擠壓破壞模型在自升式鉆井船插樁分析中應(yīng)用——以海洋石油941號鉆井船為例

劉雙雙，周楊銳，鄭喜耀，蔣寶凡，周松望

(中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300451)

自升式鉆井船按基礎(chǔ)形態(tài)不同可以大致分為樁腿式鉆井船和樁靴式鉆井船［1-2］，這里所述海洋石油941號鉆井船屬于樁靴式鉆井船(圖1)。

圖1 海洋石油941號鉆井船樁靴示意Fig.1 Sketch of jack-up rig HYSY-941 footing

近年來，海洋石油941號鉆井船在南海半深水區(qū)域內(nèi)作業(yè)比重逐年上升。在文中所引用的幾個井場中，對于海底土質(zhì)特性為粒狀土層下臥一層軟弱土層(粘性土或者互層/疊層土)的情況，在預(yù)測海洋石油941號這樣的大樁靴鉆井船插樁深度時，利用傳統(tǒng)的刺穿破壞模型分析計(jì)算，遇到了預(yù)測深度不準(zhǔn)確的問題，通過對海底地層土質(zhì)與工程特性的分析，發(fā)現(xiàn)插樁深度與表層粒狀土下覆的粘土層的工程性質(zhì)有很大關(guān)系，同時也與所就位鉆井船自身的樁靴特性有一定的關(guān)系。

1 刺穿破壞模型與擠壓破壞模型

1.1 刺穿破壞模型

較硬的粒狀土下臥一層較軟的粘性土的層狀地基，在鉆井船壓載過程中樁腳承載力超過硬土層的極限承載力時，樁腳就會穿過硬土層，由于軟土層承載力較小，故造成樁腳迅速下沉，形成刺穿。

對于上硬下軟土層的刺穿分析(圖2)，國內(nèi)外應(yīng)用的方法很多，比較普遍應(yīng)用的有Hanna和Meyerhof法以及Young和Focht投影面積法(3∶1方法)［3-4］。刺穿破壞計(jì)算方法前人已做過很多研究［5］，其中Young和Focht的3∶1投影分析法是筆者在工作實(shí)踐中應(yīng)用較多的方法?；A(chǔ)的極限承載力Q的理論計(jì)算公式:

式中:qn為樁腳的單位面積極限承載力，A為基礎(chǔ)面積，γ1為由樁腳排出土的平均有效重度，V為樁靴的體積。在3∶1刺穿分析時，Young和Focht提出qn=6Su(1+0.2D'/B')A'p/Ap≤qn(硬層)，則式(1)演變?yōu)?

式中:Su為樁靴下B/2深度以內(nèi)平均不排水抗剪強(qiáng)度，Ap為實(shí)際基礎(chǔ)面積，B為實(shí)際基礎(chǔ)直徑，D為實(shí)際基礎(chǔ)深度，qn(硬層)為假設(shè)硬土層無限厚時的承載力。A'p、B'、D'均為3∶1投影面積法中的等效值，其含義分別為等效基礎(chǔ)面積、等效基礎(chǔ)直徑和等效基礎(chǔ)深度，其表達(dá)式分別為 A'p=Ap［1+2H/3B］2，B'=B+［2/3］H，D'=D+H，H為實(shí)際基礎(chǔ)面之下硬土層的厚度。

1.2 擠壓破壞模型

上述層狀土，鉆井船壓載過程中，硬土層不發(fā)生沖剪破壞，而是在樁靴的作用下隨樁靴逐漸將下臥軟土層擠壓掉，從而與軟弱土層下臥硬土層疊加在一起。

根據(jù)“SNAME”推薦的方法“Recommended Practice for Site Specific Assessment of Mobile Jack-Up Units”一節(jié)［6］，當(dāng)B≥3.45 T(1+1.1D/B)時，對于完全回填土情況(圖3)，擠壓分析中承載力Q采用Meyerhof推薦的經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:B代表等效基礎(chǔ)直徑，T代表軟粘土層的厚度，D代表樁腳尖入泥深度(最寬截面)，A代表等效基礎(chǔ)面積，a、b為排擠經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，Meyerhof方法中推薦取值分別為5和0.33，Su代表被擠壓粘土層的不排水抗剪強(qiáng)度，V代表樁靴的體積，γ'代表土的平均有效重度。

在擠壓分析中，如圖3所示，當(dāng)基礎(chǔ)向下移動時，隨著樁腳入泥深度D由D1逐漸增加到D2，上覆粒狀土隨著基礎(chǔ)的逐漸下移，擠壓下層軟粘土，從而使軟粘土的厚度T由初始值T1逐漸減小到T2，最終軟粘土完全被擠壓出基礎(chǔ)的下移通道，上下兩層粒狀土拼合在一起。其中，D和T各自的變化值相當(dāng)，即D2-D1=T1-T2。

利用上式計(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。

圖2 刺穿破壞模型示意(完全回填土)Fig.2 Sketch of punch-through model(full backflow of soil)

圖3 擠壓破壞模型示意(完全回填土)Fig.3 Sketch of squeezing model(full backflow of soil)

通過對刺穿和擠壓兩種破壞模型內(nèi)生機(jī)理的分析與對比，認(rèn)為兩者的區(qū)別在于前者是軟弱層上覆硬土層發(fā)生沖剪破壞而導(dǎo)致的破壞形式，后者則是軟弱層在樁靴和上覆硬土層共同作用下發(fā)生的破壞形式，兩者發(fā)生破壞的介質(zhì)有本質(zhì)區(qū)別。

2 鉆井船插樁實(shí)例

以下列舉南海兩個井場中A和B鉆孔位置的海底土質(zhì)情況及設(shè)計(jì)參數(shù)，并分別用刺穿破壞模型和擠壓破壞模型對海洋石油941號鉆井船插樁深度進(jìn)行分析并對比。

2.1 A孔位

表1為A孔位工程地質(zhì)調(diào)查成果參數(shù)表。第二、三層為軟到稍硬的粘性土和迭層/互層土，相對上覆地層來講為軟弱層，是影響鉆井船最終插樁深度的重點(diǎn)分析層位，以下稱之為“關(guān)鍵層位”。

表1 A孔土質(zhì)分層及土質(zhì)參數(shù)(部分)Tab.1 Soil stratigraphy and design parameters for boring A(portion)

如果第一層硬土層發(fā)生刺穿破壞，則鉆井船樁腳尖將穿過硬土層進(jìn)入第二、三兩個層位，由于第二、三層強(qiáng)度較弱，只有鉆井船樁腳最后“坐”在第四層砂性土上，鉆井船船體才能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

通過計(jì)算分析，海洋石油941號鉆井船樁腳最終入泥深度為12.0 m(圖4(a))。

如果以上兩土層發(fā)生擠壓破壞，在分析中可以認(rèn)為第二層以及第三層中的粘性土層部分在鉆井船插樁過程中被慢慢擠壓掉，導(dǎo)致鉆井船樁腳跟隨第一層粒狀土疊加在第三、四層中的粒狀土上，從而使得鉆井船獲得足夠的承載力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

通過計(jì)算分析，海洋石油941號鉆井船樁腳最終入泥深度為4.6 m(圖4(b))。

2.2 B孔位

表2為B孔土質(zhì)分層及參數(shù)表，同上，第四層與上下層土質(zhì)相比為軟弱層，將它作為關(guān)鍵層位進(jìn)行分析。

如果其上覆硬土層發(fā)生刺穿破壞，則鉆井船樁腳尖將穿過硬土層進(jìn)入第四層，由于第四層強(qiáng)度較弱，只有鉆井船樁腳最后“坐”在第五層砂性土上，鉆井船船體才能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

通過計(jì)算分析，海洋石油941號鉆井船樁腳最終入泥深度為12.9 m(如圖5(a))。

如果發(fā)生擠壓破壞，則鉆井船樁腳“坐”在第三層后跟隨第三層一起將下覆軟弱層慢慢排開，使得第三層與第五層疊加在一起，從而使得鉆井船獲得足夠的承載力得以穩(wěn)定。

通過計(jì)算分析，海洋石油941號鉆井船樁腳最終入泥深度為7.4 m(如圖5(b))。

表2 B孔土質(zhì)分層及土質(zhì)參數(shù)(部分)Tab.2 Soil stratigraphy and design parameters for boring B(portion)

圖4 A孔位承載力分析曲線Fig.4 Ultimate leg load versus footing tip penetration curve for boring A

圖5 B孔位承載力分析曲線Fig.5 Ultimate leg load versus footing tip penetration curve for boring B

2.3 預(yù)測與實(shí)際插樁深度對比

通過以上分析計(jì)算，對兩個井場中的軟弱層利用兩種不同的破壞形式計(jì)算出來的鉆井船樁腳尖入泥深度結(jié)果相差很多。鉆井船實(shí)際的插樁深度分別為3.6～3.9 m和8.5 m，實(shí)際插樁結(jié)果均與擠壓破壞條件下的計(jì)算結(jié)果相近(表3)。

這表明，在特定的條件下，采用擠壓破壞模型預(yù)測海洋石油941號鉆井船的插樁深度相對來說是很準(zhǔn)確的，采用該模型進(jìn)行分析也是十分必要的。

表3 實(shí)際插樁深度與計(jì)算插樁深度對比Tab.3 Calculated and measured values of penetration depth

3 擠壓破壞模型的適用范圍

綜合鉆井船插樁實(shí)踐，再通過分析擠壓破壞模型和刺穿破壞模型的內(nèi)生原理與差異，認(rèn)為擠壓破壞模型的應(yīng)用應(yīng)滿足以下幾個條件:

3.1 鉆井船自身樁靴及壓載條件

表4 幾種樁腳式鉆井船樁靴尺寸Tab.4 Footing sizes of several spud-can supported jack-up rigs

1)大樁靴鉆井船

擠壓破壞模型一般適用于大樁靴鉆井船，即樁靴體積和有效面積均相對來說比較大的鉆井船，這樣的鉆井船樁靴能夠覆蓋較大的海底面積，從而使海底軟弱層傾向于發(fā)生擠壓破壞。海洋石油941號鉆井船屬于大樁靴鉆井船，樁靴最寬部分的面積為254 m2，有效直徑為18.0 m(圖1)。如表4所示，與其他鉆井船相比，其樁靴體積和有效面積均較大。

2)鉆井船的壓載方式

鉆井船的壓載方式也決定其就位孔位土層的破壞形式，如果就位過程中采用緩慢多級壓載，土層破壞接近于擠壓破壞模型，如果壓載過快，土層破壞接近于刺穿破壞模型。

3.2 土質(zhì)特性

1)兩層相對較強(qiáng)的(這里所述為粒狀土)土層之間夾一層軟弱的粘土層或迭層/互層土。

使用兩種破壞模型分析的關(guān)鍵層位即兩強(qiáng)夾一弱土層分布，對于這種土層，鉆井船在插樁過程中，可能發(fā)生刺穿破壞，也可能發(fā)生擠壓破壞，擠壓破壞只是其中的一種破壞形式。

2)軟弱土層的強(qiáng)度和厚度

工程實(shí)踐證明，軟弱土層一般為非常軟到稍硬的粘性土或迭層/互層土，強(qiáng)度一般小于45 kPa，其厚度一般小于或等于上下硬土層厚度或小于等于10%樁徑。

以上為選用擠壓破壞模型分析關(guān)鍵層位的必備條件，缺一不可。

4 結(jié)語

實(shí)踐證明，擠壓破壞模型的引用，顯著提高了大樁靴鉆井船插樁深度預(yù)測的準(zhǔn)確性。

但是，在實(shí)際應(yīng)用中，對于某些井場也不能單純地只應(yīng)用擠壓破壞模型進(jìn)行分析計(jì)算，要結(jié)合井場的土質(zhì)條件和工程特性運(yùn)用多種方法進(jìn)行綜合判斷分析，這樣有助于提高預(yù)測鉆井船插樁深度的準(zhǔn)確性，從而為鉆井船就位作業(yè)提供更精確的指導(dǎo)建議。

志謝:感謝本單位周楊銳總工和鄭喜耀高工在論文撰寫過程中的支持和幫助。

［1］ 汪張?zhí)模w建亭.自升式鉆井平臺在我國海洋油氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用和發(fā)展［J］.船舶，2008，1:15.

［2］ 鄭喜耀.自升式鉆井平臺插樁深度計(jì)算及幾個問題的探討［J］.中國海上油氣:工程，2000，12(2):18-20.

［3］ Young A G，F(xiàn)ocht J A.Subsurface hazards affect mobile jack-up rig operations，soundings［J］.McClelland Engineers Inc，Houston，1981，3(2):4-9.

［4］ Hanna A M，Meyerhof G G.Design chart for ultimate bearing capacity of foundation on sand overlying soft clay［J］.Canadian Geotechnical Journal，1980，17(2):300-303.

［5］ 吳秋云，周楊銳，馮秀麗，等.自升式鉆井船基礎(chǔ)刺穿分析方法在渤海石油開發(fā)區(qū)的應(yīng)用［J］.海岸工程，1999，18(4):16-17.

［6］ SNAME，Recommended Practice for Site Specific Assessment of Mobile Jack-Up Units［S］.2002:61-70.