樁靴基礎(chǔ)自升式鉆井平臺(tái)在砂土層下伏粘土層中的插樁分析

姚首龍

(中海油田服務(wù)股份有限公司，天津300451)

近年來，在我國南海海域進(jìn)行了多次自升式鉆井平臺(tái)場址工程地質(zhì)調(diào)查，經(jīng)常會(huì)遇到砂土層下伏粘土層的層狀土。目前，在實(shí)際插樁計(jì)算分析中，YOUNG和FOCHT提出的3∶1(垂直方向:水平方向)荷載擴(kuò)展分析法被廣泛應(yīng)用，這個(gè)方法假定施加在上層(硬土層)上的基礎(chǔ)荷載被擴(kuò)展通過硬層，在軟弱層的頂面產(chǎn)生一假設(shè)的等效基礎(chǔ)。通過硬層的擴(kuò)展比例為3∶1(垂直方向∶水平方向)，如果施加在等效基礎(chǔ)上的壓力超過下層土的承載力，則穿刺將會(huì)發(fā)生。然而，在很多插樁實(shí)例中，并沒有刺穿發(fā)生，若在砂土層下伏粘土層的層狀土中用這種方法進(jìn)行計(jì)算就顯得過于保守，預(yù)測的插樁結(jié)果與實(shí)際的插樁結(jié)果相差很大，嚴(yán)重影響著鉆井平臺(tái)在某一場址的就位、作業(yè)及安全。本文就樁靴基礎(chǔ)自升式鉆井平臺(tái)在砂土層下伏粘土層的層狀土中的插樁計(jì)算分析進(jìn)行了討論，為今后再遇到該類層狀土的插樁計(jì)算分析提供參考。

1 基本破壞模式

自升式鉆井平臺(tái)樁靴基礎(chǔ)在土壤中的基本破壞模式主要有以下3種［1］。

1)將自升式鉆井平臺(tái)樁靴基礎(chǔ)在單一土層中的破壞模式稱為一般剪切破壞，見圖1a)。

2)自升式鉆井平臺(tái)樁靴基礎(chǔ)在層狀土中的破壞模式存在兩種可能，一種是刺穿破壞，見圖1b)，另外一種是排擠破壞，見圖1c)。

圖1 樁靴基礎(chǔ)在土壤中的破壞模式

2 插樁計(jì)算

為了使自升式鉆井平臺(tái)在不同地質(zhì)條件的情況下作業(yè)，常常將樁靴基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成較大直徑，并且在樁靴最寬截面下留有錐形結(jié)構(gòu)，以便增加樁靴的貫入度，且還具有一定的抗滑能力。這種樁靴基礎(chǔ)在砂土層下伏粘土層的層狀土中的插樁，通常可能存在幾種破壞模式，而不同的破壞模式，樁靴基礎(chǔ)的插樁深度也將不同。所以對(duì)于某一特定的砂土層下伏粘土層的層狀土，在計(jì)算插樁深度時(shí)，首先需分別分析上覆砂土層的厚度及相對(duì)密實(shí)度和下伏粘土層的厚度及不排水抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而進(jìn)行破壞模式分析，確定可能發(fā)生的一種破壞模式或幾種破壞模式的組合，然后根據(jù)不同的破壞模式及土壤的回填情況進(jìn)行插樁計(jì)算，最后給出插樁綜合計(jì)算分析結(jié)果及建議。

在插樁計(jì)算中，主要是進(jìn)行樁靴基礎(chǔ)的極限承載力(Q)的計(jì)算，這就首先需判斷樁靴基礎(chǔ)上部土壤的回填情況，然后根據(jù)土壤是否回填選擇不同的極限承載力(Q)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。一般情況下，強(qiáng)度從非常軟到軟的粘性土較易發(fā)生回填，強(qiáng)度從稍硬到硬的粘性土和粒狀土不易回填。

對(duì)于砂土層下伏粘土層的層狀土在不同的破壞模式下，相應(yīng)的極限承載力(Q)的計(jì)算公式主要有以下幾種。

1)一般剪切破壞模式下，近似于圓形或者方形基礎(chǔ)的極限承載力Q用下式計(jì)算。

式中:A——樁腳尖的最大平面積，m2;

γ1——由樁腳尖排出土的平均有效重度，kN/m3;

V——樁腳尖的體積，m3;

P0＇——樁靴頂部深度處的有效上覆壓力，kPa;

qn——樁腳尖的單位面積極限承載力，

qn=SuNc，用于不排水(粘性)土，

qn=0.3γ2BNr+P0(Nq-1)，用于排水粒狀土;

其中:Su——樁腳尖下B/2深度以內(nèi)平均不排水抗剪強(qiáng)度，kPa;

Nq、Nr——據(jù)內(nèi)摩擦角而定的排水粒狀土量綱一的量承載力系數(shù);

P0——樁腳尖深度處的有效上覆壓力，kPa;

γ2——樁腳尖下B/2以內(nèi)土的平均有效重度，kN/m3;

Nc——不排水粘土的量綱一的量承載力能力，Nc=6(1+0.2D/B)≤9;

B——樁腳尖的直徑(最寬斷面)，m;

D——樁腳尖入泥深度(最寬斷面)，m。

2)刺穿破壞模式下，通常采用YOUNG和FOCHT提出的3∶1荷載擴(kuò)展分析法，承載力qn為

式中:A＇p——等效基礎(chǔ)面積，

B'——等效基礎(chǔ)直徑，B'=B+［2/3］H;

D'——等效基礎(chǔ)深度，D'=D+H;

Ap——實(shí)際基礎(chǔ)面積，m2;

H——實(shí)際基礎(chǔ)面之下硬土層的厚度，m;

B——實(shí)際基礎(chǔ)直徑，m;

D——實(shí)際基礎(chǔ)深度，m;

qn(硬層)——假設(shè)硬土層無限厚時(shí)的承載力。

3)排擠破壞模式下，根據(jù)文獻(xiàn)［1］推薦的方法，當(dāng)B≥3.45T(1+1.1D/B)時(shí)，對(duì)于完全回填土情況，承載力Fv為

式中:B——等效基礎(chǔ)直徑，m;

T——軟粘土層的厚度，m;

D——樁腳尖入泥深度(最寬截面)，m;

A——等效基礎(chǔ)面積，m2;

a——系數(shù)，一般為5;

b——系數(shù)，一般為0.33;

Su——軟粘土的不排水抗剪強(qiáng)度，kPa;

V——樁靴的體積，m3;

γ'——土的平均有效重度，kN/m3。

需要說明的是，利用式(4)計(jì)算出的承載力應(yīng)不小于在單一軟粘土層中計(jì)算出的承載力，不大于在軟粘土層上部或下部的硬層中計(jì)算出的承載力。

3 案例分析

以某自升式鉆井平臺(tái)為例，該平臺(tái)樁靴基礎(chǔ)的最寬部分面積為254 m2，有效直徑為18.0 m。輕載時(shí)1#樁腿的荷載為69.6 MN，2#和3#樁腿的荷載均為67.7 MN;預(yù)壓載時(shí)，每只樁靴的最大預(yù)壓載為112.2 MN。

采用上述介紹的插樁計(jì)算分析方法，預(yù)測該平臺(tái)在南海某井位(見表1)的插樁深度，并與實(shí)際插樁記錄進(jìn)行對(duì)比。

根據(jù)表1中井位的土質(zhì)資料，第1和第2層層狀土可能為排擠破壞模式和刺穿破壞模式兩種情況(見圖2)，第3和第4層層狀土可能為應(yīng)力擴(kuò)散排擠破壞模式(見圖3)，其中第3層密實(shí)到非常密實(shí)的砂可以等效為硬化模型，形成樁靴下部的砂土塞，其厚度受預(yù)壓載荷、土體性質(zhì)、樁靴直徑等因素的影響［2-3］，并且可以作為樁靴的一部分，此時(shí)該砂土塞的直徑可等效為樁靴直徑，形成圓柱體，隨著樁靴一起貫入，在貫入的過程中還需要考慮該圓柱體受到的豎向摩擦阻力，并且其起到應(yīng)力擴(kuò)散作用，變形分析可以忽略。按照?qǐng)D2和圖3示意，對(duì)可能的幾種破壞模式分別進(jìn)行插樁計(jì)算。圖4是該自升式鉆井平臺(tái)極限樁腳荷載與樁腳尖入泥深度關(guān)系曲線。圖4中，“×”曲線表示在最大預(yù)壓載下，4.5～7.8 m的粘性土被完全排擠后，形成24.1 m以上的砂土層下伏粘土層的層狀土，進(jìn)而進(jìn)行刺穿分析和考慮上覆砂土塞的影響后的插樁計(jì)算結(jié)果;“○”曲線表示在最大預(yù)壓載下，7.8 m以上的砂土層下伏粘土層的層狀土發(fā)生刺穿后，形成24.1 m以上的砂土層下伏粘土層的層狀土，再次進(jìn)行刺穿分析和考慮7.8～15.9 m的砂土塞的影響后的插樁計(jì)算結(jié)果。

表1 井位設(shè)計(jì)參數(shù)表

4 結(jié)論

圖4 極限樁腳荷載與樁腳尖入泥深度關(guān)系曲線

從圖4中可以看出，該平臺(tái)在最大預(yù)壓載下，樁腳尖的入泥深度在5.6～9.0m之間。而該平臺(tái)在該井位的實(shí)際插樁深度為5.6 m左右。由此可見，對(duì)于這種類型的層狀土，利用上述分析方法分析、計(jì)算插樁結(jié)果預(yù)測可滿足實(shí)際工程需要。

預(yù)測樁靴基礎(chǔ)自升式鉆井平臺(tái)在砂土層下伏粘土層的層狀土中插樁深度，需要充分考慮樁靴基礎(chǔ)在這種層狀土中可能發(fā)生的幾種破壞模式，根據(jù)不同破壞模式或其組合進(jìn)行插樁深度預(yù)測，可大大提高插樁深度預(yù)測的準(zhǔn)確性。但是，對(duì)于某一特定的層狀土土層組合，平臺(tái)在實(shí)際插樁過程中，該層狀土可能就只發(fā)生一種破壞模式，其插樁結(jié)果也是某一具體的深度。這就需要在今后的工作中，不斷積累、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，以便更準(zhǔn)確地預(yù)測插樁深度，保障平臺(tái)的作業(yè)安全。

［1］SNAME.Recommended practice for site specific assessment of mobile jack-up unites［M］.Rev.2 Jersey City，NJ:Society of Naval Architects and Marine Engineers，2002.

［2］TEHKL，LEUNGCF，CHOWYK，et al.Analysis of spudcan installation through loose sand into clay［C］∥1stJack-up Asia Conference and Exhibition，Singapore，2006:2-9.

［3］TEHKL.Punch-through of spudcan foundation in sand overlying clay［D］.Singapore:National University of Singapore，2007.