隔水導管樁豎向承載力分析

萬 軍， 梁 超2， 關 湃， 李翔云， 龐洪林

(1. 中海石油(中國)有限公司 天津分公司， 天津 300459; 2. 天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300072)

0 引 言

目前國內有許多海上油氣資源得不到有效開發，這些油氣資源主要來自于小型的邊際油田，如何經濟有效地開發油氣資源一直是邊際油田的關鍵問題。目前應用于小型油田的簡易平臺種類繁多，其中大部分需打入傳統的鋼管樁基礎提供其所需的承載力，如能有效利用平臺井口結構中的隔水導管及表層套管替代傳統鋼管樁為平臺提供支撐，則既滿足開采需求又滿足平臺承載需求，形成“一管雙用”，將使邊際油田的開發更加經濟。

近年來，關于井口結構承載力方面的研究大多以隔水導管為對象：胡浩杰[1]利用FLAC軟件分析打入式隔水管豎向承載力的時效性；蘇堪華等[2]考慮井口荷載，分析隔水導管的最小入泥深度；楊進[3]建立隔水導管在不同土層情況下的承載力計算模型，提出隔水導管最小入泥深度的計算方法；沈園園等[4]根據隔水導管受力特點，開展隔水導管入泥深度的研究。目前還鮮有對于隔水導管與表層套管聯合支撐平臺的研究。為此，采用有限元分析方法，以渤海地區常用尺寸的隔水導管與表層套管為研究對象，探究兩者組成的隔水導管樁在黏土環境中的豎向承載特性，為工程應用提供參考。

圖1 井口結構中的隔水導管與表層套管

1 隔水導管樁結構特點

隔水導管與表層套管在井口結構中的布置形式如圖1所示。在渤海地區，隔水導管常采用打入式安裝方法，深度一般在30～70 m，表層套管采用鉆入法安裝，長度可達數百米，兩者之間采用固井水泥連接。

基于上述特點將隔水導管、表層套管、固井水泥考慮為一整體，由上半部分大直徑樁段與下半部分小直徑樁段組成變截面隔水導管樁，如圖2所示。圖中：D1為上樁段外徑，D2為下樁段外徑，L1為上樁段樁長，L2為下樁段樁長。

圖2 隔水導管樁結構圖

圖2所示的隔水導管樁結構類似于“T型樁”。在“T型樁”研究領域，方燾等[5]和易耀林等[6]分別通過試驗與數值方法分析“T型樁”的承載特性，但其研究對象為橋梁工程中的攪拌樁，樁長較短，與海洋平臺中的隔水導管樁存在明顯差異。表1為渤海地區常用隔水導管及表層套管的結構尺寸，結合表1的參數，采用有限元計算軟件ABAQUS對隔水導管樁豎向承載力進行分析。

表1 隔水導管與表面套管的尺寸

2 有限元分析模型的建立與驗證

圖3 有限元分析模型

2.1 有限元分析模型

圖4 隔水導管樁承載模式

采用靜力分析步計算隔水導管樁豎向承載力，土體本構模型選用Mohr-Coulomb彈塑性模型，樁模型采用線弾性模型，單元類型均為C3D8R。隔水導管樁由隔水導管、表層套管、固井水泥組成，根據截面強度等效原則，計算不同尺寸下的隔水導管樁等效彈性模量，結果如表2所示。土體根據渤海地區土層資料選均質黏土，不排水剪切強度Su=50 kPa，彈性模量E= 50 MPa，泊松比v= 0.49。有限元分析模型如圖3所示。

表2 隔水導管樁模型參數

圖5 土體尺寸對承載力的影響

模型中樁-土相互作用選用“主從面”接觸，剛性較大的樁體作為主接觸面，土體作為從接觸面。樁-土接觸分為法向接觸和切向接觸，法向接觸類型選為硬接觸，切向接觸類型選為庫倫摩擦，接觸摩擦因數根據已有研究選擇0.4[7-8]。由于隔水導管與表層套管為海洋平臺井口采油通道，隔水導管樁內部不存在與土塞作用產生的內摩阻力，因此在計算中樁內壁與土體切向接觸設置為光滑。如圖4所示，隔水導管樁豎向承載力應由4部分組成，分別為上樁段外側摩阻力f1、下樁段外側摩阻力f2、上樁段端阻力q1和下樁段端阻力q2。

2.2 模型參數敏感性分析

為保證有限元分析模型計算的準確性和可靠性，需對計算結果受不同因素影響的規律性進行分析，以確定最佳模型計算參數。分別選取不同土體模型尺寸、土體網格尺寸、土體彈性模量進行計算，探究各因素對隔水導管樁豎向承載力計算結果的影響。

2.2.1 土體模型尺寸對承載力的影響

在實際工程中，土體為半無限體，在計算中有必要確定合適的土體模型尺寸以避免邊界的影響。 為此建立4種不同尺寸的土體模型，直徑分別為10D1、20D1、30D1和40D1，土體模型長度均為1.5L，L為隔水導管樁總長度。樁模型尺寸選為D1=610 mm、D2=444 mm、L1=50 m、L2=30 m，計算結果如圖5所示。

從圖5可以看出，相比于其他3組，當土體模型選擇為10D1時的計算結果明顯存在邊界效應，承載力明顯高于直徑為20D1、30D1、40D1時的計算結果，當土體超過20D1后承載力不再發生明顯改變。因此，可以認為在隔水導管樁豎向承載力計算中，土體直徑選擇為20D1即可消除邊界效應的影響。

2.2.2 網格尺寸對承載力的影響

為分析計算模型網格劃分對計算結果的影響，按照圖6將土體網格分為3部分考慮，分別為樁長方向1、樁長方向2和徑向。

圖6 土體網格劃分示例

網格劃分方案如表3所示，按照網格尺寸建立不同計算模型，徑向及樁長方向2采用偏精度布置，樁長方向1采用均勻布置，即最大網格與最小網格尺寸相等。隔水導管樁模型尺寸選為D1=610 mm、D2=444 mm、L1=50 m、L2=30 m。

表3 土體網格劃分方案

選取樁長方向1網格尺寸為1 m，樁長方向2網格尺寸(最小網格尺寸～最大網格尺寸)為1.0 m～2.5 m，計算表3中不同徑向網格尺寸下的承載力，結果如圖7所示；選取徑向網格為0.05D1～1.50D1，樁長方向2網格尺寸為1.0 m～2.5 m，計算表3中不同樁長方向1的網格尺寸下的承載力，結果如圖8所示；選取徑向網格為0.05D1～1.50D1，樁長方向1網格尺寸為1 m，計算表3中不同樁長方向2的網格尺寸下的承載力，結果如圖9所示。

圖7 徑向網格尺寸對承載力的影響 圖8 樁長方向1網格尺寸對承載力的影響 圖9 樁長方向2網格尺寸對承載力的影響

從圖7～圖9的結果可以看出：徑向網格尺寸對隔水導管樁豎向承載力計算結果影響較大，極限承載力隨著徑向網格最小尺寸的減小而減小，并且逐漸趨于穩定，說明網格尺寸越小，越有利于計算精度的提高；而樁長方向1和樁長方向2的網格對計算結果影響較弱，不同尺寸的計算結果無較大差別。考慮到計算精度、計算時長及網格形狀，確定徑向、樁長方向1和樁長方向2的網格尺寸為0.05D1～1.50D1、1 m和1.0 m～2.5 m為計算模型的最佳網格尺寸。

圖10 土體彈性模量對承載力的影響

2.2.3 土體彈性模量對承載力的影響

為研究不同土體彈性模量對計算結果的影響，分別取土體彈性模量為50 MPa、30 MPa、20 MPa、10 MPa進行計算，隔水導管樁模型尺寸選為D1=914 mm、D2=444 mm、L1=50 m、L2=30 m，結果如圖10所示。

從圖10可以看出，承載力曲線拐點對應橫坐標無明顯差別，說明土體彈性模量對于隔水導管樁極限承載力影響較小，但可以看出隨著彈性模量的減小，達到極限承載力所需的樁頂位移隨之增大。

2.3 分析方法的驗證

為保證有限元分析模型的準確性，選用隔水導管樁尺寸D1=914 mm、L1=50 m、L2= 30 m，計算5種黏土不排水剪切強度下的隔水導管樁豎向極限承載力，并與API規范[9]計算結果進行比較，如表4所示。從表4可以看出，有限元方法的計算結果相比API規范稍大，但幅度均在20%以內，說明計算模型具有較高的準確性及可靠性。

表4 數值計算與API計算對比

3 隔水導管樁結構參數對極限承載力的影響

參照表2中隔水導管樁不同截面尺寸下的結構參數，隔水導管與表層套管根據不同實際工況存在不同的入泥深度，簡易平臺在使用中需要多大截面尺寸、多少承載參與長度的隔水導管樁是值得研究的問題。為此建立不同截面尺寸、不同樁長的計算模型，分析隔水導管樁結構參數對其極限承載力的影響規律。

3.1 樁徑對承載力的影響

根據表2的參數計算不同截面尺寸下的隔水導管樁極限承載力，其中L1=50 m、L2=20 m，計算結果如圖11所示，可以看出隨著上樁段截面尺寸D1的增大，其承載力呈線性增長趨勢。

圖11 樁徑對承載力的影響

3.2 樁長對承載力的影響

分別計算不同L1與L2情況下的隔水導管樁承載力曲線，結果如圖12所示。

圖12 樁長對承載力的影響

從圖12的結果可以看出，增加上樁段樁長L1比增加下樁段樁長L2可更有效地提高隔水導管樁豎向極限承載力，且下樁段樁長超過一定長度時，承載力曲線呈折線，在隔水導管樁上樁段端部出現塑性破壞后，下樁段的承載能力才逐漸激發，存在滯后效應，因此增加L2提高隔水導管樁的承載力需犧牲更大的樁頂位移。

3.3 實心樁與空心樁的差異分析

鋼管樁基礎內部土塞會影響其承載模式[10]，隔水導管樁內部不存在土塞即為空心樁。為對比常規管樁存在土塞下的計算結果，選用隔水導管樁尺寸D1=914 mm、D2=444 mm、L1=50 m、L2=30 m，建立相應的實心樁模型計算，結果如圖13所示。

從圖13的結果可以看出，相同尺寸下的實心樁與空心樁豎向極限承載力分別為9 047.8 kN和8 949.65 kN，兩者無明顯差別，造成這一現象的原因是隔水導管樁下樁段端面積較小，對實心樁承載力貢獻較少。

圖13 空心樁與實心樁對比

4 結 論

以隔水導管樁基礎為研究對象，利用有限元方法揭示了其豎向承載機理，分析了有限元模型參數及隔水導管樁結構參數對其豎向極限承載力的影響規律，研究成果可為使用隔水導管樁部分替代原有鋼管樁基礎提供參考。具體結論如下：

(1) 對有限元分析模型中土體尺寸、網格尺寸、彈性模量進行了參數敏感性分析，結果表明：當土體模型直徑取為20D1時可以消除邊界效應的影響；徑向網格尺寸對計算結果影響較大，樁長方向網格尺寸影響較小，考慮到計算時長、計算精度和網格形狀的影響，確定徑向網格尺寸選為0.05D1～1.50D1，樁長方向1網格尺寸為1 m，樁長方向2網格尺寸為1.0 m～2.5 m；土體彈性模量對隔水導管樁豎向極限承載力計算結果影響較小。

(2) 上樁段結構參數對隔水導管樁豎向承載力影響較大，下樁段起次要作用。隔水導管樁豎向極限承載力隨著D1的增加而線性增大；增加上樁段樁長L1比增加下樁段樁長L2可更有效地提高隔水導管樁豎向極限承載力，增加L2提高隔水導管樁的承載力需犧牲更大的樁頂位移。

(3) 渤海地區常用的表層套管截面尺寸較小，下樁段端面積較小，因此相同尺寸下的實心樁與空心樁豎向極限承載力相差較小。