自升式平臺(tái)樁腿樁靴在多層土體插樁深度分析方法研究

祁 磊，劉振紋，吳航舟，錢旭瑞，許 浩，李 光，鄧海峰

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院 天津 300451；2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300451；3. 中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程公司天津分公司 天津 300451)

自升式平臺(tái)樁腿樁靴在多層土體插樁深度分析方法研究

祁 磊1,2，劉振紋1,2，吳航舟3，錢旭瑞3，許 浩1,2，李 光3，鄧海峰1,2

(1. 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院 天津 300451；2. 中國(guó)石油天然氣集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300451；3. 中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程公司天津分公司 天津 300451)

結(jié)合公司自升式平臺(tái)在勝利埕島油田的插樁作業(yè)分析，通過(guò)比較單層土體承載力計(jì)算方法與多層土體承載力計(jì)算方法的差別，提出了多層土體插樁深度計(jì)算分析方法，并優(yōu)化考慮了土體回填的判別方法。通過(guò)實(shí)際插樁過(guò)程的計(jì)算分析，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。

插樁壓載 多層土體 土體回填

隨著海洋公司鉆修井業(yè)務(wù)的拓展，公司最近幾年在勝利油田海域有大量的修井作業(yè)工作。平臺(tái)在插樁就位過(guò)程中多次出現(xiàn)樁腿貫入深度計(jì)算結(jié)果與實(shí)際插樁深度差別很大等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)大量井位工程地質(zhì)勘察報(bào)告的分析，發(fā)現(xiàn)主要是由兩個(gè)方面原因造成的：①工程地質(zhì)參數(shù)不準(zhǔn)確；②計(jì)算插樁深度方法的局限性。

海洋工程地質(zhì)勘察方法（如原位測(cè)試方法和室內(nèi)土工試驗(yàn)）存在問(wèn)題是導(dǎo)致工程地質(zhì)參數(shù)不準(zhǔn)確的主要原因，而沒(méi)有考慮多層土體對(duì)基礎(chǔ)承載力的影響是導(dǎo)致插樁深度計(jì)算方法不準(zhǔn)確的重要原因。本文將對(duì)自升式平臺(tái)樁靴/樁腿在多層土體插樁深度的計(jì)算方法進(jìn)行探討。

1 現(xiàn)有自升式平臺(tái)樁腿/樁靴基礎(chǔ)承載力計(jì)算方法

國(guó)內(nèi)廣泛采用《海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范》來(lái)預(yù)測(cè)自升式鉆井平臺(tái)在預(yù)定作業(yè)井位的插樁深度。該規(guī)范參考了國(guó)外平臺(tái)插樁深度預(yù)測(cè)方法。但是，由于該方法是基于單層土的承載能力分析，沒(méi)有考慮樁靴基礎(chǔ)下部土層對(duì)平臺(tái)插樁深度的影響，并且假定樁靴上部土體完全回填，其預(yù)測(cè)的插樁深度與實(shí)際插樁深度存在一定的誤差。

目前自升式平臺(tái)從樁靴結(jié)構(gòu)上可分為兩種類型：無(wú)樁靴自升式平臺(tái)和帶樁靴自升式平臺(tái)。帶樁靴平臺(tái)只考慮樁端承載力，而無(wú)樁靴的樁腿在單層土體承載力計(jì)算方法上考慮了樁端承載力和樁側(cè)摩阻力兩部分，計(jì)算公式如下：

式中：Q為總的極限承載力，QP為樁腿端部極限承載力，Qs為樁側(cè)摩阻力；f為單位摩擦力；q為單位樁端承載力；AS為樁側(cè)表面積，Ap為樁端面積。

2 自升式平臺(tái)樁腿在多層土體中的基礎(chǔ)承載力計(jì)算方法

目前無(wú)論是在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，對(duì)多層土體的樁腿/樁靴基礎(chǔ)承載力計(jì)算方法研究較少，盡管SNAME提供了3層土體的承載力計(jì)算方法，但太過(guò)簡(jiǎn)單。參照SNAME的3層土體承載力計(jì)算方法，結(jié)合雙層土基礎(chǔ)承載力計(jì)算公式，提出了多層土體基礎(chǔ)承載力計(jì)算方法。計(jì)算步驟如下：①將各土層假定為單層土體，分別計(jì)算各自深度下的基礎(chǔ)承載力 Fit1、Fib1，其中 i為土層編碼，t表示為土層上端，b表示為土層下端。②將最深的土層n計(jì)算出的承載力分別設(shè)為 Fnt2、Fnb2，并規(guī)定 Fnt2＝Fnt1、Fnb2＝Fnb1。③按雙層土分析計(jì)算n－1土體極限承載力，對(duì)比F（n-1）b1、Fnt2，若 F（n-1）b1＞Fnt2，按照上硬下軟的雙層土計(jì)算公式計(jì)算，若F（n-1）b1＜Fnt2，按照上軟下硬雙層土進(jìn)行計(jì)算。④當(dāng)為上硬下軟土層時(shí)，按照穿刺計(jì)算分析方法進(jìn)行計(jì)算，可分為上硬黏土下軟粘土和上砂層下黏土層兩種情況；當(dāng)為上軟下硬土層時(shí)，需要首先判斷土體失效類型，當(dāng) B≥3.45,T(1+1.1,D/B)時(shí)發(fā)生排擠，否則為一般剪切失效，排擠失效采用排擠的計(jì)算方法，一般剪切失效采用單層土體的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。⑤如步驟③、④計(jì)算 n－2層以上所有的土層的極限承載力，并繪制出樁靴貫入深度計(jì)算曲線。

計(jì)算不同類型雙層土體的承載力的方法如下：

① 上軟粘土下硬土（無(wú)回流條件下）：

② 上軟粘土下硬土（完全回流條件下）：

式中推薦如下的擠壓因子：a＝5.00，b＝0.33，cu為軟黏土的不排水剪切強(qiáng)度。

③ 上硬粘土下軟粘土（無(wú)回流條件下）：

④ 上硬粘土下軟粘土（完全回流條件下）：

⑤ 上砂土下粘土（無(wú)回流條件）：

⑥ 上砂土下粘土（完全回流條件）：

可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于上軟下硬的粘土，按照單層土體計(jì)算出的承載力要比雙層土體計(jì)算出的承載力小，而對(duì)于上軟下硬粘土，采用單層土體計(jì)算出的承載力要大于雙層土體計(jì)算出的承載力。

3 土體回流的判斷

對(duì)于無(wú)樁靴的自升式平臺(tái)是不存在土體回填的，而對(duì)于存在樁靴的自升式平臺(tái)，在插樁時(shí)通常會(huì)在樁靴上部形成樁坑。樁坑會(huì)發(fā)生回填，回填土按照來(lái)源大致可分為以下幾種類型：①樁靴下部土體回流；②樁坑壁面失效垮塌；③周邊泥沙移運(yùn)，如圖1所示。

圖1 土體回填類型Fig.1 Types of soil back fill

土體的回填會(huì)降低土體承載力，增加入泥深度，增大拔樁難度。目前常用的極限樁坑深度計(jì)算方法有：

①假設(shè)樁坑完全回填。《海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范》假設(shè)平臺(tái)插樁時(shí)樁靴上部的樁坑是由回填土充滿的。對(duì)比平臺(tái)歷史插樁記錄，該方法預(yù)測(cè)的插樁深度與實(shí)際插樁記錄存在較大的誤差。

②穩(wěn)定系數(shù)法。SNAME推薦使用穩(wěn)定系數(shù)法來(lái)評(píng)估樁靴基礎(chǔ)在不排水粘性土中插樁時(shí)的臨界樁坑深度：

式中：cus為樁坑深度范圍內(nèi)不排水抗剪強(qiáng)度的平均值，N為穩(wěn)定因子，'γ為土壤的浮容重。

穩(wěn)定系數(shù)法是基于粘性土軸對(duì)稱開(kāi)挖過(guò)程中的壁面失效原理，沒(méi)有考慮插樁時(shí)土體的回流效果，考慮得不夠全面。因此，基于流動(dòng)失效機(jī)理提出了極限樁坑深度的計(jì)算方法：

式中：H為樁坑深度，B為樁靴直徑，cu為海床至樁坑底端的平均不排水抗剪強(qiáng)度，γ'為土體的浮容重。

按照以上公式計(jì)算出極限樁坑深度之后根據(jù)樁靴的入泥深度，就可算出樁靴以上土體的重量，在承載力計(jì)算中減去這部分重量便是實(shí)際的土體承載力。

4 現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算案例

中油海某平臺(tái)在勝利某井位進(jìn)行修井作業(yè)，根據(jù)該作業(yè)井位的工程地質(zhì)資料計(jì)算出該平臺(tái)的樁靴承載力計(jì)算曲線，根據(jù)平臺(tái)的單樁極限載荷，初步確定平臺(tái)的最大插樁深度。

圖2 按照單層土計(jì)算的單樁極限承載力Fig.2 Bearing capacity of jackup in single soil

該平臺(tái)為無(wú)樁靴式平臺(tái)，因此承載力計(jì)算中可不考慮土體的回填，但承載力計(jì)算需要考慮樁端承載力和樁側(cè)摩阻力兩部分，首先按照各土層計(jì)算參數(shù)，采用單一土體承載力計(jì)算方法計(jì)算出各層樁端承載力，承載力曲線如圖2所示，再按照上文采用的計(jì)算方法計(jì)算層狀土樁端承載力，承載力曲線如圖3所示。按照層狀土進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算分析過(guò)程如下：①28～40,m，將該土層按照單一土體計(jì)算出的承載力設(shè)為雙層土承載力值。②24.5～28,m，通過(guò)比較，該土層為軟土，下一層為硬砂土，通過(guò)上軟下硬雙層土計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。③22.5～24.5,m，該層為砂土層，按照上砂土下粘土進(jìn)行計(jì)算，從最終的計(jì)算結(jié)果看，按照雙層土計(jì)算出的承載力較原結(jié)果偏小，可見(jiàn)對(duì)于該薄層土承載力受軟土層的影響。④14.3～16.6,m，同樣為上砂土下粘土，計(jì)算方法與 22.5～24.5層類似。⑤以上土層可按上述方法進(jìn)行計(jì)算分析。

理論計(jì)算深度為11.0,m左右，樁靴貫入深度曲線如圖3所示，最終插樁深度：右艏 9.8,m，左艏 11.2,m，左艉 9.8,m，右艉11.7,m。理論與實(shí)際插樁深度基本一致。

圖3 按照雙層土計(jì)算的單樁極限承載力Fig.3 Bearing capacity of jackup in multip le soil

5 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合公司自升式平臺(tái)在勝利埕島油田插樁作業(yè)分析，通過(guò)比較單層土體承載力計(jì)算方法與多層土體承載力計(jì)算方法的差別，提出了多層土體插樁深度計(jì)算分析方法，并優(yōu)化考慮了土體回填的判別方法。通過(guò)實(shí)際插樁過(guò)程的計(jì)算分析，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。

采用多層土體插樁深度分析方法解決了在兩層土體間存在兩種不同土體承載力的錯(cuò)誤，能夠更合理地解釋土層間承載力的變化，并且該方法在實(shí)際應(yīng)用中具有更高的準(zhǔn)確性。■

［1］ Society of Naval Architects & Marine Engineers（SNAME）. Guidelines for Site Specific Assessment of Mobile Jack-up Units，Technical & Research Bulletin 5-5A [S]. 1st Edition. 2002.

［2］ HSE RR（UK）series，Guidelines for jack-up rigs w ith particular reference to foundation stability [EB/OL]. http ： //www. hse. gov. uk/research/rrpdf/rr289. pdf.

［3］ Xie Y，F(xiàn)alepin H，Jaeck C. Prediction of Spudcan Penetration Resistance in Multiple Soil Layers [C]. ISOPE 2010.

［4］ 陳小華，田豐. CB22C平臺(tái)調(diào)查技術(shù)報(bào)告[R]. 2014.

Research on Penetration Depth Calculation of Jack-Up Drilling Platform in M ultiple Soil Layers

QI Lei1,2，LIU Zhenwen1,2，WU Hangzhou3，QIAN Xurui3，XU Hao1,2，LI Guang3，DENG Haifeng1,2
(1．CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China；2．CNPC Key Laboratory of Ocean Engineering，Tianjin 300451，China；3．Tianjin Division of CPOE，Tianjin 300451，China)

This article takes the jackup in Chengdao Oilfield as the research object to analyze penetration in multiple soil layers through the comparison of the bearing capacity calculation method both in single layer soil and multi-layer soil．It proposes the bearing capacity calculation in multiple soil layers and optim izes the discrim inant formula of soil backfill．The accuracy of this method was verified through calculation and analysis of the actual penetration of jackup in Chengdao Oilfield.

penetration of jackup；multiple soil layers；soil backfill

TE53

：A

：1006-8945(2015)10-0025-03

2015-09-18