效应，因此增加L2提高隔水导管桩的承载力需牺牲更大的桩顶位移。

3.3 实心桩与空心桩的差异分析

钢管桩基础内部土塞会影响其承载模式[10]，隔水导管桩内部不存在土塞即为空心桩。为对比常规管桩存在土塞下的计算结果，选用隔水导管桩尺寸D1=914 mm、D2=444 mm、L1=50 m、L2=30 m，建立相应的实心桩模型计算，结果如图13所示。

从图13的结果可以看出，相同尺寸下的实心桩与空心桩竖向极限承载力分别为9 047.8 kN和8 949.65 kN，两者无明显差别，造成这一现象的原因是隔水导管桩下桩段端面积较小，对实心桩承载力贡献较少。

图13 空心桩与实心桩对比

4 结 论

以隔水导管桩基础为研究对象，利用有限元方法揭示了其竖向承载机理，分析了有限元模型参数及隔水导管桩结构参数对其竖向极限承载力的影响规律，研究成果可为使用隔水导管桩部分替代原有钢管桩基础提供参考。具体结论如下：

(1) 对有限元分析模型中土体尺寸、网格尺寸、弹性模量进行了参数敏感性分析，结果表明：当土体模型直径取为20D1时可以消除边界效应的影响；径向网格尺寸对计算结果影响较大，桩长方向网格尺寸影响较小，考虑到计算时长、计算精度和网格形状的影响，确定径向网格尺寸选为0.05D1～1.50D1，桩长方向1网格尺寸为1 m，桩长方向2网格尺寸为1.0 m～2.5 m；土体弹性模量对隔水导管桩竖向极限承载力计算结果影响较小。

(2) 上桩段结构参数对隔水导管桩竖向承载力影响较大，下桩段起次要作用。隔水导管桩竖向极限承载力随着D1的增加而线性增大；增加上桩段桩长L1比增加下桩段桩长L2可更有效地提高隔水导管桩竖向极限承载力，增加L2提高隔水导管桩的承载力需牺牲更大的桩顶位移。

(3) 渤海地区常用的表层套管截面尺寸较小，下桩段端面积较小，因此相同尺寸下的实心桩与空心桩竖向极限承载力相差较小。