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桩靴拔出阶段拉拔荷载对喷射效率的影响

布瑞塔 本尼，克里斯多夫 高登，马克 杰.卡西迪，西澳大利亚大学 海洋地基系统中心，珀斯，6009，澳大利亚

摘要：在移动自升式钻井平台的使用寿命中，它们会在许多地方被使用。钻井设备移动之前需要先拔出所有的桩腿和桩靴，在软地基中，由于桩靴埋入土中较深，拔出过程是困难的，耗时而且昂贵。因此现代自升式装置的共同特点是设计水射流系统来缓和桩靴的拔出过程是现代自升式装置的共同特点。然而，海洋工业对水射流系统减少所需的拉拔荷载的有效性提出了质疑。为了研究水射流系统的效率，西澳大利亚大学对带有喷射流的按比例缩小的桩靴模型进行了离心实验。把桩靴模型从进入了1.5个直径的一般固结泥土中拔出。与实际的桩靴拔出过程类似，实验是在载荷控制下，施加一个恒定的拔出力，同时对拉拔荷载大小和喷射流量的影响进行了研究。这项研究表明，喷射流对促进桩靴的拔出是有效的，因为它减少了所需的拔出荷载。实验结果为实际情况提供了指导。

关键字：桩靴，离心模拟，软质粘土，喷射，抽吸，拔出

1. 介绍

世界上的大多数海上钻井平台水深高达120m，由自升式移动装置完成升降。设计自升式钻井临时结构可以在移动之前短时间内停在一个地方。在每一次移动之前，必需先拔出通过船体的独立桁架桩腿，然后从海床中拔出自升式钻井的倒圆锥形的桩靴基础。对于深埋的桩靴来说，这个过程困难且浪费时间，据报道，从没入深度为1或2个桩靴直径中拔出需要花费1到2周的时间，在某些情况下为了完全拔出桩腿，10周也是有可能的。

自升式的浮体被用来开发增加拉拔力，为了将拉伸荷载施加到桩腿上，船体沉入水中仍超出浮动吃水。根据钻井平台操作手册的规定，允许的透支，通常是0.6m，因此认为最大抗拔力和自升式钻井可以使用。当桩靴安装时，这取决于钻机并对应于20%-50%的原始垂直压缩力，估计在8到25MN之间。

考虑到埋置的深度和土壤的性质，这种拉拔力并不总是能拔出桩靴。因此，大多数现代移动钻机配备了集成到桩靴底部或顶面的水喷射系统以帮助桩腿的拔出。水通过软管由位于桩腿的供给泵供给。在粘土材料中，其中负孔隙水压力（这里简称为吸力）在桩靴这里明显比较发达，喷射应用在桩靴基础上通过抵消吸力目的是减少拔出阻力。顶部喷射在本文中不做进一步讨论，但已经由文献^[1]在沙中研究，它是为了松开桩靴上部的土壤。

本文提出的研究旨在对近海工业的水喷射效率提供参考。离心机实验，通过提供一个恒定的拉拔力荷载对实际的喷射过程进行了模拟。它补充戈丹等人先前的研究^[2,3]。这是一个位移进行控制和识别管理喷射拔出桩靴的机制。

1. 参数影响桩靴的拔出

在拔出深入土中的桩靴的早期阶段，确定了机构包括反向端承与上桩靴顶部的土隆起组合。机制示意图见图2（a）。这逐渐转变到围绕桩靴边缘的流动机制而桩靴上部的土壤继续被向上提升（图2的（b））。在机构的变化出现在最大拉拔阻力，并在桩靴反转伴随显著负孔隙压力的产生如由Purwana等人实验证明^[4]和戈丹^[2]等和数值（使用有限元分析）Zhou[5]等人。

下列因素会影响拉拔的阻力。

bull;埋置的深度和土壤剪切强度有关。 这个可以确定失效机理和桩靴上部土壤的体积。

bull;操作阶段的持续时间（相对于系数土壤固结）和桩靴地基负载大小的持续时间。这些给桩靴下部的土壤有效的压力，因此土壤应力在不排水设施的剪切强度增加。在自身重量的影响下，桩靴上部的土壤发生倒填充而大大加强，这主要影响了桩靴下部的土壤。

bull;桩靴下面水射流的使用。这是这篇论文的重点。

为了测量由于底部喷射而减少的拉拔阻力，戈丹在文献^[2]中对1:200的实验模型进行了位移控制的离心模型试验。结果表明喷射的应用降低了拉拔阻力。只要该拉拔过程是足够快速的且周围的土壤是不排水的性质。拔出阻力的减少主要取决于喷射水量对桩靴的位移速率，而不是喷射压力。

这使得喷射性能由被表征的水的体积的比率喷出到由左理论上空隙提取桩靴，限定作为填充率f。这可以是作为总喷射流率的乘积除以计算在桩靴提取率和桩靴反转接触面积。

结果表明否定桩靴负孔隙产生的喷射流量在填充率在0.7的时候出现了相反的结果。（注意：虽然最佳的填充比预计也适用于除了高岭土之外的土壤，由于测试失效机理的相似性，这没有被验证。）对于这种条件下，从实验中导出一个承载能力因子4.7，它与日下等人的解析解^[6]是一致的，对应于一个边缘与局部的流动机制的桩靴（在图3中）。对于在黏土中的深锚承载力值比较合理和分散承载力的因素^[7]。

如果喷射流量低，充填率依然保持在0和0.7之间，负空隙压力桩靴转化的过程中变大，更大的提取力量是必需的。相反地，如果喷射流量和充填率超过0.7，超空隙压力在桩靴反转是变大。这对于拔桩有好处，因为它降低了从自升式装置中提供的拔桩力。

在个概念框架在图4中有详细说明，这显示出直接作用于桩靴的Qdirect和最终不排水的射流提取阻力Qult的比例，作为充填率的一个函数f。Qult可以从承载力理论使用的一个取决于操作周期长度和负载应用级^[4,5]的数控因素中估计，对于非喷射状态的拔桩力测试戈丹研究过^[2,3]，平均值Nc=10.8已经计算完成，这也适用于本文章中的研究。

充填率为0表示没有喷射，克服阻力对应于不排水拔桩阻力（Qdirect/Qult=1）。对于填充率为0.7，没有超孔隙压力可以测量，分析提取阻力系数4.7可以应用，结果导致Qdirect/Qult比率为0.435。当这条线穿过这两点时，成功的排水喷射萃取的线被定义。戈丹等人提出实验结果，^[2]表示成功喷射排水提取沿着这条线均匀分布，这验证了概念框架。图4还给出了戈丹等人提出的路径跟着位移控制离心机之一期间的测试^[2]。测量拔出负荷在试验中增加（同时填充率保持不变）直到峰值拔出负荷测量Qdirect。对于其它所有的实验，只有被成功提取的负载被显示出。

成功提取不排水抗水冲的线定义了需要拔桩荷载作为不排水阻力的函数，如果提取的速度代表不排水条件这样才是相关的。结果由戈丹等人提出，表明降低负孔隙压力的好处在桩靴反转时变得更慢而被否定^[2]。部分排水拔桩力由于（部分）土壤固定在桩靴上部，这导致抗剪强度的增加和失效机理打的改变，导致非均匀失败面提升机制（见图2（c）），因此使一个更大的土壤容积松动。

该框架在本文通过分析测试负荷控制的离心模型试验结果，这个结果是典型的复制原位喷射程序。海外实践的启示和建议也经过推导和讨论。

1. 实验装置及程序

3.1设施和测试设置

该实验在西澳大利亚大学的一个200倍的地球重力加速度（200g）的梁岩土离心机里进行^[8]。初始桩靴渗透，保持一个恒定的操作的负荷和最后的拔桩力，都是将二维控制器安装在控制使用保险箱上。附加制动器通过一个圆柱形的腿和一个负载细胞桩靴模型（图5（a））。它表示的是现在正在海上使用的一个直径17.11米的桩靴。该桩靴反转是有两个孔的压力传感器仪表位于20和从基脚中心32毫米（图5（b）和6（b））。

该桩靴模型有三套十二喷射喷嘴布置在同心圆中（图5（b）所示，6）.然而，在本片论文中写到的只有内喷射园被使用（其他的禁止使用）。如图5（b）所示，每一个喷嘴边都有一个直径4毫米，长度4毫米的半圆形出气护板。这种定向流向桩靴底部情况和海上实践是一致的。

这里介绍的三个喷嘴，前两个喷嘴的直径是2毫米的第三个喷嘴是0.5毫米的，这两个原型的规模是38毫米直径的（因为这在技术上不可行0.19毫米的模型在测试中以200g算）。然而，结果表明水喷射拔桩机制主要取决于流量（独立的喷嘴直径）。而喷射压力还有一个次要角色就是提供仍低于管道压力的力。量纲分析，正如戈丹等人研究的。根据模型流量使用来确定泵的流量^[3]。

在测试期间使用一种注射器泵来提供水射流，它由一个在气缸内的活塞组成，这个气缸通过软管与一个保险箱的入口相连。气缸内径50mm，行程190mm。这就提供了373立方厘米的体积，电机轴的驱动速度范围从0.001到3mm/s，对应模型维度下的流体流速从1.9mm³/s到5890mm³/s。对应于原型尺寸下的流体速度从0.3m³/h到850m³/h。

3.2整地和表征

商用高岭土用于重建土壤样本。其特点在表1中给出，高岭土是一种泥浆混合了120%水的土壤（水含量是液体限制的2倍）。在机械搅拌过程中，泥浆被倒入真空泵来去除空气，以确保完全饱和。将泥浆倒入一个保险箱，这个保险箱在15mm深的砂井里。固结过程是离心机在自重以200g的加速度在四天内完成的。它是由样品的沉降测量来监测和定期的T型杆贯入试验^[10]。三个样本重组，样本1和样本3用来测试（注意：在中该测试中样本2没有进行载荷试验以进行对照^[2]）。样本1的最终高度为200毫米，由于临时有效载荷限制离心机样本3的高度被限制在160毫米。

White等人将不排水抗剪强度由T型衍生到将使用解释方法贯入到试验发展中。文献中讲到土壤浮力和浅穿刺机制^[11]。桩靴提取测试之后不久就得到的剖面显示在图7中。可以看到，样本1和样本3的平均剪切强度梯度分别为2.0和1.2kPa/m。在样品1观察到的较高的平均剪切强度梯度由附加合并解释该实验的过程中由样品经历。

总共进行了三种负载控制的测试并在本文中提到。测试LCJ1和LCJ2是样品1，而在样品3中测试LCJ3。本文所描述的三种测试的特征在表二中有总结（安装和操作）和表三（提取）。

桩靴的安装在下位移和恒定渗透速度下进行。正常速度V=vDe/cv超过30，但DE对圆形基础的当量直径与非圆形桩靴的区域进行测试提出异议（原型为16.2米的尺寸），v表示桩靴渗透的速度，cv表示一致的应力水平和桩靴嵌入合并系数（见表1）。就像芬妮和兰多夫描述的那样^[12]，这确保了排水。该桩靴的原型深度被穿透到25.0米,19.0米和17.8米，且分别用于测试LCJ1，2 LCJ和LCJ3。这些代表埋置比Z 分别为1.54，1.17和1.10。

自升式装置在一个地方持续运营一段时间，这是一个保持桩靴上“垂直”操作负载的模拟实验。实验紧随无排水设施的安装。对于LCJ1和LCJ2垂直载荷对应于最大安装负荷的80％和LCJ3为100％.载荷在一小时内保持恒定（对应于原型条件下的4.56年）。这在一定程度实现了所有三个测试约85％的合并，表示通过桩靴反转测量孔隙压力。表2中提供的是在操作期间记录的附加竖向沉降的详细信息。

这个操作阶段完成后，桩靴提取通过制动器施加恒定拉伸载荷并结合水通过十二个喷嘴的。这是提取，离岸是一致的，桩靴提取过程中的拉伸载荷是通过顶起船体浮动吃水提供的浮力。 因此，可用拉伸载荷是有限的和预定的。就像表3中展示的那样，测试水冲序列提取不同大小的载荷和流量。

在实验过程中，会记录下面的数据：施加在桩靴上的负荷，桩靴的位移，桩靴反转时在两个位置的孔压力，注射器泵活塞的位移（因此有了喷射率），以及喷射腔内的喷射压力。

1. 实验结果

所以的结果都在原型尺寸里呈现，除非另有说明。

4.1桩靴安装

在表2中总结了最大的贯入阻力和相应的渗透深度。测试的轴承压力分别为455，464和257千帕，LCJ1，LCJ2和LCJ3相应的在现代自升式装置[13]的典型范围内。 使用最后的穿透深度推导不排水抗剪强度，计算大约10.5的承载力因素。这对应于一个深部桩靴安装的绕流机制^[14]。当眼前的土壤倒流到所述桩靴的顶部时，可以估计过渡到深度破坏机制的埋置率完成了Z/Deasymp;0.7。这是基于侯赛因等人的结论^[15]。

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