自升式钻井船插桩对导管架平台的影响分析

邢 杰，蔡 鹏，姜海瑞，朱泳吉

（1.中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057；2.中海油能源发展股份有限公司湛江安全环保分公司，广东 湛江 524057）

0 引言

自升式钻井船因其移动便利性，广泛应用与海洋油气勘探开发中。随着我国海洋油气开发场址水深的增加，进行钻井或修井作业时，其就位插桩对导管架平台桩基的影响问题日趋明显。美国轮机与造船工程师学会（SNAME）关于钻井船插桩的规范和国际标准化组织（ISO）在相关规范规定[1-2]，当钻井船桩靴与邻近平台桩之间间距小于1 倍桩靴直径时，就需要评价钻井船插桩对邻近平台桩安全性的影响。目前，对于桩靴的贯入过程涉及岩土工程土体大变形问题，RITSS 法、CEL 法、ALE 法等大变形有限元技术是解决该问题的主要数值手段。国外Hossain等[3]基于RITSS 方法成功预测桩靴在单层或成层土中的插桩阻力及“穿刺”问题。Tho 等[4]在LS-DYNA中采用CEL 方法分析桩靴-邻近桩间的相互作用。Li等[5-6]借助ALE 方法先计算桩靴插桩引起的土体位移，然后借助杆系-土弹簧模型得到了邻近桩的水平位移。通过CEL 法模拟分析，结合南海某钻井船插桩实例，研究钻井船插桩过程中对导管架平台桩基影响。

1 研究方法

1.1 耦合的欧拉-拉格朗日（CEL）有限元方法

钻井船插桩过程会引起土壤大变形，若运用常规的有限元算法，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，无法模拟整个连续过程累积的挤土效应对邻近桩基的影响。耦合的欧拉-拉格朗日（CEL）有限元方法是ABAQUS 中分析流固耦合的关键技术，其结合拉格朗日网格与欧拉网格的优点。

1.2 条件参数

以南海某钻井船插桩为例，建立钻井船桩靴和海洋平台钢桩主要结构模型，桩基的直径为2.438 m，桩靴直径为23 m，平台A1 的三根桩A1-1，A1-2，A1-3 桩中心距桩靴1 中心的距离分别为24.949 m，18.792 m，18.261 m；桩基钢材采用DH36，桩长138 m。

1.3 数值模型

采用CEL 有限元计算方法进行模拟仿真计算，建立桩腿主要结构模型。导管架平台泥面以下3 根桩腿直径均为96 寸（2.438 m），桩长取138 m，入泥深度均为117.5 m。土体模型尺寸为138 m（长）× 138 m（宽）× 150 m（高），将泥面至泥面以下45 m 的土体设为欧拉体，采用六面体欧拉实体单元进行网格划分。剩余的土体设为拉格朗日体，采用六面体拉格朗日实体进行网格划分。土的应力应变关系取为理想弹塑性。对于砂土层，弹性模量取20 MPa，泊松比取0.3，粘聚力c取1 kPa。对于粘土层，弹性模量E取150su，泊松比取0.495。根据桩靴和钢桩的属性，桩靴和钢管桩的弹性模量E取210 GPa，密度取7850 kg/m3，泊松比取0.25。

1.4 边界条件

将欧拉土体及空穴3 个方向边界节点的水平速度设置为0，并且设置为欧拉吸收边界，以防止欧拉土体穿越计算模型的边界，消除由于计算模型尺寸选取可能导致的边界效应。将拉格朗日土体区域侧面和底面的位移设置为0。对桩的顶部进行位移约束，仅允许桩发生竖向位移。计算时，采用位移控制方式设定桩靴贯入土层的速率，速度设置为0.5 m/s，桩靴的贯入深度为12 m。

2 结果分析

2.1 桩靴贯入引起的土体响应

欧拉土体的变形通过欧拉体积分数（EVF）进行观察。钻井船插桩引起的桩靴周围土体的隆起和土体的回淤都可通过EVF 进行显示。桩靴贯入过程中，不断挤压两侧的土体向外隆起，桩靴上部形成空穴，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。图1 为插桩过程中土体速度矢量图，可以看出桩靴下部土体主要由底部向外侧运动。在桩坑顶部，靠近桩一侧的泥面处土体因受桩基的影响，向靠近桩靴一侧运动程度明显大于远离桩基的一侧。而在桩靴底部，则因受桩基影响，使桩靴的水平方向位移受限。这种运动趋势有可能导致钻井船向远离平台的方向倾斜。

图1 桩A1-1＆2 周围欧拉土位移矢量图

图2 为桩靴贯入不同深度（4 m，8 m，12 m）后，桩A1-1、A1-2 周围土体内等效塑性应变分布，由图可见，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了不对称分布，说明桩基会影响土体塑性区的分布，而桩体周围塑性的土体将对桩基的承载力产生影响。

图2 桩A1-1＆2 周围欧拉土位移矢量图

2.2 桩靴贯入造成的桩响应

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

图3 桩基应力分布图

2.3 桩身强度校核

根据中国船级社规范，钢管桩壁厚需满足以下两个条件：（1）最小厚度t应满足：t> 6.35 +D/100，经验算，桩身壁厚都满足最小厚度t的要求。（2）桩身工作应力应小于许用应力，即：

桩基钢材为DH36，屈服强度355 MPa，许用应力[σ] = 0.6σs= 213 MPa = 213 N/mm2。式中：t为桩基壁厚，mm；D为圆管外径，mm；N为计算截面的轴向力，N；A为圆管的截面面积，mm2；Mx、My为计算截面分别绕x轴和y轴的弯矩，N·mm；W为圆管截面的剖面模数，mm3。根据计算结果，可以得到，A1 桩位最危险的桩基都是最靠近桩靴的位置，即桩A1-3。而通过对桩靴贯入分别为4 m，8 m，12 m 时的桩身数据进行对比，结果表明，当桩靴安装就位，即桩靴贯入达到12 m 时，桩身应力最大。通过对桩靴贯入12 m 的应力比值和弯矩分布可知，桩身的工作应力与许用应力的比值在桩靴最终深度（约泥面以下12 m）处达到最大，此后逐渐减小，在泥面下40 m 左右达到初始水平，此后再次出现增大，至60 m 左右恢复初始状态。这种现象是由40 m 处出现反弯点，而40 m 以下桩基壁厚减小所导致的。桩靴贯入对土体存在一定的影响范围，桩周土体最大水平位移存在于桩靴最大截面斜下方近似40°处，可得到土体的最大水平位移出现在37 m 附近。

2.4 对桩基竖向承载力的影响

在桩靴插桩过程中，对桩基周围土体以及桩基本身都将产生一定的影响。从A1-3 桩基在桩靴插桩前后桩基轴力和轴向位移分布可知，桩靴贯入对桩身轴向力的影响有限，轴向位移增加了约3 cm。插桩结束后，桩基周围和桩靴下部土体出现明显的塑性区，桩身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。桩身周土塑性区最大开展深度Zmax= 12.72 m（泥面处Z= 0），桩靴底部塑性区最大开展深度Zmax= 15.14 m。泥面以下11.9 m 桩周出现最大塑性应变。综合考虑桩基桩身轴力变化，桩基竖向位移以及塑性区展开的情况，可得出桩靴插桩对桩基竖向承载力影响较小。

2.5 对桩基水平向承载力的影响

在桩靴插桩完成后，采用设计极限荷载，计算桩基的水平向位移，从而实现模拟分析桩基的水平向承载力。计算结果如图4 所示，其中Pene 代表桩靴插桩结束时的桩身位移，load2 代表施加了极限荷载后的位移。从计算结果可以看到，在桩靴插桩完成后，如果在遭遇极限条件，桩基的水平向和竖直向位移增量均在3 cm 以内。

3 结论

（1）在桩靴插桩过程中，桩靴与桩基会发生相互的影响。桩靴上部靠近桩基一侧的泥面处的土体回淤明显，而桩靴底部则水平向位移受限。桩靴周围土体的运动趋势有可能导致钻井船向远离平台的方向倾斜。

（2）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。桩身最大应力比出现在40 m 附近。桩周土体最大水平位移存在于桩靴最大截面斜下方近似40°处。

（3）综合考虑桩基桩身轴力变化、桩基竖向位移以及塑性区展开的情况，可得出桩靴插桩对桩基竖向承载力影响较小。