水下生产系统防沉板基础的裙板入泥阻力

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

目前，我国海洋油气资源开发正处在由浅海向深海过渡的关键阶段[1]。使用水下生产技术可以避免建造昂贵的海上采油平台，从而节省大量建设投资，因此水下生产已经成为未来主要的深海油气开发技术。带有裙板的防沉板是深海油气水下生产系统各组块的常用基础[2-5]，具有土壤适应性广、施工简单、安装方便、可重复利用等诸多优势。裙板能在海底土体中贯入到设计深度是防沉板基础能够达到设计承载力和保证水下设施稳定的前提，防沉板的裙板入泥阻力计算是水下生产系统防沉板基础设计的重要内容[6-7]。计算防沉板裙板入泥阻力主要采用极限承载力理论计算和静力触探试验两种方法。

海底土体静力触探试验(Cone Penetration Test, CPT)是目前较先进可靠的海底土体原位探测方法，CPT试验能在减少对土体扰动的情况下测定土体的力学特性[8-9]。自1932年荷兰工程师BARENTSEN首次开展静力触探试验[10]以来，CPT试验在地质调查中得到了广泛应用。随着海洋开发的迅速发展，CPT试验方法在海洋工程领域的应用越来越普遍，起到的作用也越来越重要。

早期的防沉板基础研究工作主要借鉴陆上浅基础承载力研究的半经验半理论方法，通过修正系数设计不同条件下的防沉板基础，并形成了挪威船级社(DNV)和美国石油学会(API)推荐的防沉板基础设计规范，如API RP 2A-WSD 2000和API RP 2GEO 2011等行业设计规范。我国目前的研究成果主要集中在黏土地基上，而荔湾3-1等深海油气资源的开发项目中也广泛分布砂性土地基，因此需要进行砂性土地基上防沉板基础的裙板入泥阻力计算方法的研究[11]。防沉板基础裙板的入泥阻力可以根据土工试验结果，依据相关规范进行估算。为了提高设计的可靠性，在南海某项目设计时，应用极限承载力理论和DNV规范推荐的CPT试验方法[12]两种方式进行裙板入泥阻力计算。结果发现基于静力触探试验的裙板入泥阻力计算值明显高于极限承载力理论计算值。为了比较两种计算方法的适用性和分析两种计算方法产生差异的原因，在水下生产系统安装施工前设计并实施一次裙板贯入模拟试验，将模拟试验结果与两种计算方法的结果进行对比验证，确保实际水下生产系统防沉板基础的裙板能贯入到设计深度。

1 裙板入泥阻力计算方法

1.1 基于极限承载力理论的计算方法

图1 防沉板裙板入泥阻力示例

在防沉板基础安装时，水下生产系统重量通过裙板传递到海床上。当裙板产生的压力超过土壤的承载力时，将造成裙板附近局部土壤承载力失效，使裙板被压入海床。因此，只要上述水下系统的重量大于裙板入泥最大阻力，即可将防沉板基础的裙板贯入到设计深度。水下生产系统的重量是已知的，并且可根据实际需求调整，因此确保防沉板裙板贯入到设计深度的关键是确定裙板入泥阻力大小。

防沉板裙板的入泥阻力来源于两部分，一部分是裙板端部挤压土壤产生的端部阻力，另一部分是裙板侧面与土壤之间的侧摩阻力，如图1所示。

防沉板裙板入泥阻力为

Qr=Qs+Qt=fsAs1+qtAt

(1)

式中：Qr为裙板总的入泥阻力，kN；Qs为裙板入泥的侧摩阻力，kN；Qt为裙板入泥的端部阻力，kN；fs为裙板侧面单位面积上平均侧摩阻力，kN/m2；qt为裙板端部单位面积上端部阻力，kN/m2；As1为在裙板侧面与土壤的接触面积，m2；At为裙板端部面积，m2。

侧摩阻力可按照筒-土摩擦计算，端部阻力基于地基极限承载力理论进行计算。对于砂土而言，有

qt=0.5γ′tNγ+qNq

(2)

式中：t为裙板厚度，m；γ′为土壤的浮重，kN/m3；q为作用于裙板端部的侧向压力，q=γ′D,且D为裙板端部的埋深；Nq、Nγ为承载力系数。

(3)

式中：K为侧向土压力系数；z为裙板端板的埋深，m；δ为土壤与裙板间摩擦角。

(4)

Nγ=1.5(Nq-1)tanφ

(5)

式(4)和式(5)中：φ为有效内摩擦角。

1.2 基于静力触探试验的计算方法

静力触探试验属于原位试验，其操作方式也是采用压力将探头压入泥中，与裙板入泥过程有相似之处。因此，CPT探头贯入阻力与裙板入泥阻力之间存在联系，基于这种联系便可以根据CPT探头贯入阻力得到裙板的入泥阻力。通常的做法是将CPT探头贯入阻力与已知的海上CPT试验或实际工程项目的实测值进行对比，反算得到CPT探头贯入阻力与裙板入泥阻力之间的关系。 LUNNE等[13]最早将CPT试验结果与重力式基础钢制裙板的实测入泥阻力进行比较，得出两者之间关系的经验系数。并且，经过多个北海项目的实践，建立裙板入泥阻力与裙板端部阻力与侧摩阻力之间的关系为

(6)

式中：Qr为裙板入泥阻力，kN；d为裙板设计贯入深度，m；kp(z)为qc与裙板端部阻力之间的经验系数；kf(z)为qc与裙板侧摩阻力之间的经验系数；qc(z)为在裙板贯入深度为z时的探头贯入阻力，MPa；As2为单位贯入深度下裙板与土壤的接触面积，m2/m。

对于北海区域土壤，kp和kf的推荐值如表1所示。

表1 北海土壤kp和 kf推荐值[4]

在北海进行的实际测试显示，实际裙板入泥阻力曲线与通过CPT试验结果预估的入泥阻力曲线吻合较好[14]。DNV在总结北海实际工程经验的基础上，给出在北海土壤条件下基于CPT探头贯入阻力计算裙板入泥阻力时kp和kf的推荐值，如表2所示。表2中kp和kf的最可能值根据北海开展CPT试验和工程项目的统计值得出，是用于计算钢质裙板入泥阻力的期望值，而预期最大值用于计算钢质裙板入泥时受到的预期最大入泥阻力，该预期最大入泥阻力通常大于实际裙板入泥阻力。

表2 DNV给出的北海地区黏土和砂的kp和 kf推荐值

2 裙板入泥阻力计算

南海某项目的水下生产设施选用带裙板的防沉板作为基础，裙板设计参数如表3所示，防沉板的设计方案如图2(a)所示，裙板剖面如图2(b)所示。

表3 裙板设计参数

图2 水下设施基础设计方案

水下设施距离中心处理平台约50 m，未对水下设施单独进行地质调查，而是使用中心处理平台桩基础的地质调查结果，缺少的参数依据API RP 2A-WSD[15]规范选择。浅层土壤CPT试验曲线如图3所示，根据地质报告土壤参数表整理的与裙板入泥计算相关的表层土壤参数如表4所示。

图3 目标安装位置表层土壤的CPT曲线

土壤描述距泥面深度/m浮重度/(kN·m-3) 有效内摩擦角/(°)土壤与裙板间摩擦角(Nq=12)/(°)中等密实度细粒到中粒砂4.18.22520

由表4可知，表层土壤为中密度的砂。在依据土力学理论计算裙板的入泥阻力时，将表4的土壤参数代入式(1)进行裙板入泥阻力计算。计算所需的侧向土压力系数K根据API RP 2A推荐取0.8。

在依据DNV CN 30.4推荐的基于静力触探试验方法计算裙板入泥阻力时，将表2中相应的kp和kf推荐值代入式(6)，根据表3和图3可计算出裙板入泥阻力。另外，从图3可以看出，CPT阻力曲线在入泥0.30 m和0.45 m处存在明显拐点，因此在计算裙板入泥阻力时，将CPT曲线分为0～0.30 m和0.30 ～0.45 m两段进行计算。利用极限承载力理论和DNV CN 30.4的推荐方法得到裙板入泥阻力如表5所示。

表5 裙板最大贯入阻力计算结果对比 kN

从表5可以看出，基于极限承载力理论计算和静力触探结果两种方法计算得到的裙板入泥阻力结果存在较大差异。分析两种方法的原理和采用的数据，造成较大差异的原因是：

(1) 基于极限承载力理论的式(1)在K取定值时，不能正确反映裙板入泥阻力随入泥深度变化的过程。

(2) 基于极限承载力理论的式(1)涉及的土体参数较多，包括φ、γ′、K、Nγ和Nq，还包含不易确定的外摩擦角δ，计算结果受参数取值影响较大。

(3) 基于极限承载力理论的式(1)基于理想砂土无黏假设，而实际砂土并非理想的无黏性，颗粒之间存在黏聚力甚至胶结作用。地质调查报告中的土壤参数表只给出反映无黏土的摩擦角，而没有提供反映颗粒之间黏聚力的信息。因此，按照理想砂土参数进行黏性岩土力学计算得到的入泥阻力偏小。

但是，DNV推荐的基于CPT试验的式(6)所涉及的经验参数是基于北海海域的项目经验总结得到的，这些参数在我国南海的适用性还需验证。

3 现场CPT试验

图4 裙板贯入模拟试验装置

不同裙板入泥阻力计算方法计算结果的较大差异使南海项目的防沉板基础(尤其是裙板高度)设计存在问题。如果裙板设计过短，将不满足基础稳定性的要求，会产生安全隐患；如果裙板设计过长，会导致裙板无法全部贯入，需要回收后再次安装，不仅需支出巨额的海上作业施工费，而且会因为破坏了土壤结构而需要重新选择安装位置。为了消除防沉板基础设计和安装风险，需选择合理的计算方法，为此在海上施工前开展试验验证。

直接测量裙板入泥阻力需要购置和安装专用仪器，需要额外增加采办设备费用和准备时间。为缩短准备时间，降低试验难度和费用，将直接测量入泥阻力转换为观察在固定贯入压力下试验装置的入泥深度，与基于极限承载力理论和DNV推荐的基于CPT结果计算的两种入泥阻力计算结果进行比较。

此次试验装置在底部焊接多块平行于钢板的钢质配重块，在裙板上沿高度方向以5 cm为间隔划线，用以观察裙板的贯入深度，如图4所示。试验装置的尺寸和质量信息如表6所示。

表6 裙板贯入模拟试验装置参数

由表4可知，表层土壤为中密度砂。依据极限承载力理论将表4的参数代入式(1)，反算裙板入泥深度。在依据DNV CN 30.4进行计算时，将表2中计算裙板在砂中入泥阻力的kp和kf推荐值代入式(6)，根据表6和图3，可计算裙板在两种情况下的入泥深度。另外，从图3可以看出，CPT阻力曲线在入泥0.30 m和0.45 m处存在明显拐点，在估算模拟裙板入泥深度时，将CPT曲线分为0～0.30 m和0.30 ～0.45 m两段进行计算。利用上述两种方法计算得到裙板贯入深度如表7所示。

表7 模拟试验装置裙板贯入深度理论计算值 m

图5 裙板贯入模拟试验结果

鉴于两种方法计算的入泥深度差别较大：如果实测模拟裙板贯入深度在表7 CPT试验的两个结果之间，说明DNV CN 30.4的推荐做法适用于试验区域土壤的入泥阻力计算；如果实测模拟裙板的贯入深度更接近极限承载力理论的计算结果，则基于极限承载力理论公式更适用。

在进行裙板贯入模拟试验时，将试验装置吊装至水下生产设施目标安装区域的中心上方，然后竖直下放至海底，使裙板垂直于泥面贯入海床。待稳定后，观察到试验装置的最终状态如图5所示。由图5可见，模拟裙板最终贯入深度约为0.43 m，处于DNV CN 30.4推荐的最高预期值与最可能值之间，基于CPT试验的裙板入泥阻力计算结果与模拟试验结果误差小于10%，且远小于极限承载力理论对应的3.08 m。这说明DNV CN 30.4的推荐做法更适用于本项目的裙板入泥阻力计算。

基于此次裙板贯入模拟试验结果，估算南海区域土壤kp和kf推荐值分别为0.324和0.008 8，依据DNV CN 30.4的推荐做法计算防沉板裙板的入泥阻力，设计待安装的水下生产设施的裙板高度和结构的配重重量。本项目水下生产设施实际安装结果显示，防沉板的裙板全部贯入海床，达到了预期的效果，保证了水下设施在服役期间的基础稳定性，也避免了因为水洗设备重量不足裙板不能全部被压入泥土的状况发生。

4 结论和建议

裙板入泥阻力试验和水下设施安装施工结果表明，与极限承载力理论相比，DNV推荐的基于CPT试验的裙板入泥阻力计算值与实际情况接近，对实际工程设计具有更好的指导作用。

建议在工程地质调查时，同时进行土壤钻孔取样和CPT试验，并将基于CPT试验的阻力计算值作为裙板入泥阻力的选择依据。当计算所需参数不可靠时，建议采用DNV CN 30.4推荐的参数和做法进行裙板入泥阻力计算，其中，根据裙板贯入模拟试验结果，南海区域土壤裙板端部阻力经验系数kp和裙板侧摩阻力系数kf的推荐值分别取0.324和0.008 8。在水下设施设计时，建议为裙板贯入压力留有一定余量，确保裙板可以贯入到设计深度。最后，建议基于工程项目经验总结出适用于我国土壤情况的CPT试验结果与裙板入泥阻力之间的经验参数关系，用于指导我国的海洋工程项目。