自升式平台“踩脚印”试验系统研制

(中海油田服务股份有限公司，河北 三河 065201)

自升式平台作业结束后，需要将桩腿从海床内拔出，会在海床上会形成桩坑。这类桩坑被称为“脚印”。随着南海地区生产活动愈加频繁，遗留在井区的脚印数量也迅速增加。当自升式平台返回旧井位重新开展作业活动时，不可避免的会受到脚印的影响，严重影响到自升式平台的生产安全。对于自升式平台踩脚印的问题，国内外许多科研院校做过相关的离心机模型试验[1-5]。脚印的性质差异会对结构的受力变形结果产生很大的影响，因此必须对脚印性质的研究给予足够的重视[6-9]。之前的研究工作有局限性：①完全固定或者仅允许水平方向运动的连接方式过度约束了桩腿的自由度，与实际生产中桩腿上端无约束的情况不相符合；②单桩腿的试验装置无法反映出平台整体的运动情况，无法体现船体-桩腿、桩腿-桩腿之间的耦合作用关系；③尽管离心机试验与1g条件下试验相比有很多优点，但是离心机试验负载能力有限，试验箱尺寸较小，无法进行全平台的模型实验，并且离心机试验成本高昂，土样配置的难度很大。为此，考虑研制一套1∶100的自升式钻井平台全平台的踩脚印模型试验系统，用于模拟自升式钻井平台踩脚印的过程，测量三个桩腿上的受力和平台旋转角度。应用该试验系统研究脚印的直径大小对于结果的影响，验证该试验系统的有效性。

1 试验系统

1.1 系统组成设计

试验在1g条件下进行，系统主要由土池、支撑装置、加载装置、测量系统和物理模型等设备组成，具体试验系统见图1。

图1 自升式平台踩脚印试验系统

土池的尺寸为1.6 m×1.6 m×1 m。土池四周和上部有用于固定和支撑加载系统的支撑架，伺服液压油缸安装在位于土池上方支撑架的横梁上，最大承载力为30 kN，允许以恒定的速率进行加载。该试验系统可以模拟自升式平台海上插桩作业，以及拔桩的全过程。如图2所示，使用活动的球铰来连接平台模型和加载油缸，因此整个平台可以在踩脚印过程中倾斜旋转，增加了整个平台的自由度，使平台的运动更加符合实际情况。角度传感器安装在平台模型的船体板上，可以实时测量踩脚印过程中平台的倾斜角度。

图2 活动球铰连接装置

1.2 试验平台模型

试验使用的自升式平台模型根据CJ50型自升式平台进行缩比设计，比例尺为1∶100。自升式平台上部的船体简化为一块厚度为50 mm的等边三角形铁板。自升式平台桁架结构的桩腿简化为薄壁圆筒，桩腿采用铝合金制作。根据缩比模型的相似性关系，模型桩腿与原平台具有相同的抗弯刚度。三根桩腿与船体完全固定连接，模型的具体尺寸见表1。

表1 实验平台模型设计的详细参数

如图3所示，每条桩腿上布置了三组应变片来测量桩腿不同位置处的弯矩。

图3 桩腿上应变片布置示意

研究对象CJ50型平台桩靴形状为长方形，这种新式桩靴具有更大的面积，可以获得更大的土体承载力，能够更好地适应我国南海软黏土的地层情况。根据缩尺比例，试验模型桩靴的尺寸为225 mm×180 mm×50 mm，将桩靴底部简化为平底，忽略原型桩靴底部很小的倾角。桩靴安装在桩腿底部，与桩腿完全固定。

1.3 试验土样配置

采用超固结饱和黏土，土层表面用一层自由水模拟实际情况中的地质情况。为保证配土结果的准确性，首先将试验所用高岭土进行粉碎、晒干、加水，在含水率为120%情况下进行充分搅拌，分多次配置，每次配置土层厚度为100 mm。泥浆在土池内静置超过24 h，然后在泥浆上逐级加压进行排水固结，最后压力达到80 kPa。如果连续8 h后土体高度没有发生变化，则表明土体配置完成。试验黏土具体性质见表2。

表2 试验黏土主要参数

在试验开始前，使用十字板剪切仪测量黏土的不排水抗剪强度。土层表面的不排水抗剪强度为10 kPa，并且随着深度增加，抗剪强度也不断增大。土样的不排水抗剪强度的测试结果见图4。

图4 试验土样不排水抗剪强度变化

2 试验验证

试验主要研究脚印直径大小对自升式平台踩脚印的影响。

2.1 试验步骤

结合实际，脚印的直径设置为18 cm，脚印中心距离桩靴中心的距离为22 cm，脚印深度为12 cm。为方便说明，位于自升式平台船首的桩腿记作1号桩腿，船尾的两个桩腿记作2号和3号桩腿。脚印位于1号桩腿的外侧，见图5。

图5 试验工况示意

试验首先将桩腿插入土层内至目标深度，然后立刻拔出，完成脚印的制作。随后以恒定的速度将平台模型插入土层内直至20 cm。为了研究自升式平台踩脚印过程中三根桩腿上的受力情况，每根桩腿上均布置了三组应变片。受到脚印的影响，桩腿上会产生弯矩以及水平力。将朝向脚印中心方向的水平力记为正水平力，使得平台朝远离脚印方向转动的弯矩记为正向弯矩。

2.2 桩腿上弯矩结果

自升式平台模型踩脚印情况下每条桩腿上的弯矩见图6。

图6 桩腿弯矩

图6a)，当桩腿开始插入土层时，1号桩腿底部的弯矩迅速增大，在约4 cm处取到最大值。这是因为脚印的存在使得桩靴两侧土体流动模式不对称，靠近脚印一侧的土体主要是朝向脚印内水平运动，而桩靴另一侧的土体则是回流运动。这种非对称的流动模式在桩靴底部产生偏心的竖向承载力，使得桩靴朝着远离脚印的方向发生转动，并在桩腿上产生了弯矩。随着插桩深度增加，直至超过脚印深度时，脚印产生的影响越来越小，桩靴两侧土体的流动模式基本一致，不再产生偏心的竖向承载力，因此桩腿底部的弯矩逐渐减小，并且接近于0。桩腿在入泥后，因为桩靴两侧土体不对称，在插桩过程中产生水平力。水平力在桩腿上产生的弯矩与桩靴底部偏心承载力产生的弯矩方向相反，因此1号桩腿顶部的弯矩与底部的弯矩相反。桩腿顶部的弯矩在入泥后负向快速增长，最大弯矩(-38 N·m)大于底部的最大弯矩(24 N·m)。随后随着入泥深度增加，弯矩逐渐变为正向。

由于整个平台关于脚印对称，因此2号和3号桩腿上的弯矩基本一致。由于2号腿和3号腿并未踩坑，桩靴两侧土体流动模式一致，桩腿上的弯矩主要由平台倾斜引起，因此桩腿上弯矩分布较为规律，桩腿上不同位置处的弯矩变化几乎一致。桩腿上的弯矩均为负值，与1号桩腿底部的弯矩相反，这表明2号腿和3号腿弯曲的方向与踩坑的1号腿相反。随着入泥深度增加，弯矩快速增大，在约4 cm处取到最大值，随后弯矩随入泥深度增加逐渐减小。桩腿顶部的弯矩最大，而底部的弯矩最小。

2.3 桩腿上水平力结果

桩腿上水平力的主要来源是桩靴两侧土体的差异，产生的侧向压力。踩脚印过程中桩腿上水平力的变化见图7。可以看出在平台桩腿开始入泥后水平力迅速增大，3条桩腿上的水平力均为正值，表明平台整体有向脚印内滑动的趋势。随着插桩深度增加，脚印的影响逐渐减小，桩腿上的水平力也逐渐减小。2号桩腿与3号桩腿的水平力变化基本一致，而1号桩腿在插桩10 cm之后，桩腿上的水平力持续反向增加。

图7 水平力变化

2.4 平台倾斜结果

试验系统的创新点之一是给平台模型更多的自由度，允许平台在踩脚印过程中发生倾斜,平台倾斜角度变化见图8。

图8 平台倾斜角度变化

由图8可见，平台在入泥后发生了快速的倾斜，与桩腿上弯矩以及水平力的变化规律相似。随后，倾斜角度均匀增大，但增大的速度变慢。最后平台朝脚印内的倾斜角度约为0.75°，表明该工况下脚印对平台的影响有限，并没有造成平台严重倾斜。

3 结论

1)对于靠近脚印，即船首的桩腿，桩腿底部受到偏心竖向承载力的作用，朝着远离脚印的方向旋转，桩腿顶部的弯矩方向与底部相反。

2)对于船尾的两条桩腿，平台关于脚印对称，因此这两条桩腿上的弯矩几乎一致。整条桩腿上弯矩方向相同，且桩腿顶部的弯矩大于底部的弯矩。

3)桩腿上水平力表明平台有向脚印中心滑动的趋势。

4)平台最终的倾斜角度为0.75°，表明该工况下脚印对平台的影响有限。

典型工况条件下的试验结果验证了该试验系统的有效性。未来考虑脚印几何条件、脚印-桩靴距离、脚印数量等条件，对自升式平台踩脚印的问题进行进一步试验研究。