安永寧 ，閻錫臣 ，楊 鯤 ，李 晶 ，王 凱

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.天津海事局海測大隊，天津 300221；3.勝利油田海洋鉆井公司，東營 257055）

勝利埕島油田海上作業(yè)平臺插樁分析中的幾點誤區(qū)思考

安永寧1，閻錫臣2，楊 鯤1，李 晶1，王 凱3

（1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456；2.天津海事局海測大隊，天津 300221；3.勝利油田海洋鉆井公司，東營 257055）

文章通過闡述多個具體的插樁分析失誤案例，結合行業(yè)規(guī)范及土力學原理，對勝利埕島油田海上作業(yè)平臺插樁分析中的幾種常見誤區(qū)進行思考總結，分析了常見誤區(qū)的類型、產(chǎn)生原因及不利影響，并提出了應對措施，以糾正一些認識上的錯誤，提高插樁計算分析的準確度。分析認為，因對地層分類不清、巖土性質(zhì)把握不準、特殊地層認識欠缺、地層均勻性劃分不精確、結構與土的互動響應考慮不充分等，而造成插樁分析失誤的情況比比皆是，給油田的生產(chǎn)帶來了很多不必要的損失。提高勘察質(zhì)量、采用多種手段勘察、重視地層的均勻性評價、正確評價迭層土強度、插樁過淺時進行平臺抗滑移性評價等，可有效減少失誤。

插樁分析；單樁極限承載力；樁穴；迭層土；埕島油田

Biography：AN Yong-ning（1981-）,male,senior engineer.

現(xiàn)代黃河三角洲地區(qū)在晚更新世以來，沉積地層特征與海平面升降關系密切，表現(xiàn)出海陸相地層交替出現(xiàn)的地層層序。由于水下三角洲在形成階段，黃河輸送入海的泥沙量極大，水下三角洲淤長迅速，地層含水量很高，地層很不穩(wěn)定，因此，該區(qū)是世界上第四系地質(zhì)情況最為復雜的海域之一［1-2］。

勝利埕島油田海洋石油產(chǎn)區(qū)位于現(xiàn)代黃河三角洲前緣，自1993年正式開發(fā)，經(jīng)過近20 a的建設，已建成了以中心一號、中心二號、CB30A平臺為中心的海上生產(chǎn)系統(tǒng)，并以中心平臺和衛(wèi)星平臺相結合的布局方式，現(xiàn)共建成大小導管架平臺近百座［3］。

導管架平臺的鉆井作業(yè)和修井作業(yè)通常是依靠鉆井平臺（鉆井船）和作業(yè)平臺（修井船）來完成的，在勝利埕島油田海區(qū)應用較廣的是自升式作業(yè)平臺，通常在樁腿端部都安裝有大小不等的樁靴。自升式作業(yè)平臺在就位時，首先將樁腿插入泥下至良好持力層，然后再升船作業(yè)。能否正確分析評價作業(yè)平臺的插樁入泥深度，關系著作業(yè)平臺就位的適宜性和安全性。

1 海上作業(yè)平臺插樁分析方法

通常在進行作業(yè)平臺插樁分析時，采用美國石油學會發(fā)布的《Recommended practice for planning,designing and constructing fixed offshore platforms—working stress design》（API RP 2A-WSD）［4］中的推薦公式，來計算作業(yè)平臺在各深度處的單樁極限承載力。

包括擴腳樁在內(nèi)，自升式平臺單樁極限承載力Qd應按下式計算

式中：Qf為樁側摩阻力，kN；Qp樁端總承載力，kN；f為單位樁側摩阻力，kPa；As為樁側表面積，m2；q為單位樁端承載力，kPa；Ap為樁端總面積，m2。

對于不排水粘性土，沿樁長度上任一點的單位樁側摩阻力f，按下式計算

式中：a為無量綱系數(shù)；c為計算點土體的不排水抗剪強度。其中a值由下式計算

式中：p0為計算點土體的有效上覆壓力，kPa；a值的約束條件為a≤1.0。

假如樁端支承在粘性土中，單位樁端承載力q由下式計算

對于排水粒狀土，管樁的單位樁側摩阻力按下式計算

式中：K為側向土壓力系數(shù)；δ為樁土摩擦角，（°），與土的內(nèi)摩擦角相關。假如樁端支承在粒狀土中，單位樁端承載力q由下式計算

式中：p0為樁尖的有效上覆壓力，kPa；Nq為無量綱承載力系數(shù)。

當計算點深度的單樁極限承載力計算值大于作業(yè)平臺的單樁極限荷載、無軟弱下臥層、且位于作業(yè)平臺允許插樁深度范圍時，即認為該井場適宜作業(yè)平臺就位作業(yè)；當存在軟臥下臥層時，還需進行刺穿分析驗算。國內(nèi)外有很多種刺穿分析的方法，常被應用的主要有3種：（1）Hanan&Meyerhof（1980）法；（2）3：1投影面積法；（3）2：1投影面積法［5］。在國內(nèi)，3：1投影面積法具有較高的可行性和較好的驗證效果。

2 插樁分析中的幾點認識誤區(qū)

（1）將樁穴內(nèi)擾動地層等同于周圍原始地層。目前，埕島海上油田的絕大部分平臺已經(jīng)建設完畢，這些平臺在建設期經(jīng)歷了鉆井平臺（鉆井船）的插拔樁過程，后來，部分較老的平臺又經(jīng)歷了一次或多次作業(yè)平臺（修井船）的插拔樁過程，這些插拔樁活動在井口周圍遺留下了大小不一、深淺不同、數(shù)量不等的樁穴。樁穴有時單個分布，有時多個連在一起，形成范圍較大的樁穴區(qū)。樁穴內(nèi)的土體主要由坑壁土體坍塌回填及周邊海底面沉積物沖刷回填組成，屬于擾動地層，無論層位界限、物質(zhì)組分還是物理力學特征，都與樁穴外的原始地層差異甚大，在進行井場巖土工程勘察時，應作為專題進行分析討論。

宋清峰、吳建政等［6］在對埕島油田4組樁穴內(nèi)外地層的勘察資料分析后認為，除了厚層軟粘土分布區(qū)域，樁穴內(nèi)地層多由粒狀土回填組成，粒徑較大，且都經(jīng)有一段時間的排水固結，其強度一般要較周圍原始地層高。通過在埕島油田多年的實踐，驗證了這一結論，同時發(fā)現(xiàn)，樁穴內(nèi)地層強度的提高，與樁穴的形成年限有關，樁穴形成年代越早，其內(nèi)部回填土體的強度越高［7］。

樁穴內(nèi)外土體性質(zhì)迥異，是井場區(qū)地層不均勻性特征中最常見的表現(xiàn)形式，但在大部分井場巖土工程勘察中，并未加以重視，往往為了節(jié)省時間或經(jīng)濟成本，在僅取得樁穴外原始地層的巖土資料后，即進行插樁分析，其結果是，如作業(yè)平臺插樁在了樁穴上，則實際插樁深度與插樁分析中的預測深度無任何相關性，經(jīng)常相差離譜，表現(xiàn)為在樁穴內(nèi)插樁深度過淺，經(jīng)多次加載及沖樁后，也難以達到預定的插樁深度。本文初步統(tǒng)計，幾乎一半以上的井場巖土工程勘察，都犯有該類錯誤。

（2）對巖土定名不準或性質(zhì)判別有誤。中心一號平臺西北側的“井場1”，當61#平臺（樁腿直徑為2.7 m，樁靴直徑為5.7 m、面積27 m2、高1.6 m，單樁極限荷載17 920 kN）就位時，插樁分析建議的插樁深度為13.7 m，而實際插樁至8.2 m左右時，承載力已滿足要求。

實際插樁深度與預測深度相差近6 m之多，分析原因，主要是由于對巖土定名不準及性質(zhì)判別有誤所引起。在“井場1”的巖土工程勘察報告中，對巖土的定名及土工試驗標準都采用了國家的《巖土工程勘察規(guī)范》［8］及《港口巖土工程勘察規(guī)范》［9］，而《API RP 2A-WSD》規(guī)范中推薦的計算公式是基于美國材料學會的《ASTM-D2487》［10］規(guī)范，兩國規(guī)范相異，土工試驗的方法和儀器不統(tǒng)一，對巖土的定名和性質(zhì)的判斷也各有不同。比如，就細粒土液塑限的測定而言，美國ASTM規(guī)范是應用卡式碟式儀完成，而我國通常應用的是瓦氏圓錐儀或聯(lián)合測定儀，液限標準也不統(tǒng)一，根據(jù)錐沉量有17 mm液限和10 mm液限。再者，用于設計的巖土參數(shù)都是經(jīng)過統(tǒng)計得來的標準值，而國內(nèi)井場勘察由于鉆孔數(shù)量少，每層土的樣品數(shù)量很難達到6件的統(tǒng)計下限，因此，所給出的巖土參數(shù)是平均值而非標準值，變異性較大，難以較好地代表實際地層。還有，由于現(xiàn)場取樣方法落后，或樣品運輸過程中造成的擾動，也會使室內(nèi)試驗結果與真實巖性出現(xiàn)較大偏差?！熬畧?”巖土工程勘察報告中所列的各層地基土的物理力學性質(zhì)參數(shù)見表1。

“井場1”插樁分析時提供了2個建議的插樁深度，分別為9.2 m和13.7 m，對應的地層分別為表1中的第4層粉土和第7層粉土，其中第4層粉土由于層厚僅1 m，下伏軟臥層，存在較大的相對刺穿風險，因此插樁分析最終建議的深度為13.7 m。

仔細比較表1中第3層粉質(zhì)粘土和第4層粉土的各項指標，發(fā)現(xiàn)其含水量、孔隙比、界限含水率、抗剪強度等都相差不大，僅因為第3層的塑性指數(shù)IP略大于10、第4層略小于10，便機械地照搬規(guī)范，將其分別命名成了粉質(zhì)粘土和粉土，從而導致了性質(zhì)的巨大差異和插樁分析結果的較大失誤。如將第3層作為粉土考慮，與第4層合并為一層，那么不僅第一建議插樁深度將從9.2 m變淺為8.0 m，而且該層粉土的厚度將由1.0 m增大至2.2 m，相對刺穿的風險大大降低，不需繼續(xù)插樁至13.7 m，能夠直接作為樁端持力層使用，而8.0 m的預測插樁深度與8.2 m的實際插樁深度基本一致。

（3）低估硬粘土的不排水抗剪強度值。中心一號平臺西側“井場2”，當62#平臺（樁腿直徑為3.0 m，樁靴直徑為8.5 m、面積72.25 m2、高1.6 m，單樁極限荷載23 415 kN）就位時，插樁分析建議的插樁深度為14.2 m，而實際的插樁深度為10.5 m。

對“井場2”處各地層的原始記錄及巖土參數(shù)等進行復查后，發(fā)現(xiàn)10.5～14.2 m地層為棕褐色粉質(zhì)粘土，呈可塑～硬塑狀態(tài)，含氧化鐵斑，應為末次冰期河湖相沉積產(chǎn)物，原位標準貫入試驗錘擊數(shù)N=13～18擊。對于標貫擊數(shù)如此高的硬粘土，不排水抗剪強度應在50 kPa以上。而在“井場2”的巖土工程勘察報告中，對該層土不排水抗剪強度的推薦值僅為28 kPa，如此，根據(jù)本文公式（6），計算可得單位樁端承載力q=252 kPa，小于62#平臺的單位極限荷載23 415/72.25=324 kPa，不能作為樁端持力層使用。

在對該層硬粘土強度不足的錯誤認識下，插樁分析時最終推薦了14.2 m深度下的粉砂層作為樁端持力層，導致了預測失敗。遺憾的是，如將該層硬粘土的不排水抗剪強度推薦值再略增加8 kPa，達到36 kPa，則計算得的單位樁端承載力為324 kPa，即能滿足62#平臺就位荷載的需要?？梢姡怯捎趯τ舱惩敛慌潘辜魪姸戎档倪^度低估，造成了承載力的浪費及插樁分析的失誤。

（4）對迭層土在平臺預壓載時的響應過程認識不足。在埕島油田的大部分井場區(qū)，分布有一種迭層土，一般位于2～10 m深度范圍，通常認為，它是在末次冰期過后，海平面上升時的間歇性抖動，以及老黃河三角洲建設期尾閭頻繁擺動形成的粉土（粉砂）與粘性土的互層，屬于淺海相與前三角洲相地層，在聲學探測時具有亞反射層異常發(fā)育的特征，單層厚度為5～10 cm。該層由于沉積速率較快，表現(xiàn)有高含水率、高孔隙比和高壓縮性等特點，屬于工程軟弱層。目前，國內(nèi)外尚沒有合理的方法進行迭層土的強度試驗及參數(shù)取值［5］，大部分巖土工程師都將軟弱迭層土等同于軟粘土對待，取其粘性土單層的性質(zhì)指標。

在實際工作中，我們發(fā)現(xiàn)了一種現(xiàn)象：在一些含迭層土的井場區(qū)，插樁分析預測深度較為準確，迭層土表現(xiàn)為軟粘土性質(zhì)，被樁腿貫穿；在另一些含迭層土的井場區(qū)，插樁分析預測深度偏大，實際插樁深度位于迭層土所處層位深度，迭層土充當了持力層。

如中心二號平臺南側的“井場3”，迭層土分布在4.2～7.2 m深度，7.2～10.2 m為可塑狀態(tài)粉質(zhì)粘土，其下為硬塑粉質(zhì)粘土及密實粉土，當5#平臺（樁腿直徑為2.7 m，樁靴直徑為5.7 m、面積27 m2、高1.6 m，單樁極限荷載19 460 kN）實際插樁時，樁腿貫穿了整個迭層土及下伏軟粘土，最終插樁至10.5 m左右深度；中心二號平臺西側的“井場4”，迭層土分布在4.0～10.9 m深度，其下為密實粉土，當62#平臺實際插樁時，樁腿未全部貫穿迭層土，插樁至8.6 m左右深度。

分析認為，目前活動在勝利埕島油田的絕大多數(shù)作業(yè)平臺都具有樁靴，樁靴直徑小則5 m，大則接近10 m，如此大面積的樁靴在巨大的平臺荷載及加載的作用下，作用在海底地層上，其機理類似于常見的堆載預壓地基處理方法，但程度遠甚之。其特點是地基土在強大的壓荷載作用下，強度會產(chǎn)生變化。如插樁在飽和軟粘土地層中，土體因靈敏度高而發(fā)生觸變，強度喪失；如插樁在粒狀土地層上，土體中孔隙水將外排、孔隙比減小，相對密實度增大。而迭層土由飽和軟粘土與粒狀土互層組成，在受壓以后，飽和軟粘土單層將被擠壓至周邊，粒狀土單層將聚在一起，形成強度增大的厚層，起到了持力作用。這種插樁時樁靴與土體的動態(tài)響應過程，很像生活中的“餅干夾黃油三明治”受壓，黃油被擠出，餅干疊加在了一起。

根據(jù)現(xiàn)有的十多個含迭層土井場插樁情況的統(tǒng)計，如迭層土直接下伏持力層，插樁深度會變淺，實際插樁深度距持力層頂層的距離約為迭層土厚度的1/6～1/3倍，具體取決于迭層土的互層厚度比、迭層土中粒狀土的顆粒級配、天然密度等，以現(xiàn)有的巖土工程勘察及實驗手段，尚難以進行模擬和預測，只能憑經(jīng)驗判斷。

（5）插樁過淺時對平臺的致滑移因素考慮不周。中心二號平臺東側的“井場5”，水深為14 m左右，表層2.0 m以上深度為密實粉土，下伏粘性土，強度較高，不會導致刺穿。在計算了62#平臺的水平破壞荷載，并與環(huán)境荷載進行比較，確認環(huán)境荷載小于水平破壞荷載后，平臺開始插樁就位并作業(yè)，三樁腿插樁深度在1.0～1.5 m范圍。當作業(yè)至一半過程時，一樁腿出現(xiàn)了側滑移現(xiàn)象，所幸發(fā)現(xiàn)和處理及時，未致產(chǎn)生事故。

根據(jù)文獻［4］，當平臺插樁深度小于樁靴最小邊長時，應按淺基礎計算平臺的最大豎向荷載Q，并做抗滑穩(wěn)定性驗算。對于方形基礎，排水粒狀土的水平破壞荷載H應按下式計算

式中：γ′為土體有效重度，取為9.0 kN/m3；B為基礎寬度，取為8.5 m；φ為土體摩爾包絡線的有效摩擦角，取為29°；Nr為φ的無因次經(jīng)驗函數(shù)，取為19.3。經(jīng)計算，“井場5”表層土相對于62#平臺的水平破壞荷載H為246 kPa，考慮到循環(huán)荷載的影響，取滑動破壞安全系數(shù)為1.5，則H=246/1.5=164（kPa）。62#平臺在近似水深條件下作業(yè)時，其風、浪、流荷載組合最大約為43 kPa，占H的1/4多一點。

從上述結果來看，環(huán)境荷載及平臺循環(huán)荷載的共同作用不足以引起平臺的滑移破壞。但是，62#平臺樁靴高為1.6 m，插樁深度不足1.5 m，樁靴還有一截露于泥面以上，與海底面存在接觸作用面。經(jīng)此作用面，一方面水平荷載對表層土產(chǎn)生了較大的推覆力矩，另一方面外界荷載對表層粒狀土的液化擾動作用大大加強，前者可通過分別計算風、浪、流荷載力矩來量化，后者難以具體量化?？梢?，平臺的水平滑移是環(huán)境荷載、推覆力矩、液化擾動等多種因素共同作用的結果，單憑環(huán)境荷載和水平破壞荷載兩相比較，難以得出可靠結論。

3 總結及應對

埕島海上油田區(qū)域，由于復雜的沉積因素和頻繁的人工擾動等原因，造成了井場地層在結構上和強度上的不均勻性。目前，在預測該地區(qū)作業(yè)平臺的插樁深度方面，存在有一些認識誤區(qū)，主要包括：對樁穴內(nèi)異常地層的忽視、對巖土性質(zhì)判斷的失誤、對硬粘土強度的低估、對迭層土性質(zhì)的不了解、對平臺的抗滑移性評價不充分等方面。

本文認為，要克服以上認識誤區(qū)，提高插樁分析預測的準確度，需做好以下幾點應對措施：（1）結合淺地層剖面探測等地球物理手段，在樁穴內(nèi)、外分別鉆孔，取得整個井場區(qū)的地層結構及物理力學特征參數(shù)。（2）引用《API RP 2A-WSD》時要徹底，巖土定名應以《ASTM-D2487》規(guī)范相配套。（3）提高原狀土樣的質(zhì)量及代表性，使室內(nèi)試驗結果盡可能反映實際。（4）增加對硬粘土層的測試手段，普及應用十字板剪切試驗、無側限抗壓強度試驗等項目。（5）歸納總結迭層土的持力性質(zhì)，建立含迭層土地層的插樁預測深度修正經(jīng)驗公式或模型。（6）當插樁過淺時，應將平臺的抗滑移性評價作為必要內(nèi)容，須同時考慮水平荷載、力矩、液化擾動導致的強度折減等多種因素，必要時可建立有限元模型輔助分析。

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Some misconceptions in pile insertion analysis of offshore platforms in Shengli Chengdao Oilfield

AN Yong-ning1,YAN Xi-chen2,YANG Kun1,LI Jing1,WANG Kai3
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Tianjin300456,China;2.Hydrographic Survey Brigade,Tianjin Maritime Safety Administration,Tianjin300221,China;3.Marine Drilling Company of Shengli Oilfield,Dongying257055,China）

According to some actual cases of pile insertion analysis,combined with specialty norms and principles of soil mechanics,a few common misconceptions in pile insertion analysis of offshore platforms in Shengli Chengdao Oilfield were summarized in this paper.Types of common misconceptions,causes and adverse effects were analyzed,and countermeasures were put forward to correct misunderstandings and to improve the accuracy of pile insertion calculation and analysis.Cases of analysis errors can be easily found out because of unclear stratigraphic classification,difficultly recognized geotechnical properties,inaccurately divided layer uniformity,inadequately considered structure and soil interaction responses,etc.in offshore platforms pile insertion analysis,thus many unnecessary losses appear in oilfield production.By improving survey quality,using a variety of means of investigation,paying more attention to stratigraphic uniformity in well field,properly evaluating strength of laminated soil,doing anti-slip platform evaluation when pile is inserted too shallow,etc.can reduce errors effectively.

pile insertion analysis;pile ultimate bearing capacity;pile hole;laminated soil;Chengdao Oilfield

TE 54；P 752

A

1005-8443（2013）06-0537-05

2013-02-21；

2013-04-12

安永寧（1981-），男，甘肅省會寧人，高級工程師，主要從事海洋工程勘察方面的工作及研究。

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