自升式鉆井平臺插樁對導管架樁腿承載力影響研究

陳樹恩

（中海石油（中國）有限公司，北京 100010）

1 理論計算方法

大直徑樁靴與導管架樁基礎之間的距離較小，樁靴下壓和上拔造成淺層土體形成的孔洞會影響樁基的豎向承載力。根據API規范，樁的極限承載力由樁側摩阻力和樁端總承載力兩部分組成：

式中：Qf為樁側摩阻力；

Qp為樁端總承載力；f為單位樁側摩阻力；As為樁側表面積，q為單位樁端承載力，Ap為樁端總面積。

粘土中f與q的計算如下：

式中：c為土體不排水抗剪強度

αá=，ψ=c/p0’，p0’為計算點的有效覆蓋土壓力。

砂土中粘土中f與q的計算如下：

式中：K為橫向地基壓力系數；

δ為土和樁壁間的摩擦角；Nq為支撐能力系數。

樁靴下壓時一部分土體被擠向兩側，一部分土體隨樁靴下沉，土體表面會形成一個沉陷區，據相關研究沉陷區最大直徑為樁靴直徑的2倍。

以我國南海淺水區域某工程為例，樁靴與樁基間距最小僅3.88 m，樁基礎位于沉陷區內，因此在樁靴下壓，樁基周圍都會存在局部的土體流失，將導致樁基豎向承載力的下降。在運用API規范計算樁基承載力時，將樁身周圍的土體考慮成與樁靴相同深度的上覆土層全部流失的極端情況，計算結果如表1所示：

表1 理論計算樁靴下壓對樁基承載力的影響

2 有限元分析方法

有限元分析是模擬結構穩定性的重要手段。采用有限元軟件ABAQUS進行校核計算。將樁靴、導管架樁腿視為剛體結構，賦予鋼材屬性。土體采用摩爾-庫倫模型，鋼管樁采用彈性模型，土體和大直徑鋼管樁均采用C3D8R單元進行模擬，樁土之間切向為罰接觸，法向為硬接觸。為了考慮設計最不利情況，當樁靴作用于某一位置時，將樁靴底面以上土體全部挖去，然后對樁頂參考點RP施加豎向位移荷載，提取樁頂反力得到荷載-位移曲線。

圖1 有限元模型三維視圖

由荷載-位移曲線可知樁靴下壓時樁的豎向極限承載力，并計算樁靴作用對豎向承載力的影響，匯總結果見表2。

表2 有限元分析樁靴下壓對樁基承載力的影響

3 模擬實驗研究

在自升式鉆井平臺靠導管架插樁的過程中，影響導管架樁腿承載力的因素非常多，往往難以進行正確合理的評價。所以，非常有必要進行海底地層承載力模擬實驗，將難以評估的破壞效果量化成可評估的參數，為自升式鉆井平臺在導管架旁邊就位提供實驗支持。

3.1 實驗原理

自升式鉆井平臺插樁作業時，樁腿對周圍土體產生一定的擠壓，土體中的應力會產生一定的變化，模擬實驗主要是測量插樁過程中土中應力的變化，做出導管架樁腿周圍土的應力變化曲線，根據土應力變化曲線得出自升式鉆井平臺插樁時對導管架的影響。

3.2 實驗方案

實驗主要為測量樁腿插入過程中土中應力和導管架平臺樁腿應力的變化。如圖2實驗方案所示，插樁時樁腿的邊緣與導管架平臺樁腿邊緣的距離為18 cm，土壓力傳感器埋設深度分別為10 cm，20 cm和30 cm。距插樁位置邊緣的距離分別為0.5倍、1倍、1.5倍和3倍樁徑（即9 cm、18 cm、27 cm和54 cm）。傳感器埋設完畢后，然后再選定的插樁位置插樁，插樁深度為35 cm，并記錄實驗數據。

圖2 樁腿與傳感器的位置剖面圖

3.3 實驗過程

按照實驗方案，將各個傳感器按編號順序分別接到應變儀上，并將各個傳感器的測量值歸零。在選定的實驗區域挖出一個30 cm土坑，拍平，然后選出埋設傳感器的四個點，埋設傳感器，再埋10 cm的砂土，拍平重復上述動作，直到所有的傳感器埋設完畢。

圖3 實驗布置

靜置2 min，插樁，記錄數據。插樁示意圖如圖4所示。

圖4 插樁過程示意圖

3.4 實驗結果分析

根據實驗所得數據作出隨插樁深度的增加實際土應力和導管架平臺樁腿周圍土應力的變化曲線。

圖5 傳感器埋深10 cm時土壓力值變化曲線

圖6 傳感器埋深20 cm時土壓力值變化曲線

由上述曲線可知，隨插樁深度的增加，實際土應力值和導管架樁腿周圍土應力值均增加后減小，且土應力值在插樁深度為土壓力傳感器埋設深度的一半時土應力值最大，且自升式鉆井平臺樁腿對導管架平臺樁腿周圍土應力的影響要比對實際土體的土應力值影響大。

4 結論

文章在理論研究、有限元分析的基礎上，得出了自升式鉆井平臺插樁對于臨近導管架樁腿承載力的影響。在此基礎上，設計了一套研究自升式平臺插樁對于導管架樁腿影響的模擬實驗方案。該模擬實驗通過控制傳感器的埋深以及距離范圍，可以了解到隨著插樁深度的增加樁腿的各個部分的應力變化情況。通過模擬實驗可以發現，隨插樁深度的增加，實際土應力值和導管架樁腿周圍土應力值均增加后減小，且兩種土應力值均在插樁深度為土壓力傳感器埋設深度的一半時土應力值最大。