鉆井船插樁對導管架平臺群樁影響的CEL有限元分析

何啟洪, 賴 禺,周松望

(1. 中海石油(中國)有限公司恩平油田群聯合開發項目組，廣東 深圳 518067; 2. 中海油田服務股份有限公司物探事業部，天津 300451)

鉆井船插樁對導管架平臺群樁影響的CEL有限元分析

何啟洪1, 賴 禺1,周松望2

(1. 中海石油(中國)有限公司恩平油田群聯合開發項目組，廣東 深圳 518067; 2. 中海油田服務股份有限公司物探事業部，天津 300451)

采用CEL大變形非線性有限元方法并結合非線性地基梁模型對海洋石油941鉆井船在番禺10-2平臺鉆井插樁時對鄰近導管架平臺群樁的影響進行了分析，并得到以下結論：1)鉆井船插樁過程中，樁身最大位移及出現的位置隨鉆井船插樁深度增加而下移且鉆井船插樁位置與群樁距離越近，對樁的影響越大；2)在插樁過程中，樁身最大彎矩出現的位置與樁身最大位移出現的位置一致，而樁身最大剪力出現的位置較樁身最大彎矩出現的位置偏下；3)與沒有插樁影響的群樁相比，樁身最大彎矩與樁身最大剪力明顯增加。

鉆井船插樁；導管架平臺；插樁影響；CEL方法；群樁基礎

Abstract: The CEL FEM and nonlinear foundations beam model are used to analyze the horizontal effects of the spudcan penetation of Haiyangshiyou 941 Jack-up Rig on piles of the jacket platform in PY10-2 oil field. The conclusions are as follows: 1) The maximum pile displacement and the depth of the maximum pile displacement increase with the process of spudcan penetration. The closer the distance of the spudcan and piles is, the greater the effect is; 2) During the spudcan penetration, pile head is the maximum moment positon and the position of the maximum moment of pile is consistent with the position of the maximum displacement of pile. The position of the maximum combined shear force is deeper than that of the maximum moment; 3) Consistant with the piles without the effect of penetration, the maximum moment and the maximum displacement increase evidently.

Keywords: spudcan penetration; jacket platform; effects of the spudcan penetration; CEL method; pile group

近年來，隨著我國海洋油氣開發場址水深的增加，鉆井船進行鉆井或修井作業時，其就位插樁對鄰近導管架平臺樁基的影響問題日趨明顯。美國輪機與造船工程師學會(SNAME)關于鉆井船插樁的規范規定[1]，當鉆井船樁靴與鄰近平臺樁之間間距小于1倍樁靴直徑時，就需要評價鉆井船插樁對鄰近平臺樁安全性的影響。

鉆井船插樁時，與其相鄰最近的平臺鋼樁沿樁身將會受到插樁擠土導致的水平方向擠土力作用，評價鉆井船插樁對鄰近平臺鋼樁影響的實質是能夠分析插樁擠土力引起的樁身附加彎矩和剪力。目前可能用于評價鉆井船插樁對鄰近平臺樁影響的一種方法是能夠進行非線性大變形問題分析的耦合歐拉-拉格朗日有限元數值仿真方法[2](以下簡稱CEL有限元方法)。已有研究表明[3]，利用該法分析鉆井船在單一黏土層、砂土層中插樁時，可以得到與離心模型試驗結果基本吻合的插樁阻力曲線。文獻[4]的研究表明，利用該法分析鉆井船在單一黏土層中插樁對鄰近一根鋼管樁影響時，計算出的樁身彎矩與離心模型試驗結果相比也比較一致。為此，本文利用CEL有限元方法并結合非線性地基梁模型[5]，分析海洋石油941鉆井船插樁對番禺10-2導管架平臺樁基的影響。

1 問題簡介與CEL有限元模型

番禺10-2導管架平臺位于中國南海珠江口盆地，距香港東南約175 km。導管架平臺的基礎為4腿的8群樁基礎，每組群樁由兩根打入泥面以下96 m的鋼樁組成，鋼樁外徑2.438 m。兩根樁的間距7.071 m，布置見圖1。941鉆井船在番禺10-2就位鉆井作業時，需要將直徑18 m的樁靴貫入泥面以下15 m深的土層；按照圖1給出的鉆井船插樁與平臺鋼樁之間的相對位置可知，鉆井船樁靴邊緣距最近的平臺鋼樁A外緣僅5.3 m，遠小于1倍的樁靴直徑，因此，須分析鉆井船就位插樁時，對導管架平臺鋼樁甚至平臺安全的影響。

使用ABAQUS數值仿真分析軟件建立有限元模型時，參考已有的研究[4]，水平方向的計算邊界取66 m，豎直方向計算邊界取100 m，在泥面以下20 m深度范圍內的土體采用歐拉單元EC3D8R進行離散，以模擬插樁過程中樁靴周圍土體的大變形流動性態，綜合考慮計算效率及計算精度，此部分單元的網格尺度為2 m。20 m至100 m范圍內的土體采用拉格朗日8結點實體單元C3D8R進行離散。另外，在泥面以上沿豎直方向10 m范圍內，設置了EC3D8R歐拉空穴單元，以模擬鉆井船插樁過程中土體的隆起與回淤。為保證計算效率，按照等效抗彎剛度的原則，將鋼管樁轉換為實體樁，也采用拉格朗日8結點實體單元C3D8R對樁進行離散，兩根樁的樁頭采用一個剛性板連接，在板的頂部設置一轉動彈簧，彈簧的轉動剛度由給定工況的樁頭彎矩與轉角的比值確定，經計算，轉動剛度為8.14×106kN·m，以模擬上部導管架結構對群樁樁頭的彈性約束條件，以下將這組群樁稱為受影響群樁。為了考慮其它3組群樁的支撐作用，用3組滿足p-y關系的非線性地基梁模擬其它3組群樁的作用，且在樁頭用剛性桿與受影響群樁相連，以下將這3組群樁稱為支撐樁。圖2是按上述原則建立的CEL有限元計算模型。為以下分析方便，定義沿影響樁連線方向為x方向，垂直于影響樁連線方向為y方向，如圖1所示。

圖1 樁靴與鄰近樁基的位置分布示意Fig. 1 The layout of spudcan and adjacent piles

圖2 CEL有限元計算模型Fig. 2 The CEL FEM calculation model

2 CEL有限元分析中的計算參數

表1給出了番禺10-2平臺場地的土層分布。在CEL有限元分析中，利用理想彈塑性本構模型描述土層的應力應變關系。理想彈塑性模型包括三個基本參數：彈性模量、泊松比與屈服強度。計算中黏土層和砂土的泊松比分別取為0.49和0.3，且按摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)強度準則確定屈服強度。

按下述方法確定土體的等效彈性模量：

1)利用非線性地基梁模型，依據p-y數據，見表2，計算單樁樁頭在水平荷載作用下的荷載位移曲線。

2)建立一個單樁與土相互作用的三維有限元模型。

3)給定土層一個彈性模量，通過三維有限元彈塑性計算，確定樁頭荷載位移曲線。

4)將第3)步計算出的樁頭荷載位移曲線與第1)步計算出的樁頭荷載位移曲線進行比較。若兩者相差明顯，調整土層的彈性模量，重復第3)步中的計算，直到有限元計算出的樁頭水平荷載位移曲線與第1)步計算出的樁頭水平荷載位移曲線基本吻合為止。此時土層的彈性模量就是與非線性地基梁模型以及p-y數據等效的土體彈性模量。

按照上述步驟確定出的土體等效彈性模量為20 MPa。

表1 番禺10-2鉆井場地土層資料Tab. 1 Soil parameters of Panyu 10-2 site

采用線彈性本構關系描述等效實體樁的材料特性，且按實際鋼管樁與等效實體樁抗彎剛度相同確定等效實體樁的彈性模量：

式中：Ee為等效彈性模量；E為鋼管樁材料的彈性模量，取210 GPa；I為鋼管樁的截面慣性矩；Ie為等效實體樁截面慣性矩。

CEL有限元計算模型的邊界條件設置：1)歐拉區域邊界節點的水平速度設置為0，并且將邊界設置為歐拉吸收邊界，以防止歐拉土體穿越計算模型的邊界，消除由于計算模型尺寸選取可能導致的邊界效應；2)將拉格朗日區域邊界的側面和底面位移設置為0。

CEL有限元計算模型的接觸條件及參數設置：1)歐拉體與拉格朗日體之間的接觸采用廣義接觸[6](general contact)；2)鄰近受影響樁與拉格朗日土體之間的接觸采用面—面接觸(surface-to-surface contact)，且選擇剛度大的樁體表面作為主面，土體表面作為從面。

表2 番禺10-2鉆井場地平臺樁的p-y數據Tab. 2 P-y Data of the pile of Panyu 10-2 site

(續表)

3 樁身擠土位移分析

圖3 插樁至10 m時的平臺樁變形示意Fig. 3 The pile deformation for spudcan penetration at 10 m

圖3是CEL有限元計算得到的鉆井船插樁至5 m、10 m與15 m時，樁A與樁B受土層擠壓時的樁身典型的變形示意圖；圖4計算得到的樁受擠壓時的樁身水平位移沿樁長的變化，圖中的Ux與Uy分別代表沿圖1中的x方向與y方向的位移。圖4中的結果表明，當群樁只承受插樁擠土荷載時，由于相鄰鋼樁的支撐作用，泥面處樁頭的位移很小；當鉆井船插樁至5 m時，對于樁A，在泥面以下大約18 m附近范圍樁身水平位移達到最大；對于樁B，在泥面以下大約21 m附近范圍樁身水平位移達到最大；當鉆井船插樁至10 m時，樁A在泥面以下大約21 m附近范圍樁身水平位移達到最大,樁B在泥面以下大約26 m附近范圍樁身水平位移達到最大，這種規律與插樁至5 m時的規律一致，與插樁至5 m時的計算結果相比，插樁導致的樁身最大位移位置下移，對于樁A，最大水平位移增大了137%，對于樁B，最大水平位移增大了50%；當鉆井船插樁至15 m時，樁A在泥面以下大約23.5 m附近范圍樁身水平位移達到最大，樁B在泥面以下大約32 m附近范圍樁身水平位移達到最大，這種規律與插樁至5 m、10 m時的規律也一致，與插樁至10 m時的計算結果相比，插樁導致的樁身最大位移位置進一步下移，對于樁A，最大水平位移增大了9%，對于樁B，最大水平位移增大了10%。可見，插樁對距離近的樁影響深度小于距離遠的影響深度，當插樁深度小于10 m時，樁身最大位移的增速較快，當插樁深度大于10 m時，樁身最大位移的增速較慢。計算結果還表明，無論是樁A還是樁B，樁身出現最大水平位移的深度大于鉆井船插樁的深度，這與已有的一些離心模型試驗結果較為一致[7-9]。

圖4 樁身水平位移Fig. 4 Lateral displacement of pile

4 樁身彎矩與剪力分析

在海洋工程的樁基結構設計中，使用非線性p-y彈簧模擬土對樁的作用，借助非線性地基梁模型確定樁頭力作用下樁身的彎矩與剪力。

圖5 非線性地基梁有限元模型Fig. 5 The nonlinear foundations beam FEM model

這里也采用非線性地基梁模型，同樣利用p-y彈簧模擬土層對樁的作用，進而依據CEL有限元分析得到樁身水平位移，計算擠土導致的樁身彎矩和剪力響應。

在ABAQUS中采用梁單元建立非線性地基梁有限元模型，由于采用梁單元，按實際管樁的截面尺寸確定梁單元截面參數。梁單元的彈性模量取210 GPa，泊松比取0.25。利用考慮群樁效應的非線性p-y彈簧模擬土對樁的橫向支撐作用。參考在番禺10-2群樁分析中，按彈性樁頭設置約束條件，故在樁頭設置了一個轉動彈簧，轉動剛度為3.41×107kN·m。圖5給出了非線性地基梁模型有限元模型。計算時，按圖4給出的結果，在非線性地基梁節點處施加位移，確定梁的彎矩與剪力響應。

圖6 樁身彎矩隨深度的變化Fig. 6 Pile moment vs. depth

圖6給出了樁A的樁身彎矩沿樁長的分布。圖6中的結果表明：當樁頭只承受插樁擠土荷載時，樁頭彎矩最大。插樁至5 m時，樁身最大彎矩位置大約在泥面以下17.5 m左右；插樁至10 m時，樁身最大彎矩位置大約在泥面以下20 m左右，與插樁至5 m時的計算結果相比，樁身最大彎矩增大了107%；鉆井船插樁至15 m時，樁身最大彎矩位置大約在泥面以下23 m左右，與插樁至10 m時的計算結果相比，樁身最大彎矩增大了11%。顯然，隨鉆井船插樁深度增加，樁身最大彎矩出現的位置不斷下移并與最大位移出現的位置基本一致。當插樁深度小于10 m時，樁身最大彎矩的增速較快，當插樁深度大于10 m時，樁身最大彎矩的增速較慢。插樁擠土引起的附加彎矩范圍也隨插樁深度增加而增大。插樁5 m時，影響范圍大約在泥面以下40 m以內；插樁10 m時，影響范圍大約在泥面以下50 m以內；插樁15 m時，影響范圍大約在泥面以下60 m以內。

圖7 樁身總剪力隨深度變化Fig. 7 Pile shear force vs. depth

圖7給出了樁A的樁身總剪力沿樁長分布。圖7中的結果表明：當樁頭只承受插樁擠土荷載時，樁頭附近處剪力最大。插樁至5 m時，樁身最大合剪力位置大約在泥面以下25 m左右；插樁至10 m時，樁身最大合剪力位置大約在泥面以下27 m左右；鉆井船插樁至15 m時，樁身最大合剪力位置大約在泥面以下33 m左右。由此可見，隨鉆井船插樁深度增加，樁身最大合剪力出現的位置不斷下移且最大合剪力逐漸增大，這與樁身位移及彎矩沿樁身的變化規律是一致的。

圖8 擠土與樁頭力共同作用下樁身位移、彎矩與剪力Fig. 8 Pile displacement, moment and shear force under the soil squeezing and pile head force loading

針對鉆井船插樁至10 m的情況，圖8給出了樁A在樁身受插樁擠土力與樁頭y方向水平力共同作用時，樁身位移、樁身彎矩與合剪力沿樁長的分布。將僅有插樁擠土時的計算結果與此種工況計算結果進行比較可知，樁頭與樁身的位移增加；樁身的最大彎矩與最大合剪力沒有明顯增加。

圖9給出了樁A僅受樁頭y方向水平力作用下，樁身位移、樁身彎矩與合剪力沿樁長的分布情況。與沒有插樁影響、樁頭僅作用水平荷載的工況相比，由于插樁導致的樁頭位移增大了約45%，樁頭彎矩沒有明顯增加，樁身彎矩最大增加了25%，樁頭合剪力增加了29%，樁身剪力也明顯增加。

圖9 樁頭水平力作用下的樁身位移、彎矩與剪力Fig. 9 Pile displacement, moment and shear force under the pile head horizontal force loading

5 結 語

采用CEL大變形非線性有限元方法并結合非線性地基梁模型，分析了海洋石油941鉆井船插樁對番禺10-2導管架平臺群樁的影響。得到以下結論：

1)鉆井船插樁過程中，由于平臺四組群樁的支撐作用，插樁擠土不會導致泥面處群樁樁頭發生明顯位移，但是插樁擠土會導致泥面以下樁身產生較大位移較大；

2)樁身最大擠土位移隨鉆井船插樁深度增加而增加，當插樁超過一定深度時，樁身最大位移不再明顯增加；

3)樁身最大位移出現的位置隨鉆井船插樁深度增加而增加，這點與已有的離心模型試驗結果基本一致；

4)鉆井船插樁對群樁中距離近的樁的影響深度小于距離遠的樁的影響深度；

5)在插樁過程中，樁身最大彎矩出現的位置與樁身最大位移出現的位置較為一致，樁身最大剪力出現的位置較樁身最大彎矩出現的位置偏下；

6)與沒有插樁影響的群樁相比，樁身最大彎矩與最大剪力明顯增加。

鉆井船插樁對鄰近樁的影響分析，是一個十分復雜的問題。這里針對一個特定場地、特定插樁相對位置條件下進行分析，所得結論難免有一些局限性。因此，今后有必要對不同條件做進一步分析。

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CEL FEM analyzsis on effects of spudcan penetration on piles of an jacket platform

HE Qihong1, LAI Yu1, ZHOU Songwang2

(1. Enping Oilfields Joint Development Project PMT, CNOOC (China) Ltd., Shenzhen 518067, China; 2. Geophysical-China Oilfield Service Limited, Tianjin 300451, China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.06.015

1005-9865(2016)06-0123-08

2015-12-14

何啟洪(1973-)，男，廣東高要人，從事海洋石油平臺工程建設工作。E-mail: qihong_he@cnooc.com.cn

賴 禺。E-mail: laiyu@cnooc.com.cn