劉雙雙，周楊銳，鄭喜耀，蔣寶凡，周松望

(中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300451)

自升式鉆井船按基礎(chǔ)形態(tài)不同可以大致分為樁腿式鉆井船和樁靴式鉆井船［1-2］，這里所述海洋石油941號(hào)鉆井船屬于樁靴式鉆井船(圖1)。

圖1 海洋石油941號(hào)鉆井船樁靴示意Fig.1 Sketch of jack-up rig HYSY-941 footing

近年來(lái)，海洋石油941號(hào)鉆井船在南海半深水區(qū)域內(nèi)作業(yè)比重逐年上升。在文中所引用的幾個(gè)井場(chǎng)中，對(duì)于海底土質(zhì)特性為粒狀土層下臥一層軟弱土層(粘性土或者互層/疊層土)的情況，在預(yù)測(cè)海洋石油941號(hào)這樣的大樁靴鉆井船插樁深度時(shí)，利用傳統(tǒng)的刺穿破壞模型分析計(jì)算，遇到了預(yù)測(cè)深度不準(zhǔn)確的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)海底地層土質(zhì)與工程特性的分析，發(fā)現(xiàn)插樁深度與表層粒狀土下覆的粘土層的工程性質(zhì)有很大關(guān)系，同時(shí)也與所就位鉆井船自身的樁靴特性有一定的關(guān)系。

1 刺穿破壞模型與擠壓破壞模型

1.1 刺穿破壞模型

較硬的粒狀土下臥一層較軟的粘性土的層狀地基，在鉆井船壓載過(guò)程中樁腳承載力超過(guò)硬土層的極限承載力時(shí)，樁腳就會(huì)穿過(guò)硬土層，由于軟土層承載力較小，故造成樁腳迅速下沉，形成刺穿。

對(duì)于上硬下軟土層的刺穿分析(圖2)，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的方法很多，比較普遍應(yīng)用的有Hanna和Meyerhof法以及Young和Focht投影面積法(3∶1方法)［3-4］。刺穿破壞計(jì)算方法前人已做過(guò)很多研究［5］，其中Young和Focht的3∶1投影分析法是筆者在工作實(shí)踐中應(yīng)用較多的方法?；A(chǔ)的極限承載力Q的理論計(jì)算公式:

式中:qn為樁腳的單位面積極限承載力，A為基礎(chǔ)面積，γ1為由樁腳排出土的平均有效重度，V為樁靴的體積。在3∶1刺穿分析時(shí)，Young和Focht提出qn=6Su(1+0.2D'/B')A'p/Ap≤qn(硬層)，則式(1)演變?yōu)?

式中:Su為樁靴下B/2深度以?xún)?nèi)平均不排水抗剪強(qiáng)度，Ap為實(shí)際基礎(chǔ)面積，B為實(shí)際基礎(chǔ)直徑，D為實(shí)際基礎(chǔ)深度，qn(硬層)為假設(shè)硬土層無(wú)限厚時(shí)的承載力。A'p、B'、D'均為3∶1投影面積法中的等效值，其含義分別為等效基礎(chǔ)面積、等效基礎(chǔ)直徑和等效基礎(chǔ)深度，其表達(dá)式分別為 A'p=Ap［1+2H/3B］2，B'=B+［2/3］H，D'=D+H，H為實(shí)際基礎(chǔ)面之下硬土層的厚度。

1.2 擠壓破壞模型

上述層狀土，鉆井船壓載過(guò)程中，硬土層不發(fā)生沖剪破壞，而是在樁靴的作用下隨樁靴逐漸將下臥軟土層擠壓掉，從而與軟弱土層下臥硬土層疊加在一起。

根據(jù)“SNAME”推薦的方法“Recommended Practice for Site Specific Assessment of Mobile Jack-Up Units”一節(jié)［6］，當(dāng)B≥3.45 T(1+1.1D/B)時(shí)，對(duì)于完全回填土情況(圖3)，擠壓分析中承載力Q采用Meyerhof推薦的經(jīng)驗(yàn)公式:

式中:B代表等效基礎(chǔ)直徑，T代表軟粘土層的厚度，D代表樁腳尖入泥深度(最寬截面)，A代表等效基礎(chǔ)面積，a、b為排擠經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，Meyerhof方法中推薦取值分別為5和0.33，Su代表被擠壓粘土層的不排水抗剪強(qiáng)度，V代表樁靴的體積，γ'代表土的平均有效重度。

在擠壓分析中，如圖3所示，當(dāng)基礎(chǔ)向下移動(dòng)時(shí)，隨著樁腳入泥深度D由D1逐漸增加到D2，上覆粒狀土隨著基礎(chǔ)的逐漸下移，擠壓下層軟粘土，從而使軟粘土的厚度T由初始值T1逐漸減小到T2，最終軟粘土完全被擠壓出基礎(chǔ)的下移通道，上下兩層粒狀土拼合在一起。其中，D和T各自的變化值相當(dāng)，即D2-D1=T1-T2。

利用上式計(jì)算出的承載力應(yīng)不小于在單一軟粘土層中計(jì)算出的承載力，不大于在軟粘土層上部或下部的硬層中計(jì)算出的承載力。

圖2 刺穿破壞模型示意(完全回填土)Fig.2 Sketch of punch-through model(full backflow of soil)

圖3 擠壓破壞模型示意(完全回填土)Fig.3 Sketch of squeezing model(full backflow of soil)

通過(guò)對(duì)刺穿和擠壓兩種破壞模型內(nèi)生機(jī)理的分析與對(duì)比，認(rèn)為兩者的區(qū)別在于前者是軟弱層上覆硬土層發(fā)生沖剪破壞而導(dǎo)致的破壞形式，后者則是軟弱層在樁靴和上覆硬土層共同作用下發(fā)生的破壞形式，兩者發(fā)生破壞的介質(zhì)有本質(zhì)區(qū)別。

2 鉆井船插樁實(shí)例

以下列舉南海兩個(gè)井場(chǎng)中A和B鉆孔位置的海底土質(zhì)情況及設(shè)計(jì)參數(shù)，并分別用刺穿破壞模型和擠壓破壞模型對(duì)海洋石油941號(hào)鉆井船插樁深度進(jìn)行分析并對(duì)比。

2.1 A孔位

表1為A孔位工程地質(zhì)調(diào)查成果參數(shù)表。第二、三層為軟到稍硬的粘性土和迭層/互層土，相對(duì)上覆地層來(lái)講為軟弱層，是影響鉆井船最終插樁深度的重點(diǎn)分析層位，以下稱(chēng)之為“關(guān)鍵層位”。

表1 A孔土質(zhì)分層及土質(zhì)參數(shù)(部分)Tab.1 Soil stratigraphy and design parameters for boring A(portion)

如果第一層硬土層發(fā)生刺穿破壞，則鉆井船樁腳尖將穿過(guò)硬土層進(jìn)入第二、三兩個(gè)層位，由于第二、三層強(qiáng)度較弱，只有鉆井船樁腳最后“坐”在第四層砂性土上，鉆井船船體才能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

通過(guò)計(jì)算分析，海洋石油941號(hào)鉆井船樁腳最終入泥深度為12.0 m(圖4(a))。

如果以上兩土層發(fā)生擠壓破壞，在分析中可以認(rèn)為第二層以及第三層中的粘性土層部分在鉆井船插樁過(guò)程中被慢慢擠壓掉，導(dǎo)致鉆井船樁腳跟隨第一層粒狀土疊加在第三、四層中的粒狀土上，從而使得鉆井船獲得足夠的承載力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

通過(guò)計(jì)算分析，海洋石油941號(hào)鉆井船樁腳最終入泥深度為4.6 m(圖4(b))。

2.2 B孔位

表2為B孔土質(zhì)分層及參數(shù)表，同上，第四層與上下層土質(zhì)相比為軟弱層，將它作為關(guān)鍵層位進(jìn)行分析。

如果其上覆硬土層發(fā)生刺穿破壞，則鉆井船樁腳尖將穿過(guò)硬土層進(jìn)入第四層，由于第四層強(qiáng)度較弱，只有鉆井船樁腳最后“坐”在第五層砂性土上，鉆井船船體才能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

通過(guò)計(jì)算分析，海洋石油941號(hào)鉆井船樁腳最終入泥深度為12.9 m(如圖5(a))。

如果發(fā)生擠壓破壞，則鉆井船樁腳“坐”在第三層后跟隨第三層一起將下覆軟弱層慢慢排開(kāi)，使得第三層與第五層疊加在一起，從而使得鉆井船獲得足夠的承載力得以穩(wěn)定。

通過(guò)計(jì)算分析，海洋石油941號(hào)鉆井船樁腳最終入泥深度為7.4 m(如圖5(b))。

表2 B孔土質(zhì)分層及土質(zhì)參數(shù)(部分)Tab.2 Soil stratigraphy and design parameters for boring B(portion)

圖4 A孔位承載力分析曲線(xiàn)Fig.4 Ultimate leg load versus footing tip penetration curve for boring A

圖5 B孔位承載力分析曲線(xiàn)Fig.5 Ultimate leg load versus footing tip penetration curve for boring B

2.3 預(yù)測(cè)與實(shí)際插樁深度對(duì)比

通過(guò)以上分析計(jì)算，對(duì)兩個(gè)井場(chǎng)中的軟弱層利用兩種不同的破壞形式計(jì)算出來(lái)的鉆井船樁腳尖入泥深度結(jié)果相差很多。鉆井船實(shí)際的插樁深度分別為3.6～3.9 m和8.5 m，實(shí)際插樁結(jié)果均與擠壓破壞條件下的計(jì)算結(jié)果相近(表3)。

這表明，在特定的條件下，采用擠壓破壞模型預(yù)測(cè)海洋石油941號(hào)鉆井船的插樁深度相對(duì)來(lái)說(shuō)是很準(zhǔn)確的，采用該模型進(jìn)行分析也是十分必要的。

表3 實(shí)際插樁深度與計(jì)算插樁深度對(duì)比Tab.3 Calculated and measured values of penetration depth

3 擠壓破壞模型的適用范圍

綜合鉆井船插樁實(shí)踐，再通過(guò)分析擠壓破壞模型和刺穿破壞模型的內(nèi)生原理與差異，認(rèn)為擠壓破壞模型的應(yīng)用應(yīng)滿(mǎn)足以下幾個(gè)條件:

3.1 鉆井船自身樁靴及壓載條件

表4 幾種樁腳式鉆井船樁靴尺寸Tab.4 Footing sizes of several spud-can supported jack-up rigs

1)大樁靴鉆井船

擠壓破壞模型一般適用于大樁靴鉆井船，即樁靴體積和有效面積均相對(duì)來(lái)說(shuō)比較大的鉆井船，這樣的鉆井船樁靴能夠覆蓋較大的海底面積，從而使海底軟弱層傾向于發(fā)生擠壓破壞。海洋石油941號(hào)鉆井船屬于大樁靴鉆井船，樁靴最寬部分的面積為254 m2，有效直徑為18.0 m(圖1)。如表4所示，與其他鉆井船相比，其樁靴體積和有效面積均較大。

2)鉆井船的壓載方式

鉆井船的壓載方式也決定其就位孔位土層的破壞形式，如果就位過(guò)程中采用緩慢多級(jí)壓載，土層破壞接近于擠壓破壞模型，如果壓載過(guò)快，土層破壞接近于刺穿破壞模型。

3.2 土質(zhì)特性

1)兩層相對(duì)較強(qiáng)的(這里所述為粒狀土)土層之間夾一層軟弱的粘土層或迭層/互層土。

使用兩種破壞模型分析的關(guān)鍵層位即兩強(qiáng)夾一弱土層分布，對(duì)于這種土層，鉆井船在插樁過(guò)程中，可能發(fā)生刺穿破壞，也可能發(fā)生擠壓破壞，擠壓破壞只是其中的一種破壞形式。

2)軟弱土層的強(qiáng)度和厚度

工程實(shí)踐證明，軟弱土層一般為非常軟到稍硬的粘性土或迭層/互層土，強(qiáng)度一般小于45 kPa，其厚度一般小于或等于上下硬土層厚度或小于等于10%樁徑。

以上為選用擠壓破壞模型分析關(guān)鍵層位的必備條件，缺一不可。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，擠壓破壞模型的引用，顯著提高了大樁靴鉆井船插樁深度預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

但是，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于某些井場(chǎng)也不能單純地只應(yīng)用擠壓破壞模型進(jìn)行分析計(jì)算，要結(jié)合井場(chǎng)的土質(zhì)條件和工程特性運(yùn)用多種方法進(jìn)行綜合判斷分析，這樣有助于提高預(yù)測(cè)鉆井船插樁深度的準(zhǔn)確性，從而為鉆井船就位作業(yè)提供更精確的指導(dǎo)建議。

志謝:感謝本單位周楊銳總工和鄭喜耀高工在論文撰寫(xiě)過(guò)程中的支持和幫助。

［1］ 汪張?zhí)?，趙建亭.自升式鉆井平臺(tái)在我國(guó)海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用和發(fā)展［J］.船舶，2008，1:15.

［2］ 鄭喜耀.自升式鉆井平臺(tái)插樁深度計(jì)算及幾個(gè)問(wèn)題的探討［J］.中國(guó)海上油氣:工程，2000，12(2):18-20.

［3］ Young A G，F(xiàn)ocht J A.Subsurface hazards affect mobile jack-up rig operations，soundings［J］.McClelland Engineers Inc，Houston，1981，3(2):4-9.

［4］ Hanna A M，Meyerhof G G.Design chart for ultimate bearing capacity of foundation on sand overlying soft clay［J］.Canadian Geotechnical Journal，1980，17(2):300-303.

［5］ 吳秋云，周楊銳，馮秀麗，等.自升式鉆井船基礎(chǔ)刺穿分析方法在渤海石油開(kāi)發(fā)區(qū)的應(yīng)用［J］.海岸工程，1999，18(4):16-17.

［6］ SNAME，Recommended Practice for Site Specific Assessment of Mobile Jack-Up Units［S］.2002:61-70.