钻井船插桩对海洋平台桩基影响的数值研究

冯加伟，周立臣，梁思颖

(中海石油(中国)有限公司 湛江分公司 工程建设中心，广东 湛江 524000)

0 引 言

自升式钻井船具有移动便利性，被广泛应用于海洋油气勘探开发中。为降低成本，许多海洋油气生产/处理平台不设钻机模块，在投产前需要用自升式钻井船进行打井，在投产后需要用自升式钻井船进行修井。自升式钻井船在靠近海洋平台打井/修井作业时，需要将桩靴插入泥中一定深度，为钻井船提供承载力。为增加钻井船操作稳定性，钻井船桩靴一般设计成大桩靴，直径可达20 m。在钻井船插桩过程中，桩靴会排挤大量土体，对邻近的海洋平台桩基产生影响(额外载荷)，需对此进行研究。

钻井船桩靴贯入土体对邻近海洋平台桩基影响的研究通常有模型试验研究法和仿真数值研究法。试验研究需要一定的条件，付出较高的成本。随着计算机硬件和有限元分析方法的不断发展，土壤本构模型不断完善，有限元方法等数值方法能够有效地模拟各种复杂的桩基贯入问题[1]。国内外学者[2-3]对土体大变形等复杂岩土工程问题的计算方法进行大量研究，研究表明采用耦合欧拉-拉格朗日(Coupled Euler-Lagrange，CEL)法计算土体大变形问题获得的数值结果与离心模拟试验结果一致，可运用CEL有限元数值仿真方法分析实际工程中钻井船插桩对邻近海洋平台桩基的影响。因此，本文用CEL法对钻井船插桩对海洋平台桩基的影响进行研究。

1 研究方法

1.1 耦合欧拉-拉格朗日法

钻井船插桩过程是一个桩靴贯入泥土引起土壤大变形的问题，若运用常规的有限元算法，则在计算过程中有限元离散网格会发生严重畸变，导致计算中断，无法模拟整个连续插桩过程累积的挤土效应对邻近桩基的影响。

拉格朗日法基于粒子思想，研究一个选定的质点在空间运动过程中各物理量的变化规律；欧拉法基于网格思想，以流场为对象，研究各时刻各流体质点在流场中的变化规律[4]。CEL方法是欧拉有限元方法与拉格朗日有限元方法互相耦合的有限元算法，结合欧拉网格中网格固定而材料可以在网格中自由运动的方式建立模型，欧拉体材料与拉格朗日体材料之间的接触采用基于罚函数法的通用接触算法离散。这种方法基于加强的侵入边界方法，使拉格朗日结构融入欧拉体中的空单元，拉格朗日体和欧拉体之间的分界面会被自动计算和跟踪，能够很好地解决涉及大变形的高度非线性的接触问题[5-6]。

1.2 数值模型

建立钻井船桩靴和海洋平台钢桩主要结构模型，钻井船桩靴直径为23 m，立面设计如图1所示。

单位：mm图1 桩靴立面图

海洋平台钢桩直径为2.438 m，材料为DH36，桩长为138 m，入泥深度为114.5 m，桩基壁厚随桩深h变化情况如表1所示。

表1 钢桩壁厚随桩深变化

桩靴与钢桩的相对位置如图2所示，海洋平台A1腿的3根裙桩A1-1、A1-2、A1-3中心距桩靴中心的距离分别为24.949 m、18.792 m、18.261 m。

图2 桩靴与钢桩相对位置示例

土体模型尺寸为138 m(长)×138 m(宽)×150 m(高)，如图3所示。将泥面及泥面以下45 m的土体设为欧拉体，余下的土体设为拉格朗日体，采用六面体进行网格划分。桩靴整体设置成刚体，在泥面之上设置高度为15 m的空穴，为土体提供向上隆起的空间。

图3 土体有限元模型

钻井船就位地质参数如表2所示，将土体取为理想弹塑性：砂土层弹性模量取20 MPa，泊松比取0.300，黏聚力取1 kPa；黏土层弹性模量E取150倍的不排水抗剪强度，泊松比取0.495。

表2 地质条件设计参数

根据桩靴和钢桩的材料属性，桩靴和钢桩的弹性模量为210 GPa，密度为7 850 kg/m3，泊松比为0.250。

1.3 边界条件

将欧拉土体和空穴在3个方向边界节点的水平速度设置为0 m/s，并将边界设置为欧拉吸收边界。将拉格朗日土体区域侧面和底面的位移设置为0 m/s。对钢桩的顶部进行位移约束，仅允许桩发生竖向位移。

在计算时，采用位移控制方式设定桩靴贯入土层的速率为0.5 m/s，桩靴贯入深度为12 m。桩的加载方式如下：将泥面处桩的截面中心与截面耦合在一起，给截面中心施加载荷。

2 计算结果与分析

2.1 桩靴贯入引起的土体响应

桩靴贯入欧拉土体引起周围土体挤压隆起和回淤通过欧拉体积分数(Eulerian Volume Fraction，EVF)进行显示。插桩结束后欧拉体积分数如图4所示。在桩靴贯入过程中，桩靴不断挤压两侧土体使其向外隆起，桩靴上部形成空穴，影响范围约为2倍桩靴直径。当贯入深度为12 m时，受群桩的影响，靠近桩侧土体的回淤现象比远离桩侧明显，如图5所示。

图4 插桩结束后欧拉体积分数

图5 桩靴贯入土体响应

由桩靴贯入土体速度矢量图(见图6和图7)可知，在钻井船桩靴贯入过程中，桩靴下部的土由底部向两侧运动。在桩坑顶部，靠近海洋平台钢桩侧泥面处的土体受到邻近海洋平台钢桩的影响，其运动明显大于远离钢桩侧。

图6 桩A1-1和桩A1-2周围土体速度矢量图

图7 桩A1-3周围土体速度矢量图

图8为桩靴贯入不同深度(4 m、8 m、12 m)后桩A1-3周围土体等效塑性应变分布图。由图8可知，由于桩基的存在，随着桩靴逐步贯入，桩靴两侧的塑性区由对称分布变成不对称分布，这说明桩基影响土体塑性区的分布，从而对桩基承载力产生影响。

图8 桩A1-3周围土体塑性应变

2.2 桩靴贯入对钢桩的影响

图9从左至右分别为桩A1-1、A1-2、A1-3在桩靴贯入不同深度(4 m、8 m、12 m)下的侧向位移分布图。由图9可知，A1-3的位移较大，最大位移出现在桩靴贯入最大深度处。

图9 桩基侧向位移分布

图10为桩靴贯入不同深度下的桩基应力分布图。由图10可知，随着桩靴贯入深度增大，桩基应力逐渐增大，且最大应力位置向下移动。与桩A1-1和桩A1-2相比，桩A1-3的应力较大。

图10 桩基应力分布

由计算结果可知，最危险的桩基是最靠近桩靴的桩基，即桩A1-3。对桩靴贯入不同深度(4 m、8 m、12 m)的桩身数据进行对比可知，当桩靴安装就位，即桩靴贯入达12 m时，桩身应力最大，应力最大处为泥面以下20 m左右，可见桩靴贯入对土体存在一定的影响范围，桩靴对其斜下方处钢桩应力和水平位移影响最大。

2.3 桩靴贯入对桩基承载力的影响

在钻井船插桩过程中，桩靴对邻近海洋平台桩基周围土体和钢桩本身都会产生一定的影响。图11和图12为A1-3桩基在桩靴贯入前后桩基轴向力和轴向位移变化分布图。由图12可知，桩靴贯入对桩身轴向力的影响有限，轴向位移增加约3 mm。

图11 插桩前后A1-3桩基轴向力变化

图12 插桩前后A1-3桩基轴向位移变化

钻井船插桩结束(入泥深度12 m)后，海洋平台桩基周围和钻井船桩靴下部土体出现明显的塑性区(见图13)，桩基周围地基土塑性区从泥面处沿桩身展开，桩靴底部塑性区由两侧底边缘展开并贯通。桩基周围最大展开深度Zmax=12.72 m(泥面处Z=0 m)，桩靴底部塑性区最大开展深度Zmax=15.14 m。在泥面以下11.90 m，桩周出现最大塑性应变。

图13 A1-3桩切面塑性区分布云图

由塑性区分布可知，桩靴插入对于桩基周围土体影响深度为桩靴的插入深度。桩基入泥114.50 m，采用保守的计算方法，塑性区土体不提供相应的侧摩阻力，由此而产生的竖向承载力的降低很小。

综合桩基桩身轴力变化、桩基竖向位移和塑性区展开的情况，得到钻井船插桩对桩基承载力影响较小。

3 结 论

用CEL方法对钻井船插桩过程进行数值模拟，得到钻井船插桩过程引起的土体响应规律，对钻井船桩靴对邻近海洋平台(距离小于1倍桩靴直径)桩基的影响进行分析得到：

(1)在钻井船桩靴贯入过程中，桩靴挤压两侧土体使其向外隆起，桩靴上部形成空穴，桩靴下部土体向两侧运动，受邻近平台桩基影响，靠近桩侧土体运动较远离桩基侧明显，桩靴两侧的塑性区由对称分布变成了不对称分布，靠近桩侧土体回淤更快。

(2)钻井船桩靴贯入对距离桩靴最近的桩基影响最大，随着钻井船桩靴贯入深度增大，桩基应力逐渐增大，桩基最大应力位置逐渐下移，钻井船桩靴斜下方处桩基应力和水平位移所受影响最大。

(3)钻井船插桩过程对邻近平台桩基周围土体影响深度为桩靴插入深度，桩靴对桩基承载力和轴向位移影响较小。