南海北部湾打入式隔水导管承载力CPT设计方法*

刘功艳 管 申 刘贤玉 曹 峰 王 腾

(1.中海油能源发展装备技术有限公司南海工程分公司 广东湛江 524057； 2.中海石油(中国)有限公司海南分公司 海南海口 570300;3.中海石油(中国)有限公司湛江分公司 广东湛江 524057； 4.中国石油大学(华东)石油工程学院 山东青岛 266580)

隔水导管是从海上钻井平台下入的第一层套管，为井口和表层套管提供支撑和保护。钻井隔水导管的承载力和下深设计直接影响井口的稳定性[1]。浅海导管架平台的隔水导管通常采用打桩法作业，打入法下钻井隔水导管具有作业程序简单、时效高、隔水导管承载力更大等特点。

隔水导管的打桩贯入过程引起桩侧周围土体应力场剧烈变化，桩周土体的循环剪切造成桩侧摩阻摩擦疲劳现象[2]。Jardine[3]发现桩土界面摩擦疲劳是由于桩土界面剪切导致颗粒破碎产生的。国外许多学者通过模型试验、现场试验建立桩侧摩阻力与静力触探试验(CPT)阻力的经验关系，提出了基于CPT的打入桩设计方法，主要有Fugro-O5、ICP-O5、NGI-O5和UWA-O5等方法[4-7]。

CPT设计方法充分考虑了桩打入过程中桩侧应力场发展规律对其竖向承载力的影响，其可靠性已经通过大量静载试验数据库分析得到了初步验证[8-9]。与传统的API[10]设计方法相比，CPT方法的计算结果更接近于实测值，且离散性更小[3,6]。API意识到传统经验计算方法的缺陷，将上述4种基于CPT的设计方法纳入到最新版本的附录条款说明中(API RP2GE0 2014)，并建议工程设计使用[11]。

本文基于CPT法对打入式隔水导管的承载力进行设计，并与API法进行对比分析，研究砂土密实程度、导管下深对导管单位侧摩阻力及承载力影响，并通过南海某工程实测CPT数据对打入式隔水导管承载力的可靠性进行评估,以期为隔水导管承载力计算提供参考。

1 桩侧摩阻力的计算方法分析

1.1 API和CPT桩侧摩阻力计算模型

1)API桩侧摩阻力计算模型。

打入式隔水导管的承载力主要由桩侧摩阻力来提供。其竖向承载力Q主要由桩侧摩阻力Qs组成，如式(1)所示。

(1)

式(1)中：τf为单位极限桩侧摩阻力，kPa；z为桩端入土深度，m；D为桩基外径，m。

(2)

式(2)中：Kf是水平土压力系数，对于打入式开口管桩，无土塞时Kf=0.8，有土塞或密口桩Kf=1.0；δf为钢—砂界面摩擦角，典型值介于28°～30°。对于长桩，API给出了δf桩土界面摩擦角和极限侧摩阻力τflim建议取值。

2)CPT桩侧摩阻力计算模型。

Lehane研究团队的UWA-O5 CPT设计方法与其他3种CPT方法相比，其可靠性更高[11]。其桩侧局部摩阻力计算公式如下:

(3)

(4)

式(4)中：h为考察点与桩端的竖向距离，m；Arseff表示考虑土塞效应桩端横截面面积，m2。

Manassero等[12]给出了根据CPTqc值确定砂土相对密实度的方法，如式(5)所示。

(5)

根据《土工试验方法标准》[13]，假定均质密实砂土的相对密实度Dr=80%，中等密实砂土Dr=50%。土体的有效重度为9.0 kN/m3,依据式(5)得到密实砂土、中等密实砂土CPTqc随深度变化曲线如图1所示。

图1 均质砂土CPT锥端阻力

对于给定土层的CPTqc数据，结合式(2)～(5)计算得到桩侧局部侧摩阻力和导管的承载力。

1.2 CPT、API法桩侧摩阻力计算结果分析

1)密实砂土桩侧摩阻力计算结果分析。

CPT方法计算桩侧径向应力表达式(4)中存在h/D摩擦疲劳效应，随打入桩长的增大，桩侧土阻力摩擦退化越显著[13]。所以，对下深为30、40、50 m等3种下深导管的摩擦疲劳效应进行了对比分析。

给定隔水导管外径D=0.914 m,内径Di=0.864 m，桩土界面摩擦角δf=29°，Kf=0.8，分别由API法和CPT法得到密实砂土层中导管的单位侧摩阻力随深度变化曲线如图2所示。

图2 密实砂土中单位侧摩阻力随深度变化

从图2中可以看出，密实砂土层中，API法桩侧单位侧摩阻力随深度增大，在30 m处达到其极限单位侧摩阻力τflim=96 kPa后，随深度保持不变。CPT法的单位侧摩阻力随深度近似呈指数规律增大；在同一深度处，由于导管长度越大其浅层侧摩阻力的摩擦疲劳效应越显著。但在导管底部，CPT法的单位侧摩阻力远大于API值。

2)中等密实砂土桩侧摩阻力计算结果分析。

中密砂土层中导管的单位侧摩阻力随深度变化曲线如图3所示。从图3中可以看出，中等密实砂土层中，API方法得到的桩侧单位侧摩阻力在24.5 m处达到其极限侧摩阻力后，随深度保持不变。CPT法中，同一深度处的单位侧摩阻力随导管下深增大而减小，这与密实砂土一致。但与密实砂土不同的是,API法显著高估了导管的单位侧摩阻力，从而导致极端承载力值也远大于CPT法。

图3 中等密实砂土中单位侧摩阻力随深度变化

3)极限承载力计算结果分析。

密实、中密砂土层中导管下深30、40、50 m的承载力比较见表1。密实砂土层中，导管下深30 m时，QAPI密实比QCPT密实偏小30.8%；下深50 m时，QAPI密实比QCPT密实偏小8.8%；中密砂土层中，下深30 m时，QAPI密实比QCPT密实偏大104.8%；下深50 m时，QAPI密实比QCPT密实偏大134.8%。研究表明，中等密实砂土摩擦疲劳效应显著，API计算结果偏大偏不安全，这与文献[14]的结果基本一致。

表1 API法与CPT法导管极限承载力比较

2 南海北部湾现场应用

南海北部湾场址岩土工程勘察报告给出土层的原位静力触探测试qc随深度变化曲线如图4所示。对φ914.4 mm隔水导管分别采用CPT法和API法得到的导管单位侧摩阻力、侧摩承载力随深度变化曲线如图5、6所示。从图5单位侧摩阻力曲线分布可以看出，导管上部4/5长度范围内其单位侧摩阻力小于API法；而在接近桩端1/5长度范围内，其单位侧摩阻力远大于API法。从图6导管承载力比较图中可以看出，API法对导管上部的单位侧摩阻力计算值偏大，对导管底部的计算值偏小，但整体承载力与CPT法基本相同。这主要是因为场址土层多为密实到非常密实砂层，摩擦疲劳效应较弱，对API法计算结果影响较小。

图4 南海某场址CPT锥端阻力曲线

图5 导管单位侧摩阻力随深度变化曲线

图6 导管承载力随深度变化曲线

3 结论

1)CPT法考虑了打桩对桩周土体的摩擦疲劳效应，导管同一深度的侧摩阻力随导管下深增大而减小；与密实砂土相比，中等密实砂土摩擦疲劳效应显著。

2)与CPT法相比，密实砂土中API法低估导管承载力，随深度增大，偏小幅度增大；中等密实砂土API高估承载力，随深度增大，高估程度增大；下深50 m时高估134.8%。

3)结合北部湾工程现场40 m导管打入能量分布曲线,验证了CPT法的正确性，可为打入式隔水导管承载力的可靠性评估提供借鉴。