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自升式平台桩靴穿刺深度预测

摘要

自升式平台在世界钻井工程中得到成功且广泛的应用,它在勘探和工程实践中的安全性和效益性吸引越来越多人的目光.能够准确的预测桩靴的插入深度对判断桩靴能否在工作地点正常工作有很大的帮助。如果桩靴插入深度预测值过大,可能会导致后续拔桩过程困难产生停顿,甚至使工作地点废弃.同样,如果桩靴入土深度预测值过小,平台在作业过程中不稳定也会产生破坏.然而预测结果和油田实际数据总归有误差,尤其是软质土层上覆盖硬质土层时.通常最终结果主要取决于实际经验而不是作为参考的预测结果.尽管会有危险但是我们别无选择.因此提出合理的预测桩靴穿透深度的方法是迫切需要的. 尤其要考虑土层剖面软质土上覆盖硬土层的情况.鉴于此,我们对各种预测桩靴插入深度的方法进行了广泛的调查研究.对于各种土壤层都有与之对应的预测方法提出,并且已经做了对应的实验来验证方法是否合理..为了进一步验证所提出的方法的合理性,我们提出一个发生在南海的工程案列并且讨论其数值模拟结果和实验结果。

1简介

自升式平台在世界勘探工程中扮演着重要的角色.它也可以用做临时生产,安装柔性三脚架平台和维护保养的平台.自升式平台结构包括主体,桩腿(桩靴)和升降系统,允许使其完成拖航,降下桩腿,抬升主体等工作,并且能够承受环境载荷和提供稳定的工作甲板.典型现代自升式钻井平台可以在恶劣的环境中工作,且作业水深达到150m左右.自升式平台在第一次到达作业地点时需进行预压载以确保土壤能够提供足够的承载能力以承受风暴工况和正常作业工况可能出现的最大桩靴反力.历史表明自升式平台事故占据近海事故第一位,其中大部分与自升式平台基础有关,而这之中53%是因为土壤穿刺破坏.土壤穿刺事实上是土壤承载能力不足问题.我要需要研究大量的土壤穿刺现象,在校核桩基结构承载能力时要与土壤承载能力相对应.

尽管现在有大量的研究土壤地基承载能力的文献,但是其中大部分是基于Prandtl(1921), Reissner(1924),Menzies,和Roper等人做的最初的研究.这些土壤承载能力公式都是基于极限平衡方法,并且加入经验和半经验因子来考虑载荷的不均匀和偏心,桩基形状,桩基嵌入深度等产生的影响.海洋油井测量规范和API RP 2A(API,2000)中提出的方法已经被广泛应用在工程中，适用模型为带平底区域的圆形桩靴。工程实践和数值分析已经证明了API提出的方法并不是很精确，由于没考虑到土壤为非均质层对承载力产生的影响从而导致结果错误。API公式计算出来的预测值与实际工程值有误差一般来说，在土层较浅时结果更小，土层较深时结果偏大。因此有必要修改API公式来满足工程实际需求。

本文，对不同土壤层提出了不同承载力公式，例如非均质粘土层，双层黏土层，多种特性土层并覆盖沙土层。为了使结果更精确，本文提出一种数值方法，使用任意拉格朗日欧拉自适应网格方法模拟桩靴穿入过程中土壤的变形。本文也做了相应的实验来验证公式和方法的有效性。除此之外为了进一步验证方法是合理的，本文举了一个发生在南海的工程实例，提出并且讨论了相应的数值和实验结果。由于在沙土层中喷射流使土壤承载能力降低，段梦兰等人提出一种理论模型来分析喷射系统对承载能力的影响并提出相应的理论和实验结果。

2桩靴穿刺过程中土壤破坏机理

桩靴穿刺是一种快速的不排水的过程，与传统的流体流动相比，载荷增值作用时间很短。如果桩靴周围粘土达到饱和，渗透率较低，土壤将会被压缩从而产生很大的孔隙水压力。当桩腿接触海床时，除非土层为非常坚硬的粘土层和沙土层，否则桩靴会穿透土壤表面。预压载工况中穿刺现象会一直持续直到预压载荷与土壤承载能力达到平衡。穿刺过程中，土壤流动经历三个阶段。

阶段一：穿刺初始阶段，桩靴下的土壤开始流动，桩靴周围土壤表面隆起，产生凹穴，如图一a所示。因为凹穴的形成增加上覆压力这个阶段桩靴基础承载能力增加。

阶段二：随着穿刺深度增加，桩靴底部土壤流动到桩靴顶部，如图ib所示，这个阶段桩靴失效深度由浅到深，承载能力增加。

阶段三，随着桩靴进一步贯穿，整个桩靴埋入土中，土壤开始向下流动，洞穴变小达到稳定状态如图1c所示。在穿刺最后阶段，桩靴承载能力达到极限值，失效深度机理保持不变。

3自升式平台桩靴承载能力预测

3.1当前规范中参考方法局限性

预测结果和最终油田数据通常存在偏差。表2中，对几个不同地点的穿透深度预测值和实际值做了对比。我们可以看到很预测值和实际值存在明显的偏差，在土层为硬质土层覆盖软质土层时，穿透深度通常很大。

3.2桩靴承载能力计算方法的发展

当前API规范推荐的承载能力计算方法是基于单一土层推导出来的，而实际情况土壤剖面有几种土层。这种简化，某种程度引起了预测结果和最终数据的差别。为了解决这个问题，本篇文章对三种不同土层分别提出新的方法。

3.2.1非均质粘土层

实际地质条件是复杂的。总是会遇到多种土层，土壤性质随着深度的变化而变化，甚至在单一土层中也会变化如图3所示。API的预测方法，没考虑到土壤强度的非均匀性，也一定程度导致了计算结果和实际数据的差别。

为了弥补现有桩靴承载能力估算方法的不足，本文提供了一个新的方法，尤其适用于非均质土壤，如方程一所示;

式中qx是单位面积承载能力，S非均质土壤剪切强度随着深度变化关系，H桩靴形成的穴的深度，D是泥线到最大承载面积的的距离。K是剪切强度和穿刺深度关系的斜率，从图4中可以得到。

SN0在桩靴最大横截面积处深度的剪切强度。

3.2.2多层土层剖面

桩靴穿刺过程中，土层承载能力不仅取决于土壤层自身条件也和其下部土层有关，尤其是软土层上覆盖硬土层的情况，经常面临“土壤穿透”挑战。土壤击穿可能导致桩腿弯曲，使平台停止作业甚至引起平台倾倒。上部覆盖硬土层包括强粘土层和砂层两种情况。由于下部土层上部土层影响显著，本文预测方法的条件是双层粘土和砂层覆盖两种情况。

3.2.3双层粘土土层

图五是双层粘土情况的草图，下部土层一定程度影响上部土层的极限承载能力。为了考虑下部土层在上土层承载能力计算中的影响，本文基于先前对均匀非均质土层的研究提出一种方法，如方程式（3）~（5）所示。

系数zeta;由下式得到

方程（4）带入方程式（3）得到下式

式中qn单位面积极限承载能力，Su1，Su2是分别是第一层和第二层的土壤剪切强度，H1是第一粘土层的厚度，H是桩靴的深度，D是泥线到最大桩靴承载面积的距离，K是剪切强度和穿刺深度关系的斜率，从图4中可以得到。

现在API提出的粘土层中桩靴极限承载能力计算方法如下面方程式6所示

式中Su是桩靴底部往下B/2处地基的平均不排水剪切强度，B是埋入土中最大横街面的直径，Nc是不大于9的无量纲常数。

圆柱形桩腿的无量纲承载能力因子Nc如图6a所示。图6b显示的桁架式桩腿的无量纲因子现在广泛的应用在工程中，这种方法得出的结果不恰当。英雌，针对双层土条件提出的方法有望在实践中应用。考虑到提出的方法在工程中的实用性，本文提出的公式3~5简化为类似API推荐的公式的形式。通过计算分析不同种SU2/SU1的比值，如图6所示，可以发现本文提出针对双层粘土土层的公式得到的结果非常接近，式中Nc值为

3.2.4覆盖砂层

覆盖砂层在油田中很常见。砂土层下部为软土层时容易遇到土壤击穿危险。在这种情况下，精确估测覆盖沙土层的极限承载能力是很重要的，然而它是很困难的尤其在多种土层矿床。针对这一问题本文在前人研究的基础性上提出一种方法（如方程8所示）并且试图考虑砂层下的土层的影响（如图7）。

式中CI是第i层土层的粘聚力，Hi是第i层土层的厚度yi是是第i层土的平均有效容重，Kp是被动土压力系数，delta;是被动土压力和水平面的角度。

通常需要考虑典型的具有覆砂层的双层土壤剖面，为了使工程问题得到快速响应覆砂层的临界厚度Hcr（图5所示）得到了推导。

式中Q1和Q2为上层土壤和下层土壤各自的承载能力，当Hgt;Hcr, 地基可以认为足以保证自升式钻井平台的作业安全，否则存在潜在的贯穿危险。

4有限元分析桩靴基础

预测桩基穿刺深度通常考虑不同深度处桩靴可能位置并应用传统承载能力理论。然而经典承载力理论不能揭示土壤渐进破坏过程。有限元分析方法可以解决这个问题，它可以合理模拟土体力学性质和复杂的边界条件。本文提出了基于有限元分析的ALE方法可以合理评估桩靴穿刺。

在ABAQUS里面进行桩靴穿刺有限元分析。根据对称性原理，使用土壤和桩靴的轴对称模型并加竖向载荷可以准确表达三维问题。该方法已应用于模拟土壤破坏过程，揭示地基的破坏模式和应力应变，并与本文提出的计算公式的理论结果进行了比较。此外，本文提出的预测桩基穿透深度公式和数值分析方法已经应用在渤海遇到的一个实际案例中。

4.1土壤模型

这里使用莫尔-库伦（MC）弹塑性土本构模型来考虑变化的土壤参数。沙土和粘土的弹性参数由经验推导出。粘土的弹性模量取约为E=200XS_U,式中S_u为不排水剪切强度，泊松比V=0.49.砂土的弹性模量为E=4Xq_c，q_c是顶端阻力从CPT数据中可以得出。泊松比为0.3.为了减少土壤边界效应对分析的影响，径向和垂向的土壤范围为桩靴直径的的10倍。

假设0-3m深的砂层的初始渗透系数k为1.0e-3m/s，同样位置的粘土层的系数为1.0e-9m/s.

考虑桩靴穿刺过程中的土壤大变形，在桩腿底部的局部区域使用ALE方法。

4.2桩靴模型

桩靴模型是基于图9显示的几何模型，。它是具有弹性和较大的弹性模量的钢结构。

4.3桩靴-土壤相互作用模型

通过带有摩擦行为的面面接触模型(主从关系)模拟桩靴-土壤的相互作用。桩靴作为主表面，变形的土壤作为从表面。两个表面的相对运动是通过使用一个滑动机构来模拟，允许表面之间任意的分离，滑动和旋转运动。在两个表面的交界处施加接触约束，并使用运动接触算法。对土壤桩靴的摩擦表面的相互作用进行了模拟，砂土（粘土）和桩靴接触时切向运动的摩擦系数取为0.3（0.4）。

4.4载荷和边界条件

重力载荷作用于整个模型，桩靴施加只能在垂直方向上运动的“位移约束”来模拟桩靴的穿刺。网格的垂直边界被限制在水平方向上移动，而底部边界限制在垂直方向上的移动，顶部边界包括桩靴是应力自由边界。在整个分析中，流相的边界条件为所有边界以及桩靴和周围土壤的接触面没有流量。

5实验研究

为了验证上文中提到的方法，通过开发试验装置做了相应的实验研究。

5.1试验装置

图8显示进行桩靴穿透测试的示意图和物理设置。这个试验中使用的桩靴模型是典型的多边形（如图9）。杆在桩靴的质心处。因此这个模型除了可以正常的穿透测试，还可以用来观察桩靴安装过程中土壤的运动。

图9显示的桩靴模型直径为122mm，厚度为63mm，由一个典型的中石油自升式钻井平台的桩靴原型按比例缩小100倍并用钢制成。详细的尺寸如图9所示。

5.2土壤参数

测试在粘土上进行，液体极限为80%，塑性极限为35%，比重为2.6。1991年，斯图尔特和伦道夫进行T型触探实验来描述粘土的不排水剪切强度（如图10）。

5.3实验步骤

设置完成后，土壤已被放到盒子中。整个实验原料在一段时间内(本文中两个月)单独放置在不变的环境中，土壤具有一定的整合。穿透过程中，桩靴速度恒定为1mm/s以保证不排水条件V=nu;De/cV（范尼和伦道夫，1994）大于30，式中De代表圆形桩靴的直径，若为非圆形桩靴则De为其等效投影面积的圆的直径，即等效直径。v为桩靴的拔取速度。Cv为土的固结系数。

5.4结果的讨论

实验数据和相应的数值方法和理论结果对比如图11所示。很明显有限元方法计算的结果最接近于实验数据。ALE方法的应用是数值分析方法表现较好的最主要原因。ALE方法有效的解决了穿刺过程中土壤大变形的问题完美模拟了穿刺阻力。

与API方法对比，本文提出的公式可以给出更合理的预测结果。尽管没有FEM方法精确，但是公式在解决工程问题中可以得到快速响应，并有望应用于实际工程，为岩土工程人员提供及时的参考，作出适当的决策。

6应用

为了例证，这里提出一个工程案例，主要数据来自COSL自升式钻井平台。平台作业于南海，工作地点水深100m，土壤参数现场钻孔并进行三轴试验来决定。相应的土层剖面表格1中给出，桩靴示意图如图9所示，B=12.2m。

对于这个案例，分别用四种方法来预测桩靴穿刺深度，最终结果如表格2和图12所示。从结果可以看到这篇文章提出的公式方法和FEM方法在预测桩靴反力方面相对于API方法表现更好，当然FEM方法最好。在工程问题中的成功应用一定程度上验证了本文中方法（FEM和公式）的可行性。该公式有望应用于实际工程，为工程人员提供及时的参考，并作出适当的决策。

7结论

精确的预测桩靴入土深度对判断自升式平台能否正常工作是非常有帮助的。由于地质条件的复杂，预测值和实际值总会存在偏差。因此，最终结果很大程度上取决于工程经验而不是规范给的参考值。我们需要大量研究桩靴穿刺预测方法以确保自升式平台工作时的安全。针对油田中不同种地质条件，如非均质土，多层土，软土上覆盖硬土，本文都提出相应

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