自升式平臺“踩腳印”試驗系統研制

(中海油田服務股份有限公司，河北 三河 065201)

自升式平臺作業結束后，需要將樁腿從海床內拔出，會在海床上會形成樁坑。這類樁坑被稱為“腳印”。隨著南海地區生產活動愈加頻繁，遺留在井區的腳印數量也迅速增加。當自升式平臺返回舊井位重新開展作業活動時，不可避免的會受到腳印的影響，嚴重影響到自升式平臺的生產安全。對于自升式平臺踩腳印的問題，國內外許多科研院校做過相關的離心機模型試驗[1-5]。腳印的性質差異會對結構的受力變形結果產生很大的影響，因此必須對腳印性質的研究給予足夠的重視[6-9]。之前的研究工作有局限性：①完全固定或者僅允許水平方向運動的連接方式過度約束了樁腿的自由度，與實際生產中樁腿上端無約束的情況不相符合；②單樁腿的試驗裝置無法反映出平臺整體的運動情況，無法體現船體-樁腿、樁腿-樁腿之間的耦合作用關系；③盡管離心機試驗與1g條件下試驗相比有很多優點，但是離心機試驗負載能力有限，試驗箱尺寸較小，無法進行全平臺的模型實驗，并且離心機試驗成本高昂，土樣配置的難度很大。為此，考慮研制一套1∶100的自升式鉆井平臺全平臺的踩腳印模型試驗系統，用于模擬自升式鉆井平臺踩腳印的過程，測量三個樁腿上的受力和平臺旋轉角度。應用該試驗系統研究腳印的直徑大小對于結果的影響，驗證該試驗系統的有效性。

1 試驗系統

1.1 系統組成設計

試驗在1g條件下進行，系統主要由土池、支撐裝置、加載裝置、測量系統和物理模型等設備組成，具體試驗系統見圖1。

圖1 自升式平臺踩腳印試驗系統

土池的尺寸為1.6 m×1.6 m×1 m。土池四周和上部有用于固定和支撐加載系統的支撐架，伺服液壓油缸安裝在位于土池上方支撐架的橫梁上，最大承載力為30 kN，允許以恒定的速率進行加載。該試驗系統可以模擬自升式平臺海上插樁作業，以及拔樁的全過程。如圖2所示，使用活動的球鉸來連接平臺模型和加載油缸，因此整個平臺可以在踩腳印過程中傾斜旋轉，增加了整個平臺的自由度，使平臺的運動更加符合實際情況。角度傳感器安裝在平臺模型的船體板上，可以實時測量踩腳印過程中平臺的傾斜角度。

圖2 活動球鉸連接裝置

1.2 試驗平臺模型

試驗使用的自升式平臺模型根據CJ50型自升式平臺進行縮比設計，比例尺為1∶100。自升式平臺上部的船體簡化為一塊厚度為50 mm的等邊三角形鐵板。自升式平臺桁架結構的樁腿簡化為薄壁圓筒，樁腿采用鋁合金制作。根據縮比模型的相似性關系，模型樁腿與原平臺具有相同的抗彎剛度。三根樁腿與船體完全固定連接，模型的具體尺寸見表1。

表1 實驗平臺模型設計的詳細參數

如圖3所示，每條樁腿上布置了三組應變片來測量樁腿不同位置處的彎矩。

圖3 樁腿上應變片布置示意

研究對象CJ50型平臺樁靴形狀為長方形，這種新式樁靴具有更大的面積，可以獲得更大的土體承載力，能夠更好地適應我國南海軟黏土的地層情況。根據縮尺比例，試驗模型樁靴的尺寸為225 mm×180 mm×50 mm，將樁靴底部簡化為平底，忽略原型樁靴底部很小的傾角。樁靴安裝在樁腿底部，與樁腿完全固定。

1.3 試驗土樣配置

采用超固結飽和黏土，土層表面用一層自由水模擬實際情況中的地質情況。為保證配土結果的準確性，首先將試驗所用高嶺土進行粉碎、曬干、加水，在含水率為120%情況下進行充分攪拌，分多次配置，每次配置土層厚度為100 mm。泥漿在土池內靜置超過24 h，然后在泥漿上逐級加壓進行排水固結，最后壓力達到80 kPa。如果連續8 h后土體高度沒有發生變化，則表明土體配置完成。試驗黏土具體性質見表2。

表2 試驗黏土主要參數

在試驗開始前，使用十字板剪切儀測量黏土的不排水抗剪強度。土層表面的不排水抗剪強度為10 kPa，并且隨著深度增加，抗剪強度也不斷增大。土樣的不排水抗剪強度的測試結果見圖4。

圖4 試驗土樣不排水抗剪強度變化

2 試驗驗證

試驗主要研究腳印直徑大小對自升式平臺踩腳印的影響。

2.1 試驗步驟

結合實際，腳印的直徑設置為18 cm，腳印中心距離樁靴中心的距離為22 cm，腳印深度為12 cm。為方便說明，位于自升式平臺船首的樁腿記作1號樁腿，船尾的兩個樁腿記作2號和3號樁腿。腳印位于1號樁腿的外側，見圖5。

圖5 試驗工況示意

試驗首先將樁腿插入土層內至目標深度，然后立刻拔出，完成腳印的制作。隨后以恒定的速度將平臺模型插入土層內直至20 cm。為了研究自升式平臺踩腳印過程中三根樁腿上的受力情況，每根樁腿上均布置了三組應變片。受到腳印的影響，樁腿上會產生彎矩以及水平力。將朝向腳印中心方向的水平力記為正水平力，使得平臺朝遠離腳印方向轉動的彎矩記為正向彎矩。

2.2 樁腿上彎矩結果

自升式平臺模型踩腳印情況下每條樁腿上的彎矩見圖6。

圖6 樁腿彎矩

圖6a)，當樁腿開始插入土層時，1號樁腿底部的彎矩迅速增大，在約4 cm處取到最大值。這是因為腳印的存在使得樁靴兩側土體流動模式不對稱，靠近腳印一側的土體主要是朝向腳印內水平運動，而樁靴另一側的土體則是回流運動。這種非對稱的流動模式在樁靴底部產生偏心的豎向承載力，使得樁靴朝著遠離腳印的方向發生轉動，并在樁腿上產生了彎矩。隨著插樁深度增加，直至超過腳印深度時，腳印產生的影響越來越小，樁靴兩側土體的流動模式基本一致，不再產生偏心的豎向承載力，因此樁腿底部的彎矩逐漸減小，并且接近于0。樁腿在入泥后，因為樁靴兩側土體不對稱，在插樁過程中產生水平力。水平力在樁腿上產生的彎矩與樁靴底部偏心承載力產生的彎矩方向相反，因此1號樁腿頂部的彎矩與底部的彎矩相反。樁腿頂部的彎矩在入泥后負向快速增長，最大彎矩(-38 N·m)大于底部的最大彎矩(24 N·m)。隨后隨著入泥深度增加，彎矩逐漸變為正向。

由于整個平臺關于腳印對稱，因此2號和3號樁腿上的彎矩基本一致。由于2號腿和3號腿并未踩坑，樁靴兩側土體流動模式一致，樁腿上的彎矩主要由平臺傾斜引起，因此樁腿上彎矩分布較為規律，樁腿上不同位置處的彎矩變化幾乎一致。樁腿上的彎矩均為負值，與1號樁腿底部的彎矩相反，這表明2號腿和3號腿彎曲的方向與踩坑的1號腿相反。隨著入泥深度增加，彎矩快速增大，在約4 cm處取到最大值，隨后彎矩隨入泥深度增加逐漸減小。樁腿頂部的彎矩最大，而底部的彎矩最小。

2.3 樁腿上水平力結果

樁腿上水平力的主要來源是樁靴兩側土體的差異，產生的側向壓力。踩腳印過程中樁腿上水平力的變化見圖7。可以看出在平臺樁腿開始入泥后水平力迅速增大，3條樁腿上的水平力均為正值，表明平臺整體有向腳印內滑動的趨勢。隨著插樁深度增加，腳印的影響逐漸減小，樁腿上的水平力也逐漸減小。2號樁腿與3號樁腿的水平力變化基本一致，而1號樁腿在插樁10 cm之后，樁腿上的水平力持續反向增加。

圖7 水平力變化

2.4 平臺傾斜結果

試驗系統的創新點之一是給平臺模型更多的自由度，允許平臺在踩腳印過程中發生傾斜,平臺傾斜角度變化見圖8。

圖8 平臺傾斜角度變化

由圖8可見，平臺在入泥后發生了快速的傾斜，與樁腿上彎矩以及水平力的變化規律相似。隨后，傾斜角度均勻增大，但增大的速度變慢。最后平臺朝腳印內的傾斜角度約為0.75°，表明該工況下腳印對平臺的影響有限，并沒有造成平臺嚴重傾斜。

3 結論

1)對于靠近腳印，即船首的樁腿，樁腿底部受到偏心豎向承載力的作用，朝著遠離腳印的方向旋轉，樁腿頂部的彎矩方向與底部相反。

2)對于船尾的兩條樁腿，平臺關于腳印對稱，因此這兩條樁腿上的彎矩幾乎一致。整條樁腿上彎矩方向相同，且樁腿頂部的彎矩大于底部的彎矩。

3)樁腿上水平力表明平臺有向腳印中心滑動的趨勢。

4)平臺最終的傾斜角度為0.75°，表明該工況下腳印對平臺的影響有限。

典型工況條件下的試驗結果驗證了該試驗系統的有效性。未來考慮腳印幾何條件、腳印-樁靴距離、腳印數量等條件，對自升式平臺踩腳印的問題進行進一步試驗研究。