长江下游地层自升式平台站桩与升降试验研究

刘 伟，林 磊，陈伶翔，朱见华

(招商局重工(江苏)有限公司，江苏 南通 226116)

0 引言

随着海洋装备产业的发展，自升式平台的建造数量与日俱增。自升式平台通常采用三腿桩或者四腿桩站立在海床面上，通过升降装置将主船体、生活楼、悬臂梁等重量传递到桩腿，所以自升式平台的站桩和升降试验是其建造周期内的关键节点。站桩压桩是对自升式平台升降装置刹车能力的校核，升降试验是对升降装置升降能力的校核，是验船师检验升降性能的一个重要环节，也是升降装置取得船级社证书的最后一步关键性试验。

本文首先综合评估平台插桩入泥区域土质的参数，其次计算入泥深度，并对穿刺风险进行评估，为平台站桩压桩与升降试验的实施提供参考。

1 长江下游某码头地质分析

1.1 地质简介

通过实际钻探采样，再进行室内研究分析各土层物理力学性质，对比分析各土层物理力学性质差异，将长江下游某码头区域分为7个工程地质层，自上而下分述如下：

①淤泥；

②淤泥质粉质粘土；

③粉土夹粉质粘土；

④粉土；

⑤粉土夹粉质粘土；

⑥粉质细砂夹粉土；

⑦1粉质细砂夹粉土、1a粉质粘土夹粉土、2粉质细砂夹粉土、2a淤泥质粉质粘土、2b淤泥质粉质粘土。

1.2 岩土参数选取

综合分析各工程地质钻孔的柱状图、原位测试成果、土工试验结果，给出长江下游某码头不同位置的工程地质层厚度、抗剪切强度、水下容重、内摩擦角范围等相关参数，用于评估平台插桩入泥深度的参数表，见表1。

表1 评估平台插桩入泥深度的地质参数

1.3 入泥深度估算

自升式平台升船过程中，其桩腿桩靴插入海底土层中，当桩腿桩靴受到的支反力与海底泥面承受的极限载荷平衡时，平台完成站桩。在站桩之前，需根据地质分析报告和冲击试验报告对桩腿插桩时的入泥深度进行估算，防止平台在插桩过程中出现桩腿穿刺等危险状况，且该估算报告能够保证平台在当前位置有足够的安全作业气隙。

站桩过程中，当桩腿站桩载荷超过海底土层的极限承载力时，桩腿会发生穿刺现象，对平台的安全具有极大的威胁，因此需对该极限承载力

Q

进行估算。计算一般使用美国石油协会标准

American

Petroleum

Institute

Recommended

Practice

2

A

中推荐的关于浅基础和桩基础的方法，如下：

Q

=

q

A

+

γ

V

式中：

q

为桩脚的单位面积极限承载力；

A

为桩脚的最大平面积；

γ

为由桩脚排出土的平均有效重度；

V

为桩脚的体积。

q

的计算方法如下：

q

=

S

N

(不排水粘性土)

q

= 0.3

γ

BN

+

P

(

N

-1)(排水粒状土)式中：

S

为桩脚下

B

/2深度以内平均不排水抗剪强度；

N

为不排水粘土的无量纲承载力系数；

γ

为桩脚下

B

/2以内土的平均有效重度；

B

为桩脚的实际基础直径(最宽截面)；

N

、

N

为根据内摩擦角而定的排水粒状土无量纲承载力系数；

P

为桩脚深度处的有效上覆压力。

N

、

N

的关系如下：

N

=2(

N

+ 1)

N

计算方式如下：

N

= 6(1+ 0.2

D/B

)≤9式中：

D

为桩脚实际基础深度(最宽截面)。当桩靴穿过土层以后，桩靴插桩过程中产生的间隙由回填土填满。假设回填土为排水粒状土质，那么其承载系数

N

和

N

可按照

American

Petroleum

Institute

Recommended

Practice

2

A

：

Load

and

Resistance

Factor

Design

F

中提供的值选取。承载系数

N

值的选取见表2。

表2 承载系数Nq的值

1.4 穿刺分析

在入泥深度估算中，实际情况不全部是粒状土或粘性土，有可能在粒状土或粘性土之间夹杂着一层软粘土，或者在软粘土上覆盖着一层硬粘土层或粒状土层。在插桩过程中，由于承载力不同，可能会出现桩腿穿刺的潜在风险，所以对于这种类型的土质剖面必须进行穿刺分析。

对于硬粘土层或粒状土层覆盖软粘土层的穿刺通常采用HANNA等和BROWN等提出的方法进行分析。另外，对于穿刺分析，在工程应用中也常用YOUNG等提出的3∶1载荷扩展分析法。该方法假定硬土层(上层)的载荷通过3∶1的比例分解成垂直方向和水平方向，并且该载荷通过硬土层传递到软土层的顶面，如果该等效载荷未超过软土层的承载力，那么该插桩过程将不会发生穿刺。在这种情况下，穿刺的安全性主要取决于上覆硬层的厚度。穿刺分析中承载力

q

的表达式为

q

=6

S

(1+ 0.2

D

′

/B

′)

A

′/

A

≤

q

B

′=

B

+ 2

H/

3

D

′=

D

+

H

1.5 工程实践

CJ50钻井平台为三腿自升式移动钻井平台，其桩脚式基础的最宽部分面积为200 m，等效有效直径为16.0 m，最宽截面至桩脚尖的深度为2.2 m，桩脚体积约为600 m。预压载时，每只桩脚的最大预压载为1.177×10N(12 000 t)。桩靴示意图见图1。

图1 桩靴示意图(单位：m)

根据码头场地类别，选取2个区域的地质进行分析，地质剖面的选取见图2。IV类场地选取1-1′工程地质剖面(BH1-BH9孔)，III类场地选取2-2′工程地质剖面(BH10-BH19孔)。

图2 码头勘探点平面图(单位：m)

根据前述的分析方法和土质参数进行土的承载力分析，并汇总CJ50钻井平台的计算结果。

(1)在1-1′工程地质剖面，CJ50钻井平台在最大预压载下，钻井平台的桩脚尖部最终入泥深度为10.2～10.4 m(见图3)，无穿刺的危险。

图3 CJ50桩脚载荷与桩脚尖入泥深度曲线

(2)在2-2′工程地质剖面(BH10孔至BH12孔)。CJ50钻井平台在最大预压载下，桩脚尖部最终入泥深度为4.0～7.7 m(见图4)，无穿刺的危险。

图4 CJ50桩脚载荷与桩脚尖入泥深度曲线

(3)在2-2′工程地质剖面(BH13孔至BH19孔)。CJ50钻井平台在最大预压载下，桩脚尖部最终入泥深度为3.7～4.7 m(见图5)，无穿刺的危险。

图5 CJ50桩脚载荷与桩脚尖入泥深度曲线

JU-2000E、CJ46、NG-2500等不同型号的自升式平台在站桩压桩前均通过上述理论方案计算入泥深度，并根据穿刺安全系数进行风险评估，相对于穿刺的安全系数见图6。

最大安全系数计算公式如下：

F

= ③/①式中：

F

为最大安全系数；①为最大设计桩腿载荷，包括全部静、可变、钻井或风暴载荷；③为最大计算承载力。

最小安全系数计算公式如下：

F

= ④/①式中：

F

为最小安全系数；④为最小计算承载力。

图6 相对于穿刺的安全系数

实测安全系数计算公式如下：

F

= ②/①式中：

F

为实测安全系数；②为施加的预压载。

根据以上公式进行穿刺安全系数计算，当实测安全系数在最大安全系数与最小安全系数之间时，可以进行插桩试验。

2 插桩压桩

当自升式平台桩腿插入海床后，通过观察升降控制室的受力情况和齿条间相位差(Rack Phase Difference，RPD)的变化来判断插桩是否成功。升降系统厂家会给出明确的RPD上限值，这也是插桩位置是否满足升降条件的重要判断依据。如果RPD值满足要求就可以将平台升至2 m吃水并通过升降控制室倾斜仪观察平台水平状态，否则需要重新选择插桩位置。该步骤通过减少吃水，将载荷通过升降系统传递至桩靴，从而增加桩靴的入泥深度。维持0.5 h后，如果没有问题即可继续升船至0.5 m吃水，继续提高桩靴受力，增加入泥深度。如一切正常继续升船至0.5 m气隙(船底板距离水面的距离)继续观察。待一切稳定，进行压桩作业。

对于在海上作业的平台，压桩前会根据倾斜试验得到的主船体的重量重心和平台的装载情况来调载。处于建造阶段的平台，其首次插桩前需要根据下水浮态推算出重量重心，并以此作为压桩压载方案编制的依据。为保证安全，建造自升式平台的厂家选择平台在0.5 m气隙时进行压桩作业，一旦出现意外平台可以迅速入水，降低风险。

对于某码头的三桩腿自升式平台，如选择的插桩地点未曾进行过插桩作业，考虑到平台的安全，一般采取单腿压桩的方案。单腿压桩是通过压载水使单条桩腿的受力达到升降系统最大夹持能力，桩靴受力达到最大值，维持该状态直至桩腿不再下沉。单腿压桩的优点就是1条腿受夹持，另外2条腿仍旧可以进行升降操作，一旦出现穿刺，另外2条腿可以立即降船使平台在最短的时间入水，避免倾覆，但是单腿压桩方案耗时相对较长。对于已有平台站立过的插桩位置，其穿刺风险已基本排除，可以采取平压方案进行压桩作业，通过调整压载水使平台3条腿同时达到最大夹持力。对于四桩腿的自升式平台，一般采取对角压桩的方案，升船至0.5 m气隙后，逐步抬升任一对角线上的2条桩腿，减小其受力，增加另2条桩腿受力直至升降系统最大夹持能力，增加其入泥深度。

当JU-2000E、CJ46、CJ50、NG-2500等不同型号平台的插桩压桩试验结束后，将试验实际测量入泥深度与理论计算方法得出的入泥深度进行对比，结果显示入泥深度偏差在可接受范围内，且未曾发生过穿刺事故。因此，自升式平台入泥深度及穿刺风险的评估方法对于长江下游地层适用性良好。

3 升降试验

自升式平台下水压桩完成后会进行升降试验。升降试验是校验升降系统功能的一个重要环节。一般自升式平台的升降试验分为最大预压载升降船、正常升降船和全程升降等步骤。

最大预压载升降船试验是通过调整压载水使每个齿轮的受力达到设计的最大值来进行短距离的升降船试验，其作用是校验升降装置的最大升降能力能否满足设计要求，以及是否能满足作业的极限工况。最大预压载升降船试验为后期平台作业装载手册极限工况的编写提供了可靠的计算依据。

正常升降船试验是校验平台在加上所有可变载荷的情况下升降速度能否满足设计要求，是否满足设计的工况。正常升降船的数据也是后期编写装载手册的重要依据，同样也是船级社对升降装置取证的最终校验标准。

全程升降船试验是在自升式平台的桩腿全部焊接完成后，以最小的齿轮受力使平台升到桩腿的顶部。此项试验的目的是为了校验平台是否能完全在整个桩腿上进行升降，并证明桩腿的建造是否完全满足升降的要求，同时也是对升降系统中的上限位的校验和设定。在升降过程中，上限位是自升式平台升船的最大上限值。

4 结论

(1)根据长江下游地质土层物理力学性质，通过理论方案计算入泥深度，并对穿刺风险进行评估。

(2)通过理论的插桩计算分析，结合某码头各种不同型号平台的插桩压桩试验的顺利完成，说明理论计算方法是可行的，长江下游地质适合进行平台的插桩和升降试验。

(3)当整个升降试验完成即证明整个升降系统满足设计要求。