，，，

(1.中國石油大學(華東) 石油工程學院，山東 青島 266580；2. 中石油渤海鉆探工程有限公司， 天津 300000)

1 研究背景

隨著海洋油氣資源開發(fā)力度的不斷加大，設(shè)計和建造石油平臺樁基已成為海洋工程中一個重大科技挑戰(zhàn)[1-4]。

在海上沉樁施工遠比地面沉樁施工復雜，經(jīng)常會由天氣條件、船只調(diào)度、更換打樁錘等原因，造成樁不能連續(xù)貫入到設(shè)計深度，施工過程中出現(xiàn)停錘現(xiàn)象[5]。停錘少則幾個小時多則幾天甚至幾周，使連續(xù)打樁時樁周一定范圍內(nèi)土體強度恢復，后繼沉樁施工困難，甚至出現(xiàn)拒錘現(xiàn)象[6-8]。若出現(xiàn)拒錘，且樁貫入度又沒有達到設(shè)計深度時，與陸地樁基工程不同，在海上難以進行樁基承載力靜壓試驗[9-13]。為保證海洋工程安全，需要采取輔助動力沉樁方法，使樁達到標準貫入深度。高壓水射流技術(shù)目前已廣泛應(yīng)用于切割、清洗、鉆井、破碎、研磨等作業(yè)[14-15]。隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展，水射流技術(shù)在海洋石油工業(yè)中也展現(xiàn)出了廣泛應(yīng)用前景。

本文提出的高壓水射流輔助沉樁技術(shù)是一種專門針對上述問題輔助動力沉樁，使樁達到標準貫入深度的沉樁方法。而試驗是開展相應(yīng)研究的必要手段?；谠O(shè)計的海洋平臺射流輔助沉樁模型試驗裝置，開展6種形狀噴嘴產(chǎn)生的射流對土塞表面作用力的模型試驗研究，并借助數(shù)值模擬對模型試驗結(jié)果進行驗證，探尋高壓水射流輔助沉樁技術(shù)的可行性，同時為海洋平臺射流輔助沉樁原理樣機的試制提供重要理論和試驗依據(jù)。

2 射流輔助沉樁原理

海洋樁基平臺射流輔助動力沉樁是一個涉及動力學、結(jié)構(gòu)力學、土力學等多學科領(lǐng)域的綜合、復雜、系統(tǒng)的研究課題。其原理是采用高壓水射流將樁端土層擾動，破除“土塞”、降低地層強度，利用錘擊等技術(shù)手段使樁快速下沉，直至設(shè)計深度，同時將沖動后的樁前土由回流帶出地面而成孔，停水后，土壤再度沉降，固結(jié)在樁周圍，使樁牢固埋在土中的施工方法。沖孔和沉樁同時進行，邊沖孔邊沉樁，因高壓水的噴射力很強，各種土體都能很快松動。除較大的粗砂、礫石留在孔底外，一般土壤顆粒都能被回水沖出地面。

3 模型試驗

海洋平臺射流輔助沉樁模型試驗裝置如圖1所示，主要包括試驗箱、導向架、模擬樁、樁頭保護器等。

3.1 土體強度分析

停錘階段，連續(xù)打樁產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力消散，土體強度逐漸恢復[16-22]。根據(jù)有效應(yīng)力原理，打樁施工前土中原有應(yīng)力為

σ=σ′+u0。

(1)

式中：σ為總應(yīng)力；σ′為有效應(yīng)力；u0為初始孔隙水壓力。令土體內(nèi)摩擦角為φ，此時土體強度τf為

τf=σ′tanφ=(σ-u0)tanφ。

(2)

打樁施工過程中土中應(yīng)力為

σ=σ′+u0+u。

(3)

式中u為超靜孔隙水壓力。則土體強度τf為

τf=σ′tanφ=(σ-u0-u)tanφ。

(4)

由式(4)知超靜孔隙水壓力的出現(xiàn)，土體強度有所降低。打樁間歇后，土中的超靜孔隙水壓力部分轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力，即

σ=σ′-u0+ξu。

(5)

此時土體強度為

τf=σ′tanφ=(σ-u0+ξu)tanφ。

(6)

式中ξ為超靜孔隙水壓力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力的比例，一般取值為0.5～1.0。由式(6)知超靜孔隙水壓力的消散使土體強度提高，故后繼沉樁施工困難，甚至出現(xiàn)拒錘現(xiàn)象。所以試驗關(guān)鍵是停錘周期后地層的模擬。

3.2 土層模擬

試驗槽的三壁都布置好土工織布，而觀察窗內(nèi)側(cè)自上而下懸掛塑料薄膜以模擬邊界在垂直方向不受約束。模擬土倒入槽內(nèi)后，搗實均勻，不讓土中留有明顯的空洞。當土加到既定高度后，再鋪上一層土工織布，并在上面壓一些砝碼和磚塊。這樣，讓模擬土在雙向排水路徑下固結(jié)61 d，直至表面平整，透過玻璃看不見界面處有明顯孔洞。固結(jié)工作結(jié)束后，先關(guān)閉槽底排水閥，然后在試驗槽中注入一定量的水，使土體達到飽和，并靜置12 d，使已被壓縮為超固結(jié)狀態(tài)的試驗土回彈至一種穩(wěn)定狀態(tài)[23]，此后即可進行各項試驗測試。

3.3 試驗測試及分析

試驗箱內(nèi)填土1.3 m，水深0.1 m。采用開口圓形管樁，試驗時模型樁的總長為1.1 m，樁體為圓形，直徑0.3 m，打入深度1 m，每0.25 m停頓1次，再利用水射流對樁內(nèi)土塞進行破壞。試驗采用橢圓進口噴嘴(代號1)、圓弧噴嘴(代號2)、雙圓弧噴嘴(代號3)、錐形噴嘴(代號4)、流線型噴嘴(代號5)和等變速噴嘴(代號6)6種噴嘴，選取噴嘴直徑0.01 m，注入水壓30 MPa，噴距0.2 m，對比不同噴嘴產(chǎn)生的射流對土塞表面的作用力。土塞表面中心作用力的試驗結(jié)果如表1所示。

表1 射流在土塞表面中心作用力

試驗結(jié)果顯示，相同注入水壓條件下，在噴嘴最下方的土塞面層存在最大壓力，由中心向兩側(cè)呈現(xiàn)線性遞減。射流作用到土塞表面后發(fā)生偏轉(zhuǎn)，沿土表向兩側(cè)流動，最終沿兩側(cè)壁上返。6種噴嘴的擴散角度都較小，有利于射流能量的集中。對比6種噴嘴的射流等速核，等變速型噴嘴等速核寬度、長度為最大，其有限噴距最長，作用在土塞表面中心處的壓力也最大。因此，采用等變速噴嘴產(chǎn)生的射流輔助動力沉樁，樁基建設(shè)效率提高較大。

4 數(shù)值模擬

4.1 數(shù)學模型

流體流動受物理守恒定律支配，孔底流體滿足質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程[9]。

(1) 質(zhì)量守恒方程：

式中：ρ為密度；t為時間；V為速度矢量。

(2) 動量守恒方程：

式中：vx,vy,vz是V在x，y,z方向上的分量；μ為動力黏度；p為壓力；Svx，Svy,Svz為動量守恒方程的廣義源項。

(3) 能量守恒方程：

式中：T為溫度；cp為比熱容；k為傳熱系數(shù)；ST為黏性耗散項。

4.2 數(shù)值模擬分析

根據(jù)前面6種噴嘴產(chǎn)生不同形式射流的模型試驗結(jié)果，研究射流壓力作用下土塞內(nèi)部的應(yīng)力變化。以模型試驗中開口鋼管樁的直徑，取寬0.3 m，深0.5 m的土體作為研究對象，根據(jù)6種噴嘴產(chǎn)生的不同射流對土塞表面中心的作用力，在土體上表面施加一個非均布荷載，土體兩側(cè)施加垂直于軸線方向的約束，在底面施加固定約束，劃分網(wǎng)格后計算,以等變變速噴嘴為例，數(shù)值模擬試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 土塞內(nèi)部應(yīng)力變化模擬結(jié)果

對比土體內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)計算結(jié)果得出：由于射流軸線上速度最高，位于射流軸線上的土體內(nèi)出現(xiàn)1個高應(yīng)力的應(yīng)力核，應(yīng)力核呈近同心圓形擴散，應(yīng)力逐漸減小；在應(yīng)力核兩側(cè)靠近壁面的位置出現(xiàn)2個低應(yīng)力區(qū)，這是由于兩側(cè)受射流壓力較??；隨深度增加土體內(nèi)應(yīng)力減小。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果繪制出6種噴嘴產(chǎn)生射流作用在土體上，土體內(nèi)最大應(yīng)力和最小應(yīng)力變化曲線，如圖3所示。

圖3 不同噴嘴射流作用下土體內(nèi)最大應(yīng)力和最小應(yīng)力

對比6種噴嘴射流作用下土塞內(nèi)的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力，應(yīng)力的變化趨勢基本相同，其中錐形噴嘴的應(yīng)力最小，等變速噴嘴的應(yīng)力最大，與模型試驗結(jié)果基本吻合，為海洋平臺射流輔助沉樁原理樣機采用等變速噴嘴試制提供了重要依據(jù)。

5 結(jié) 論

(1) 針對海洋石油平臺樁基建設(shè)中停錘問題，提出高壓水射流輔助沉樁技術(shù)設(shè)想，并根據(jù)有效應(yīng)力原理分析了停錘過程中土體強度的變化。

(2) 設(shè)計海洋平臺射流輔助沉樁模型試驗裝置，該裝置測試出了6種噴嘴產(chǎn)生的不同形式射流對土塞中心表面作用力。

(3) 對比6種噴嘴的射流等速核，結(jié)果表明等變速型噴嘴等速核寬度、長度為最大，其有限噴距最長。

(4) 結(jié)合數(shù)值模擬對土體內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)進行試驗，對比6種噴嘴射流作用下土塞內(nèi)的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力，驗證了模型試驗結(jié)果。

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