自升式鉆井平臺重復就位滑移風險分析及對策研究

靳 嵩

大港油田公司對外合作項目部（趙東作業分公司），天津 300280

自升式鉆井平臺重復就位過程中，遺留樁坑可能導致樁靴滑移，甚至造成樁腿與平臺卡住，發生大變形，嚴重影響平臺結構安全。據Berg[1]的統計數據顯示：登記在數據庫中的樁靴腳印信息越來越多，其中歐洲殼牌公司作業留下的腳印就有1 200個，且每年仍有80個腳印信息增加到該數據庫中。約三分之一的插拔樁事故與地基有關，而其中的15%源于遺留樁坑[2]。

平臺重復就位的過程十分復雜，涉及多種影響因素。目前，關于平臺重復就位的現場數據較少，研究主要集中在離心機試驗及數值模擬方面。平臺重復就位過程中插樁穩定性的影響因素包括：樁坑和樁靴幾何形狀、中心距β（遺留樁坑中心到樁靴中心的距離）、樁坑內土體（插拔樁擾動后） 的強度及固結時間、平臺結構特性等。Jardine等[3]提到一個現場實測的5 m深的腳印，由直徑18.18 m的樁靴拔出后產生。一些離心機試驗測量了插拔樁后腳印的尺寸。Cassidy等[4]比較了不同預壓荷載下腳印的幾何形狀，腳印呈倒錐形，探究了樁靴形狀、中心距、預壓荷載、樁腿剛度對重復就位時水平力和彎矩的影響，結果表明，平臺重復就位時的最危險距離為0.5D（D為樁靴直徑），改變樁腿剛度對水平力和彎矩影響不大。Gan等[5]分別對正常固結土和超固結土插拔樁之后，腳印內外土體強度變化進行了探究，結果表明，擾動土強度與土初始強度的比值最低可達0.2，距離插樁位置越遠，土的擾動越小，隨著孔隙水壓力消散，土體發生重固結，插拔樁靴過程產生的超孔隙水壓力在休止期為1年時消散了14%～25%，完全消散需要30年時間，且插樁樁靴的影響范圍約為1.5D。Kong等[6-7]為了單獨考慮樁坑形狀的影響，人為制造錐形樁坑，然后進行“踩腳印”試驗，在離心機試驗中將樁坑形狀簡化為倒錐形，將樁靴簡化為與其最大橫截面積相等的圓盤模型，結果表明，最危險的插樁距離為1D。

本文基于歐拉-拉格朗日耦合理論（CEL），利用有限元軟件ABAQUS建立平臺重復就位插樁過程的三維模型[8]并進行驗證，充分考慮插拔樁后土體強度受到不同程度的擾動，模擬樁靴和土體之間的相互作用，研究樁靴在踩腳印過程中所受到的水平滑移力，分析不同就位距離對滑移的影響，確定重復就位的安全距離，最后提出了試踩對策，可作為自升式鉆井平臺二次就位“踩腳印”時設計的參考。

1 二次就位有限元計算模型

有限元計算模型直徑取8D（144 m），深度取4D（72 m），空穴高度10 m。距離樁靴中心1.5D范圍內網格加密，網格平均尺寸為0.075D，加密區深度為30 m，網格寬度為0.5 m。其余范圍內網格按個數對邊進行布設，距離中心越遠，網格越稀疏。同樣，深度方向網格尺寸大小為0.1D。采用掃掠方式對距離中心1.5D的區域進行網格劃分，如圖1所示。

圖1 模型網格劃分

土的應力-應變關系采用理想彈塑性模型來描述，遵循摩爾-庫倫（Mohr-Coulomb）強度準則。黏土的密度ρ=682 kg/m3，土體泊松比ν=0.495，內摩擦角φ=0°，剪脹角Ψ=0°，彈性模量E取500 Su（Su為土剪切強度）。土體豎向邊界施加水平向速度約束，水平邊界施加豎直向的速度約束，并設置吸收邊界（歐拉邊界），以消除由于計算模型尺寸選取導致的邊界效應，減小計算結果的振蕩。樁靴密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=2.1×1011Pa，泊松比ν=0.3，對樁靴進行剛體約束。樁靴與土體之間為廣義接觸（GeneralContact），在插樁過程中，假定樁靴表面是光滑的，即樁靴與土層之間的摩擦系數為0。計算時，采用位移控制的方式設定樁靴貫入及拔出的速度。

為了對模型進行驗證，根據Cassidy離心機試驗測得的樁坑形狀建立有限元模型，試驗測得的插拔樁后腳印形狀如圖2所示，圖中紅實線為本試驗的樁坑形狀，黑虛線為國外離心機試驗的樁坑形狀。

圖2 Cassidy離心機試驗模型的腳印尺寸

考慮到對稱性，為了提高計算效率，取試驗模型的1/2建立有限元模型。按照圖2右側的腳印形狀進行了簡化：樁坑直徑為22 m，深度為1.5 m。為了給插樁時樁靴周圍土體向上隆起的空間，需要在土體上方設置一定尺寸的空穴，即不包括任何材料的空單元，使得樁靴邊緣一定范圍內的土體材料可以向上方運動進入空穴。土體采用歐拉單元EC3D8R，土體模型如圖3所示。

圖3 帶腳印的土體模型

樁靴產生彎矩的一個原因是拔樁后腳印周圍的土體發生重塑，強度分布不均，假定拔樁之后土體強度分布如圖4所示。圖4中，B、h為腳印的寬度和深度，D為樁靴直徑，d為插樁深度。區域1為插樁范圍，該范圍內土體受樁靴插拔的影響而發生嚴重重塑，假定區域3是不受擾動的區域，區域2是過渡區域。Leung等[9]、Cassidy等[4]及Gan等[5]的離心機試驗結果均表明，插拔樁靴對土的擾動半徑為1.5D，因此，認為區域2的寬度范圍是0.5D～1.5D。在模型中對區域1的土體進行折減：泥面以下至3 m深處的土體強度折減80%，3 m深處至插樁深度位置的土體強度折減60%，假設插樁前土體剪切強度Su=7.5+2z（kPa）（z為深度，m）。另外，由于區域2的強度缺乏研究，本文對區域2的土體強度進行了以下假設：其一，主要考慮樁靴插拔范圍內土的擾動，對區域2強度不進行折減；其二，對區域2強度折減20%，即強度變為非擾動土強度的80%；其三，區域2強度折減系數沿水平方向由55%過渡到5%。在此假設基礎上分別建立模型。

圖4 拔樁之后土體強度分布假定

利用上述建模方法計算得到樁靴在重復就位過程中水平力以及彎矩隨深度的變化趨勢，與Cassidy等的離心機試驗結果進行對比，如圖5所示。結果表明，不對區域2進行強度折減的情況下，數值模擬結果與試驗結果吻合良好，因此模型決定只考慮插樁范圍內土體的擾動，不對區域2的土體進行折減。

圖5 試驗與數值模擬結果對比

2 遺留樁坑對樁靴滑移的影響

2.1 二次就位樁靴對土的破壞過程

由插樁過程土體速度矢量圖（見圖6）可知，當樁靴貫入深度較小時，樁靴右側底面的土體被排開，沿樁靴底部向外側運動并產生微小隆起；隨著貫入深度增大，左下方土體與樁靴接觸并產生反力，土體向內側流動，出現樁靴左側以及右側土體的回淤；當樁靴完全入土后回淤基本完成，此時樁靴下方土體處于穩定的全流動狀態。

圖6 插樁過程土體速度矢量圖

由插樁過程土體等效塑性應變云圖（見圖7）可知，隨著樁靴重復就位的進行，在樁靴底部的錐尖附近首先出現塑性區，如圖7（a） 所示；當貫入一定深度時，在樁靴左側土體中出現了連續滑裂面；隨著貫入深度的進一步增加，樁靴左右兩側的土體發生回淤，此時的回淤土體都處于流動的塑性狀態，并且由于土性的差異，左側土體中的塑性區明顯大于右側的，如圖7（b）所示。

圖7 插樁過程土體等效塑性應變云圖

2.2 樁靴與遺留樁坑中心距對樁腿滑移的影響分析

圖8為不同中心距β時水平滑移力隨深度變化曲線，圖9為最大水平滑移力隨β/D值變化曲線。

圖8 不同中心距時樁靴所受水平力隨深度變化曲線

圖9 最大水平滑移力隨β/D值變化曲線

由圖可知，隨著深度增加，水平滑移力呈先增大后減小。中心距β為0.1D和0.25D時，曲線在貫入深度約2.5 m處出現明顯拐點；β=0.5D時，水平滑移力達到峰值；當0.25D＜β≤1D時，水平滑移力先增大后變化不大，最后開始減小；β＞1.25D時，水平滑移力隨深度變化不大；β=1.75D時，水平力接近于0。

樁靴受到不均勻的土反力，進而產生了彎矩，圖10、圖11分別給出了不同中心距下樁腿所受彎矩隨深度的變化曲線以及最大彎矩值隨β/D值變化曲線。

圖10 樁腿所受彎矩隨深度變化曲線

圖11 最大彎矩值隨β/D值變化曲線

由圖可知，中心距β＞1.25D時，彎矩基本上變化不大，在0附近波動。綜合可以確定，平臺重復就位的安全距離應＞1.25D。

3 踩腳印問題對策

針對“踩腳印”問題，本文提出“試踩”的對策。所謂“試踩”是指自升式平臺在最終位置插樁前，在距遺留樁坑適當距離處，按照一定的深度先進行預壓載，以使部分樁基土體滑進遺留樁坑，從而減小水平滑移力。

以上文計算工況為例，β≥1.5D視為平臺重復就位的安全距離，若樁靴就位時由于井口位置等原因不得不小于該距離就位時，則需要進行“試踩”。假設最危險的情況（β=0.5D） 作為最終插樁位置，以距離樁坑中心0.75D、1D、1.25D、1.5D分別進行“試踩”。

圖12為在樁坑不同中心距處進行試踩，樁靴在最終位置插樁時的水平滑移力隨深度變化曲線。由圖12可以看出，在距離樁坑中心1D處試踩時，水平滑移力最小。建議：在距樁坑中心1D處進行“試踩”。

圖12 水平滑移力隨深度變化曲線

中心距為1D處，不同深度試踩后的水平滑移力如圖13所示。在最終位置就位時的水平滑移力，由圖可知，當試踩深度為3 m時，樁靴所受水平力最小；因此，建議距離樁坑中心1D處進行試踩時，試踩深度取3 m。

圖13 不同深度試踩后的水平滑移力（β=1D）

4 結論

本文采用CEL的方法對平臺重復就位進行了數值模擬，并采用離心模型試驗結果對模型進行了驗證，得出如下結論：

（1）隨著樁靴-遺留樁坑中心距的增大，樁靴所受水平滑移力先增大再逐漸減小，直至水平滑移力趨近于0。分析得到平臺重復就位的安全距離應≥1.5D，并提出了“踩腳印”問題的試踩距離及試踩深度。

（2）土體強度折減對樁靴二次就位時所受水平力和彎矩的影響較大；樁靴所受的彎矩和水平力與區域1的土體強度恢復有很大關系；強度恢復越大，樁靴所受的彎矩和水平力越小，樁靴穩定性越高，即重復就位時間距離上次拔樁時間越長，樁靴進行重復就位越偏于安全。

（3）以上分析基于有限元模型，在實際工程中，應盡可能通過物探方式探測遺留樁坑的形狀和尺寸，并通過原位測試獲取坑內土體的強度，為安全距離的計算求取較為準確的土體參數。