長江下游地層自升式平臺站樁與升降試驗研究

劉 偉，林 磊，陳伶翔，朱見華

(招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通 226116)

0 引言

隨著海洋裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，自升式平臺的建造數(shù)量與日俱增。自升式平臺通常采用三腿樁或者四腿樁站立在海床面上，通過升降裝置將主船體、生活樓、懸臂梁等重量傳遞到樁腿，所以自升式平臺的站樁和升降試驗是其建造周期內(nèi)的關(guān)鍵節(jié)點。站樁壓樁是對自升式平臺升降裝置剎車能力的校核，升降試驗是對升降裝置升降能力的校核，是驗船師檢驗升降性能的一個重要環(huán)節(jié)，也是升降裝置取得船級社證書的最后一步關(guān)鍵性試驗。

本文首先綜合評估平臺插樁入泥區(qū)域土質(zhì)的參數(shù)，其次計算入泥深度，并對穿刺風(fēng)險進(jìn)行評估，為平臺站樁壓樁與升降試驗的實施提供參考。

1 長江下游某碼頭地質(zhì)分析

1.1 地質(zhì)簡介

通過實際鉆探采樣，再進(jìn)行室內(nèi)研究分析各土層物理力學(xué)性質(zhì)，對比分析各土層物理力學(xué)性質(zhì)差異，將長江下游某碼頭區(qū)域分為7個工程地質(zhì)層，自上而下分述如下：

①淤泥；

②淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；

③粉土夾粉質(zhì)粘土；

④粉土；

⑤粉土夾粉質(zhì)粘土；

⑥粉質(zhì)細(xì)砂夾粉土；

⑦1粉質(zhì)細(xì)砂夾粉土、1a粉質(zhì)粘土夾粉土、2粉質(zhì)細(xì)砂夾粉土、2a淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、2b淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。

1.2 巖土參數(shù)選取

綜合分析各工程地質(zhì)鉆孔的柱狀圖、原位測試成果、土工試驗結(jié)果，給出長江下游某碼頭不同位置的工程地質(zhì)層厚度、抗剪切強度、水下容重、內(nèi)摩擦角范圍等相關(guān)參數(shù)，用于評估平臺插樁入泥深度的參數(shù)表，見表1。

表1 評估平臺插樁入泥深度的地質(zhì)參數(shù)

1.3 入泥深度估算

自升式平臺升船過程中，其樁腿樁靴插入海底土層中，當(dāng)樁腿樁靴受到的支反力與海底泥面承受的極限載荷平衡時，平臺完成站樁。在站樁之前，需根據(jù)地質(zhì)分析報告和沖擊試驗報告對樁腿插樁時的入泥深度進(jìn)行估算，防止平臺在插樁過程中出現(xiàn)樁腿穿刺等危險狀況，且該估算報告能夠保證平臺在當(dāng)前位置有足夠的安全作業(yè)氣隙。

站樁過程中，當(dāng)樁腿站樁載荷超過海底土層的極限承載力時，樁腿會發(fā)生穿刺現(xiàn)象，對平臺的安全具有極大的威脅，因此需對該極限承載力

Q

進(jìn)行估算。計算一般使用美國石油協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)

American

Petroleum

Institute

Recommended

Practice

2

A

中推薦的關(guān)于淺基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)的方法，如下：

Q

=

q

A

+

γ

V

式中：

q

為樁腳的單位面積極限承載力；

A

為樁腳的最大平面積；

γ

為由樁腳排出土的平均有效重度；

V

為樁腳的體積。

q

的計算方法如下：

q

=

S

N

(不排水粘性土)

q

= 0.3

γ

BN

+

P

(

N

-1)(排水粒狀土)式中：

S

為樁腳下

B

/2深度以內(nèi)平均不排水抗剪強度；

N

為不排水粘土的無量綱承載力系數(shù)；

γ

為樁腳下

B

/2以內(nèi)土的平均有效重度；

B

為樁腳的實際基礎(chǔ)直徑(最寬截面)；

N

、

N

為根據(jù)內(nèi)摩擦角而定的排水粒狀土無量綱承載力系數(shù)；

P

為樁腳深度處的有效上覆壓力。

N

、

N

的關(guān)系如下：

N

=2(

N

+ 1)

N

計算方式如下：

N

= 6(1+ 0.2

D/B

)≤9式中：

D

為樁腳實際基礎(chǔ)深度(最寬截面)。當(dāng)樁靴穿過土層以后，樁靴插樁過程中產(chǎn)生的間隙由回填土填滿。假設(shè)回填土為排水粒狀土質(zhì)，那么其承載系數(shù)

N

和

N

可按照

American

Petroleum

Institute

Recommended

Practice

2

A

：

Load

and

Resistance

Factor

Design

F

中提供的值選取。承載系數(shù)

N

值的選取見表2。

表2 承載系數(shù)Nq的值

1.4 穿刺分析

在入泥深度估算中，實際情況不全部是粒狀土或粘性土，有可能在粒狀土或粘性土之間夾雜著一層軟粘土，或者在軟粘土上覆蓋著一層硬粘土層或粒狀土層。在插樁過程中，由于承載力不同，可能會出現(xiàn)樁腿穿刺的潛在風(fēng)險，所以對于這種類型的土質(zhì)剖面必須進(jìn)行穿刺分析。

對于硬粘土層或粒狀土層覆蓋軟粘土層的穿刺通常采用HANNA等和BROWN等提出的方法進(jìn)行分析。另外，對于穿刺分析，在工程應(yīng)用中也常用YOUNG等提出的3∶1載荷擴展分析法。該方法假定硬土層(上層)的載荷通過3∶1的比例分解成垂直方向和水平方向，并且該載荷通過硬土層傳遞到軟土層的頂面，如果該等效載荷未超過軟土層的承載力，那么該插樁過程將不會發(fā)生穿刺。在這種情況下，穿刺的安全性主要取決于上覆硬層的厚度。穿刺分析中承載力

q

的表達(dá)式為

q

=6

S

(1+ 0.2

D

′

/B

′)

A

′/

A

≤

q

B

′=

B

+ 2

H/

3

D

′=

D

+

H

1.5 工程實踐

CJ50鉆井平臺為三腿自升式移動鉆井平臺，其樁腳式基礎(chǔ)的最寬部分面積為200 m，等效有效直徑為16.0 m，最寬截面至樁腳尖的深度為2.2 m，樁腳體積約為600 m。預(yù)壓載時，每只樁腳的最大預(yù)壓載為1.177×10N(12 000 t)。樁靴示意圖見圖1。

圖1 樁靴示意圖(單位：m)

根據(jù)碼頭場地類別，選取2個區(qū)域的地質(zhì)進(jìn)行分析，地質(zhì)剖面的選取見圖2。IV類場地選取1-1′工程地質(zhì)剖面(BH1-BH9孔)，III類場地選取2-2′工程地質(zhì)剖面(BH10-BH19孔)。

圖2 碼頭勘探點平面圖(單位：m)

根據(jù)前述的分析方法和土質(zhì)參數(shù)進(jìn)行土的承載力分析，并匯總CJ50鉆井平臺的計算結(jié)果。

(1)在1-1′工程地質(zhì)剖面，CJ50鉆井平臺在最大預(yù)壓載下，鉆井平臺的樁腳尖部最終入泥深度為10.2～10.4 m(見圖3)，無穿刺的危險。

圖3 CJ50樁腳載荷與樁腳尖入泥深度曲線

(2)在2-2′工程地質(zhì)剖面(BH10孔至BH12孔)。CJ50鉆井平臺在最大預(yù)壓載下，樁腳尖部最終入泥深度為4.0～7.7 m(見圖4)，無穿刺的危險。

圖4 CJ50樁腳載荷與樁腳尖入泥深度曲線

(3)在2-2′工程地質(zhì)剖面(BH13孔至BH19孔)。CJ50鉆井平臺在最大預(yù)壓載下，樁腳尖部最終入泥深度為3.7～4.7 m(見圖5)，無穿刺的危險。

圖5 CJ50樁腳載荷與樁腳尖入泥深度曲線

JU-2000E、CJ46、NG-2500等不同型號的自升式平臺在站樁壓樁前均通過上述理論方案計算入泥深度，并根據(jù)穿刺安全系數(shù)進(jìn)行風(fēng)險評估，相對于穿刺的安全系數(shù)見圖6。

最大安全系數(shù)計算公式如下：

F

= ③/①式中：

F

為最大安全系數(shù)；①為最大設(shè)計樁腿載荷，包括全部靜、可變、鉆井或風(fēng)暴載荷；③為最大計算承載力。

最小安全系數(shù)計算公式如下：

F

= ④/①式中：

F

為最小安全系數(shù)；④為最小計算承載力。

圖6 相對于穿刺的安全系數(shù)

實測安全系數(shù)計算公式如下：

F

= ②/①式中：

F

為實測安全系數(shù)；②為施加的預(yù)壓載。

根據(jù)以上公式進(jìn)行穿刺安全系數(shù)計算，當(dāng)實測安全系數(shù)在最大安全系數(shù)與最小安全系數(shù)之間時，可以進(jìn)行插樁試驗。

2 插樁壓樁

當(dāng)自升式平臺樁腿插入海床后，通過觀察升降控制室的受力情況和齒條間相位差(Rack Phase Difference，RPD)的變化來判斷插樁是否成功。升降系統(tǒng)廠家會給出明確的RPD上限值，這也是插樁位置是否滿足升降條件的重要判斷依據(jù)。如果RPD值滿足要求就可以將平臺升至2 m吃水并通過升降控制室傾斜儀觀察平臺水平狀態(tài)，否則需要重新選擇插樁位置。該步驟通過減少吃水，將載荷通過升降系統(tǒng)傳遞至樁靴，從而增加樁靴的入泥深度。維持0.5 h后，如果沒有問題即可繼續(xù)升船至0.5 m吃水，繼續(xù)提高樁靴受力，增加入泥深度。如一切正常繼續(xù)升船至0.5 m氣隙(船底板距離水面的距離)繼續(xù)觀察。待一切穩(wěn)定，進(jìn)行壓樁作業(yè)。

對于在海上作業(yè)的平臺，壓樁前會根據(jù)傾斜試驗得到的主船體的重量重心和平臺的裝載情況來調(diào)載。處于建造階段的平臺，其首次插樁前需要根據(jù)下水浮態(tài)推算出重量重心，并以此作為壓樁壓載方案編制的依據(jù)。為保證安全，建造自升式平臺的廠家選擇平臺在0.5 m氣隙時進(jìn)行壓樁作業(yè)，一旦出現(xiàn)意外平臺可以迅速入水，降低風(fēng)險。

對于某碼頭的三樁腿自升式平臺，如選擇的插樁地點未曾進(jìn)行過插樁作業(yè)，考慮到平臺的安全，一般采取單腿壓樁的方案。單腿壓樁是通過壓載水使單條樁腿的受力達(dá)到升降系統(tǒng)最大夾持能力，樁靴受力達(dá)到最大值，維持該狀態(tài)直至樁腿不再下沉。單腿壓樁的優(yōu)點就是1條腿受夾持，另外2條腿仍舊可以進(jìn)行升降操作，一旦出現(xiàn)穿刺，另外2條腿可以立即降船使平臺在最短的時間入水，避免傾覆，但是單腿壓樁方案耗時相對較長。對于已有平臺站立過的插樁位置，其穿刺風(fēng)險已基本排除，可以采取平壓方案進(jìn)行壓樁作業(yè)，通過調(diào)整壓載水使平臺3條腿同時達(dá)到最大夾持力。對于四樁腿的自升式平臺，一般采取對角壓樁的方案，升船至0.5 m氣隙后，逐步抬升任一對角線上的2條樁腿，減小其受力，增加另2條樁腿受力直至升降系統(tǒng)最大夾持能力，增加其入泥深度。

當(dāng)JU-2000E、CJ46、CJ50、NG-2500等不同型號平臺的插樁壓樁試驗結(jié)束后，將試驗實際測量入泥深度與理論計算方法得出的入泥深度進(jìn)行對比，結(jié)果顯示入泥深度偏差在可接受范圍內(nèi)，且未曾發(fā)生過穿刺事故。因此，自升式平臺入泥深度及穿刺風(fēng)險的評估方法對于長江下游地層適用性良好。

3 升降試驗

自升式平臺下水壓樁完成后會進(jìn)行升降試驗。升降試驗是校驗升降系統(tǒng)功能的一個重要環(huán)節(jié)。一般自升式平臺的升降試驗分為最大預(yù)壓載升降船、正常升降船和全程升降等步驟。

最大預(yù)壓載升降船試驗是通過調(diào)整壓載水使每個齒輪的受力達(dá)到設(shè)計的最大值來進(jìn)行短距離的升降船試驗，其作用是校驗升降裝置的最大升降能力能否滿足設(shè)計要求，以及是否能滿足作業(yè)的極限工況。最大預(yù)壓載升降船試驗為后期平臺作業(yè)裝載手冊極限工況的編寫提供了可靠的計算依據(jù)。

正常升降船試驗是校驗平臺在加上所有可變載荷的情況下升降速度能否滿足設(shè)計要求，是否滿足設(shè)計的工況。正常升降船的數(shù)據(jù)也是后期編寫裝載手冊的重要依據(jù)，同樣也是船級社對升降裝置取證的最終校驗標(biāo)準(zhǔn)。

全程升降船試驗是在自升式平臺的樁腿全部焊接完成后，以最小的齒輪受力使平臺升到樁腿的頂部。此項試驗的目的是為了校驗平臺是否能完全在整個樁腿上進(jìn)行升降，并證明樁腿的建造是否完全滿足升降的要求，同時也是對升降系統(tǒng)中的上限位的校驗和設(shè)定。在升降過程中，上限位是自升式平臺升船的最大上限值。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)長江下游地質(zhì)土層物理力學(xué)性質(zhì)，通過理論方案計算入泥深度，并對穿刺風(fēng)險進(jìn)行評估。

(2)通過理論的插樁計算分析，結(jié)合某碼頭各種不同型號平臺的插樁壓樁試驗的順利完成，說明理論計算方法是可行的，長江下游地質(zhì)適合進(jìn)行平臺的插樁和升降試驗。

(3)當(dāng)整個升降試驗完成即證明整個升降系統(tǒng)滿足設(shè)計要求。