深水平臺吸力沉箱基礎工程地質問題分析

曲延大，王建華

（1.中海油田服務股份有限公司，天津 300452；2.天津大學巖土工程研究所，天津 300072）

深水平臺吸力沉箱基礎工程地質問題分析

曲延大1，王建華2

（1.中海油田服務股份有限公司，天津 300452；2.天津大學巖土工程研究所，天津 300072）

針對深水平臺吸力沉箱基礎，討論了與沉箱安裝有關的分析方法及涉及的工程地質參數，分析了承受豎向拉拔荷載、傾斜與水平荷載作用的吸力沉箱極限承載力的分析方法及涉及的工程地質參數，對與吸力沉箱設計有關的其它問題也進行了分析。在此基礎上，闡明了與吸力沉箱設計有關的工程場地調查內容及需要確定的工程地質參數。其目的是為開發深水平臺吸力沉箱基礎提供一些有益的參考。

深水平臺；吸力沉箱；基礎工程；地質分析

深水平臺的設計與建造是“十二·五”重大科技專項深水油氣資源開發中的重要研究內容，其中的地基基礎設計是深水平臺集成設計的關鍵支撐技術。與淺水平臺相比，深水環境下，工程地質調查費用高，需要的設備投資大，如果不能按基礎設計所需的參數恰當安排工程地質調查內容，后期再進行補救，會大大增加工程投資費用。因此，分析深水平臺基礎設計中所涉及的工程地質問題，正確理解深水平臺地基基礎設計所需的工程地質參數，對于規劃與安排相應的工程地質調查內容是必要的前提。

與淺水平臺的地基基礎設計相比，設計深水平臺基礎時，遇到的不確定性因素更多。對已有的研究與工程經驗進行分析，闡明進行深水平臺基礎設計與實踐中涉及的關鍵工程地質問題，對于形成一套規范的深水平臺基礎工程設計方法是十分必要的。為此，本文針對在深水軟弱土層中有良好應用前景的吸力沉箱基礎，分析設計時需要考慮的關鍵工程地質問題以及在相應的平臺場地工程地質調查中需要確定的工程地質參數，為進行工程實踐與進一步的相關研究提供一些有益的參考。

1 吸力沉箱的安裝

吸力沉箱基礎是一端封閉一端敞開的鋼質圓筒，為了增強吸力沉箱自身的穩定性，沉箱內部還會帶有加筋結構。與樁基礎相比，吸力沉箱是一種入土深度較淺的基礎，它的高徑比一般設計在1.5～6的范圍內，安裝時依靠自重與沉箱內外的壓力差將吸力沉箱沉入海底的土層中。作為吸力沉箱基礎，設計中需要考慮的主要工程地質問題之一就是確定吸力沉箱就位安裝時的貫入阻力與貫入深度。

客觀評價吸力沉箱安裝時的貫入阻力對于成功安裝沉箱是十分重要的[1-4]。吸力沉箱安裝時的貫入阻力包括沉箱貫入土層時其內、外側壁與土層之間的摩擦力以及沉箱端部受到的土層貫入阻力。對于帶有內部加筋結構的吸力沉箱，尚需考慮這些部分結構產生的貫入阻力。如果僅考慮沉箱貫入土層過程中需要的負壓，則它等于總的貫入阻力減去沉箱的有效重量后再除以沉箱內的橫截面積。如果在沉箱貫入過程中考慮沉箱內土塞的穩定性，那么沉箱貫入土層時的安全負壓為沉箱內壁的摩擦力與沉箱底部土塞范圍內的地基反向承載力之和再除以沉箱內的橫截面積。若后者小于前者，則無法單純利用負壓方法使沉箱完全貫入地基土層中。若后者大于前者，則能夠在保證沉箱內部土塞穩定性（即沉箱內部土塞不產生隆起破壞）的前提下使沉箱貫入預定的土層深度。

按式（1）確定沒有內部加強結構吸力沉箱的貫入阻力。通常使用總應力方法確定沉箱內、外側壁與土層之間的剪切強度，同時還必須確定沉箱貫入深度范圍內土層的重塑剪切強度。如果吸力沉箱的內、外側壁涂有漆層，在依據土層的剪切強度確定貫入阻力時，應當對剪切強度進行適當折減。已有研究表明，利用總應力法確定的貫入阻力與實測結果基本吻合。對于帶有內部加強結構的吸力沉箱，式中還應包括這些加強結構產生的貫入阻力。

式中：Qtot為沉箱貫入時受到的總阻力；Awall為沉箱入土部分內外壁的面積；α為土與沉箱側壁之間的摩擦系數，通?？梢匀檎惩领`敏度系數的倒數；Su1為通過單剪試驗確定的沉箱側面處土的剪切強度；Nc為按照平面應變條件確定的地基承載力系數，可以取為0.5；Su2為按三軸壓縮、三軸拉伸與單剪試驗確定的沉箱底部土層的平均剪切強度；γ'為土層的有效容重；z為沉箱入土深度；Atip為沉箱底部的環狀面積；Ra為沉箱內部加強結構產生的貫入阻力。

一旦負壓作用下沉箱貫入土層的過程達到平衡，增大負壓只能使箱內的土塞產生隆起、甚至破壞而不能改變沉箱的貫入深度。因此，在用負壓方法安裝吸力沉箱時，為避免產生上述現象，必須確定沉箱貫入土層時使用的臨界負壓，可以按式(2)確定吸力沉箱貫入土層時使用的臨界負壓。

式中：pc為沉箱貫入時使用的臨界負壓；Nc1為沉箱底面的地基反向承載力系數，其變化范圍在6.2～9之間；Su2含意同上；A3為吸力沉箱入土部分內壁的面積；A4為沉箱內壁圍成的橫截面積。

通常，土塞影響的不確定性是評價沉箱最大貫入深度時遇到的主要問題?？梢允褂脙煞N方法確定吸力沉箱的最大貫入深度，通過引入沉箱安裝時的安全系數確定吸力沉箱的最大貫入深度。安全系數的定義是臨界負壓與實際使用的負壓之比。當安全系數達到1.5時對應的沉箱貫入深度可以作為吸力沉箱的最大貫入深度。一般講，軟粘土中吸力沉箱的最大貫入深度大約是其直徑的7～15倍，當然這也取決于沉箱重量、側壁摩擦系數與貫入過程中使用的安全系數[1-2]。

2 吸力沉箱的承載力

評價承載力是設計吸力沉箱基礎的又一關鍵工程地質問題。深水平臺一般采用浮式結構，作為深水平臺的基礎，吸力沉箱是當作錨來利用的。它受到的荷載主要為平臺通過錨索傳給沉箱的工作荷載以及海洋極端環境條件引發的循環荷載。按照其工作方式的差異，工程中主要有三種工作方式的吸力沉箱基礎：承受豎向抗拔力的吸力沉箱基礎，承受水平荷載的鏈懸式吸力沉箱基礎以及承受傾斜荷載的張緊式吸力沉箱基礎。評價不同工作方式的吸力沉箱承載力包括工作荷載作用下的承載力以及在工作荷載與環境荷載（循環荷載）共同作用下的承載力。

圖1 受拉拔荷載吸力沉箱的破壞模式

2.1 承受豎向拉拔荷載的吸力沉箱極限承載力

當吸力沉箱承受豎向拉拔力時，按照其受到的荷載作用時間、沉箱密封方式的差異可以將其破壞模式分為3種，見圖1。圖中：W是沉箱有效重量，fo與fi是沉箱外壁、內壁與土之間的摩擦力；Wplug是土塞的有效重量。無論是哪一種破壞模式，均可以用式(3)描述沉箱的承載力。

式中：W為沉箱的有效重量；Wsoil為沉箱內土塞的重量；Qside為沉箱側壁與土之間的摩擦力，按式(4)計算；Qtip為沉箱端部的反向承載力，按式(5)計算。

式中：Aside為沉箱入土范圍內側壁的面積；α為樁側壁與土之間的摩擦系數，研究表明，土體完全固結后，α的取值在0.5～0.7之間；Su為由單剪試驗確定的樁側土的不排水剪切強度。

式中：Nc為地基反向承載力系數，變化范圍為7.6-9；Su為由三軸壓縮、拉伸與單剪試驗確定的沉箱底部土層不排水平均剪切強度；σv0'為沉箱貫入深度范圍內的有效上覆壓力，Atip為沉箱底部的面積。

第1種破壞模式對應于沉箱頂蓋部分不能保持密封的情況。此時，在豎向拉拔荷載作用下，吸力沉箱與其內部的土塞之間不能保持密封。這時的承載力Q包括沉箱內壁、外壁與土體之間的摩擦力Qside，沉箱底部環狀邊緣的反向承載力Qtip以及沉箱的有效重量W。由于此種條件下沉箱內的土塞不能與沉箱一起拔出土面，這時式(1)中的Wsoil應取為零。Atip是沉箱底部環狀面積。

第2種破壞模式對應于沉箱頂部密封，在豎向拉拔荷載作用下底部土層中能產生足夠的負壓使沉箱底部整個圓形面積上的反向承載力完全發揮，且沉箱內的土塞隨沉箱一起拔出土面的情況。此時的承載力包括沉箱外壁與土體之間的摩擦力Qside、沉箱的有效重量W、沉箱底部圓形面積范圍內的反向承載力Qtip。如果沉箱安裝后能確認沉箱頂部密封，就可以按這種破壞模式評價沉箱的短期穩定性。

在評價長期荷載作用下吸力沉箱承載力時，須考慮極端海洋環境導致的循環荷載對沉箱承載力的影響。由于循環荷載的作用，即便是吸力沉箱頂部能保持比較好的密封情況，其沉箱底面的反向承載力也很難完全發揮。因此，作為一種保守的估計，依據第3種破壞模式評價長期拉伸荷載作用下吸力沉箱的承載力是比較恰當的。此時，將沉箱底部的反向承載力取為零是一種最安全的估計。因此第3種破壞模式對應的沉箱承載力就等于沉箱外壁與土體之間的摩擦力、沉箱內部土塞的有效重量與沉箱的有效重量之和。

2.2 水平與傾斜荷載作用下吸力沉箱承載力

水平或傾斜荷載作用下吸力沉箱的承載力取決于荷載的作用位置與沉箱的破壞模式。此時無法用經典地基承載力公式評價吸力沉箱的極限承載力，采用塑性極限上限分析法與極限平衡分析法評價其極限承載力是目前常用方法[5-10]。

式(6)是利用塑性極限上限分析法確定水平與傾斜荷載作用下吸力錨極限承載力的關系式。式中轉動中心位置L0以及速度相關參數ξ為求解未知量，改變參數L0和ξ，求出所有上限解的最小值就得到與錨真實解最接近的上限解。

式中：H為張緊式吸力錨極限承載力的水平分量；α為錨側壁和土之間摩擦系數，0≤α≤1；s為土層對錨水平阻力的衰減系數；Fls為錨側壁單位長度水平阻力；Rf為泥面處土層承載力衰減系數；Fas為錨側壁單位長度土體的豎向阻力；L0為轉動中心距泥面距離；Li為系泊點距泥面距離；Mb為吸力錨底部球形破壞面剪切阻力對轉動中心的力矩；Vb為底部土層的反向承載力；ξ為速度轉化參數，θ為荷載傾斜角。

圖2 受水平與傾斜荷載作用吸力沉箱的極限平衡破壞模式

當吸力沉箱在最佳受荷點受水平或傾斜荷載時，其達到極限平衡狀態時的破壞模式見圖2。該破壞模式包括淺層三維楔體滑動破壞區與深層平面應變流動破壞區，淺層滑動破壞區深度為H1。水平方向作用力有：沉箱受到的主動土壓力Hactive和被動土壓力Hpassive，考慮滑動楔體三維效應時在主動、被動區形成的水平土壓力Hactive，side和Hpassive,side， 沉箱前后面與土體之間相互作用產生的水平剪切力Hanchor,side，由于深部土層流動作用在沉箱上的水平力Hanchor,deep，沉箱底部與土層之間的水平剪切力Hanchor,tip；豎直方向作用力有：主動、被動區的沉箱側壁與土體之間的豎向剪切力Tactive與Tpassive，沉箱前后面與淺部土層之間相互作用產生豎向力Tanchor,side，深層部分沉箱側壁與土之間相互作用產生的豎向力Tanchor,deep，以及沉箱底部的反向承載力Vanchor,tip。利用極限平衡法計算極限承載力時，通過改變沉箱側壁與土體之間摩擦系數，求出相應的優化解，此時在一個方向（豎直或水平）滿足極限平衡條件，在另一個方向（水平或豎直）滿足靜力平衡條件，即在這個方向的極限承載力大于此方向實際受到的力。

利用上述兩種方法評價水平或傾斜荷載作用下吸力沉箱的極限承載力時，需要通過單剪試驗確定錨貫入深度范圍土層的不排水剪切強度，還需要通過三軸壓縮、三軸拉伸、單剪試驗確定錨底以下土層的不排水剪切強度。

2.3 循環承載力

正常使用過程中的吸力沉箱，不僅僅受到工作荷載的作用，還受到由波浪通過上部結構傳遞的循環荷載作用。因此在評價吸力沉箱靜承載力的同時，還必須評價循環荷載作用下吸力沉箱的循環承載力。已有研究表明，循環荷載作用下粘土地基中吸力沉箱的地基承載力會明顯降低。導致降低的主要原因有 (1)循環荷載的作用會使土體發生弱化，從而導致地基土體強度特性的降低；(2)循環荷載的作用會使吸力沉箱底部區域的負壓降低，從而導致吸力沉箱底部的反向承載力降低。目前，評價吸力沉箱循環承載力的成果為數甚少。原則講，可以使用極限平衡法或有限元數值方法評價循環承載力，但需要通過循環土性試驗確定分析所需的循環土性參數。已有研究表明，土的循環破壞既取決于循環應力的大小，也取決于靜應力的作用方式與大小。循環強度隨靜應力的變化不是一個單調增減的關系，當破壞振次給定時，只有當靜應力達到某一特定值時，土單元才具有最大的循環強度。

Andersen曾利用循環三軸與循環單剪試驗較為系統地研究了粘土的不排水循環特性，得出了一系列粘土在循環破壞時的靜應力與循環應力之間的關系[13-14]。依據這些試驗結果，就能利用他建議的平面極限平衡分析方法評價吸力沉箱基礎的循環承載力[15]。但是需要注意的是，利用極限平衡方法，需要進行大量的循環三軸與循環單剪試驗，這對吸力沉箱場地的工程勘察具有很高的要求，因為必須獲得數量足夠、土性相近的土樣而且必須進行高質量的循環土性試驗才能滿足計算分析的要求。

有限元方法可以充分考慮地基中不同位置處土單元應力狀態的差異對其循環強度的影響，并且可以較好地處理吸力沉箱基礎與土層之間的接觸邊界條件[16-18]。對于分析粘土地基的不排水循環承載力，只需要通過循環三軸試驗確定不同靜應力與循環應力組合下土單元的循環強度，進而就可以依據地基土單元的循環強度、采用理想彈塑性本構關系計算地基的循環承載力。然而，如何將這一方法應用于評價吸力沉箱的地基循環承載力尚需做進一步研究。特別是當吸力沉箱受拉伸荷載或傾斜荷載作用時，尚需研究粘土在不同的靜拉伸應力與循環應力共同作用下的強度特性，也就是要說明粘土的各向異性對其循環強度特性的影響。

3 設計吸力沉箱需要考慮的其它問題

已有的研究表明，在進行吸力沉箱設計時，還需要考慮下述問題。

土層剪切強度取值。通常土層的剪切強度隨深度的變化有一定的分散性，因此在利用剪切強度進行計算時，必須確定怎樣利用土層的剪切強度。一般講，應當把保守地估計剪切強度反映在所需要的安全系數中，依據以往的工程經驗，進行吸力沉箱貫入過程分析時，使用特征剪切強度的上限值，而進行吸力沉箱承載力分析時，使用特征剪切強度的下限值。而且，依據土的重塑剪切強度進行沉箱的貫入分析是恰當的。可以采用兩種方法確定土層的重塑剪切強度：直接測量土的重塑剪切強度，依據原狀土的剪切強度與靈敏度系數確定重塑剪切強度。

土層剪切強度的各向異性。實際工程中，絕大多數的海洋粘土都顯示出明顯的各向異性，表現為三軸壓縮的剪切強度明顯大于三軸拉伸的剪切強度，而單剪的剪切強度大致為三軸壓縮與三軸拉伸剪切強度的平均值。因此，在確定吸力沉箱地基土層的剪切強度時，應該分別確定三軸壓縮、三軸拉伸與簡單剪切試驗條件下的強度。

土塞隆起。在沉箱的貫入安裝過程中，由于其端部附近的土向沉箱內移動而形成土塞。由于沉箱內部的加強結構而導致的土的位移、土塞移動后不能變形回到裙板邊壁、在加強筋之間形成高含水區間等因素均可能引起沉箱內部的土塞隆起。在沉箱的貫入過程中，由于過大的負壓使土體發生過量的位移也會導致土塞的隆起。土塞隆起的大小將取決于沉箱貫入過程中反向承載力的變化程度。同時，在斜坡、不平的海底也應當考慮是否只有一點與沉箱的頂面接觸。土塞隆起會使沉箱內部的土塞不能全部與吸力沉箱的內壁很好的接觸，對安裝與使用過程的安全性構成一定的威脅。為了減小沉箱貫入過程中、由于土的位移而引起的土塞隆起，可將裙板的端部設計成楔體形狀。

載荷優化。如果沉箱的破壞模式只是平移而不發生轉動，那么此時吸力沉箱將獲得最大的承載力。如果使錨鏈總荷載的作用點與零轉動力矩的合力中心相重合，此時的沉箱破壞模式就只有平動。吸力沉箱錨零力矩作用點的位置取決于土層的剪切強度沿深度變化的趨勢、沉箱外壁與土之間的摩擦力、荷載的傾斜角以及沉箱的高徑比。如果粘土層的剪切強度隨深度的變化是線性的，那么零轉動力矩的合力作用點將位于吸力沉箱中心線上的0.67～0.7倍的沉箱貫入深度之間。

吸力沉箱裙板的粗糙度。通常吸力沉箱安裝時其裙板已銹蝕，此時它具有足夠的粗糙度提供足夠大的摩擦力防止裙板與土之間的滑動。如果安裝時吸力沉箱裙板不具有足夠的粗糙度（例如其表面涂有防銹漆），設計時就需要考慮裙板與土體之間摩擦力的減少，一般通過環剪試驗確定處理過的裙板與土體之間的摩擦力。

裙板內壁的接觸強度。如果吸力沉箱頂部是密封的，裙板內壁與土之間的接觸強度可能不發揮很大的作用（見前面有關承載力的討論）。但是，如果沉箱頂面是非密封的，那么裙板內壁與土之間的接觸強度將對沉箱的承載力起重要的作用。對于外部裙板與土之間的接觸強度，即便沒有外徑的變化與內部的環形加強結構，安裝之后外壁的接觸強度也會降低。但是對于裙板內壁，如果沉箱有內部環形加強結構且又有直徑的變化，由于環形加強結構與直徑變化以上的土體不能很好地與內壁接觸，從而導致內壁的接觸強度明顯降低。如果沉箱內部有多個環形加強結構，沉箱安裝后，可能在環形加強結構之間形成高含水區，從而導致很低甚至是零的接觸強度，同時在這些區域可能形成與外部連通的通道，使吸力沉箱與土塞之間無法形成應有的吸力。因此，在設計中客觀評價是否在沉箱安裝后存在高含水區是十分重要的。

循環荷載周期的影響。有資料表明，長周期循環荷載的作用會導致粘土的強度明顯降低，且降低的幅度會比10 s周期循環荷載的降低幅度要大。因此，在分析吸力沉箱的循環承載力時，應當在試驗室中利用與實際一致的循環周期荷載確定相應的循環土性數據。目前，有關這方面的研究結果較少，今后應當針對比較典型的海洋粘土，研究大于10s循環荷載作用下的強度特性。

長期荷載的影響。長期荷載作用下，由于蠕變的影響，會導致地基土的不排水強度降低。同時，也應當考慮在長期的波浪荷載作用下，是否在吸力沉箱的內壁或者在內部環形加強筋之間形成可能的排水通道，從而降低了沉箱與周圍土體之間的負壓作用并導致其承載力的降低。

砂層的影響。如果在沉箱貫入范圍內有砂層，那么將會增加沉箱貫入過程的阻力，同時也增大了沉箱貫入時需要的負壓。當砂層較厚時，應當以較快的貫入速度使沉箱貫入預定深度，以防止水有足夠的時間流入砂層并導致砂層上面的粘土塞形成工程上不能接受的土塞隆起。另一方面，如果沉箱底部有砂層，將會導致其端部的反向承載力明顯降低。

安裝過程的監測。在沉箱安裝過程中，必須進行適當的監測，包括貫入深度、施加的負壓力、貫入速度、土塞的變化、傾斜度以及方位等。

地震荷載的影響。目前關于吸力沉箱的循環承載力，只考慮波浪引起循環荷載的作用，沒有考慮地震荷載的作用。目前，尚沒有見到關于這方面的研究成果。因此有必要對此做進一步研究。

4 工程地質調查

工程地質調查是進行吸力沉箱設計的必要前提。如何按照吸力沉箱的設計要求規劃工程地質調查的內容，對于有效降低工程投資提高設計水平是十分重要的。與樁基礎相比，吸力沉箱工程地質調查的范圍較淺，但是需要調查的內容比較詳細，應包括吸力沉箱場地的地球物理調查與工程地質勘察。后者涉及現場土性試驗以及實驗室的土性參數試驗。

關于地球物理調查，可以考慮使用高質量的高分辨率地球物理方法確定海底以下土層的分布狀況。同時，獲得的調查數據也可以與現場的工程地質勘察結果相結合，以便從地質的角度評價可能影響設計的一些關鍵地質因素，同時也可以對工程勘察的結果進行適當的評價。Doyle(1998)與Jeanjean(1998)等曾結合深海平臺的抗拉樁基礎設計給出了有關這方面工作的實例。

關于工程地質調查，應當在每個吸力沉箱安裝場地布置適當的鉆孔進行現場試驗和取樣勘察。鉆孔一般應達到沉箱設計貫入深度以下1.5～2.0倍直徑的深度。在鉆孔深度范圍內應安排PCPT、T-Bar、十字板剪切等現場試驗，以定量確定土層的不排水剪切強度隨深度的變化。

通過海上現場試驗與陸地實驗室試驗，應確定土的基本物性指標與工程分類，勘察范圍內的土層劃分，同時還應與地球物理方法獲得的高分辨率地質剖面圖顯示的土層劃分進行對比分析。

陸地實驗室要進行原狀土樣的不排水三軸壓縮與三軸拉伸試驗，簡單剪切靜力試驗，同時還應通過這三種試驗應力條件下動力試驗確定循環強度。另外，確定土的靈敏度系數也是必要的。

在以上這些調查內容中，客觀地確定不排水剪切強度與重塑剪切強度隨土層深度的變化規律是十分重要的，因為它是進行吸力沉箱地基承載力分析的基礎。總之，與淺海導管架平臺場地工程地質勘察相比，深海平臺吸力沉箱場地的工程地質調查有了較大變化，需要高質量的取樣與試驗數據。

5 結語

目前，我國已就南海深水油氣資源的開發開始進行實質性工作，但是由于技術方面等原因，尚沒有啟動真正意義上的深水平臺基礎的設計工作?；谶@樣的背景，本文針對有廣泛應用前景的深水平臺吸力沉箱基礎，分析了沉箱設計中關于沉箱安裝、極限承載力評價與其它相關的工程地質問題，依據分析結果，闡明了用于深水吸力沉箱設計的工程地質調查內容和需要確定的工程地質參數，目的是為我國開發深水平臺設計建造技術提供一些有益的參考。

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Abstract：The method analyzing suction caisson installation and corresponding engineering geologic parameters was first discussed.The method evaluating ultimate bearing capacities of suction caissons and corresponding engineering geologic parameters was analyzed under vertical,horizontal and inclined loads.Other problems on suction caisson designs were also discussed.Engineering geologic investigating contents and parameters related to suction caisson design were clarified based on these analysis,which supplies some useful references for developing deepwater suction caissons.

Key words：caisson;engineering geologic problem;analysis

Analysis on Engineering Geologic Problems of Suction Caissons of Deepwater Platforms

QU Yan-da1,WANG Jian-hua2
（1.China Oilfield Services Limited,Tianjin 300452,China;2.Geotechnique Engineering Institute of Tianjin University,Tianjin 300072,China）

P751

A

1003-2029（2011）01-0072-06

2010-10-12

國家自然科學基金資助項目（50879055）

曲延大（1955－），男，高級工程師，天津大學兼職教授，主要從事海洋工程地質與物探工作。