林一，胡安康,，蔣瑋,，王藝陶

(1. 中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 201206； 2. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

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層狀地基中自升式鉆井平臺(tái)插樁穿刺風(fēng)險(xiǎn)分析

林一1，胡安康1,2，蔣瑋1,2，王藝陶2

(1. 中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 201206； 2. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：自升式鉆井平臺(tái)進(jìn)行海上插樁作業(yè)，遭遇上硬下軟的層狀地基時(shí)極易發(fā)生穿刺海損事故，從而造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞和人員傷亡。這種層狀地基存在2種典型情況——硬粘土/軟粘土層、砂土/粘土層。本文考慮土層參數(shù)的影響，基于非線性數(shù)值方法對(duì)其地基承載力的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。以某400英尺工作水深的自升式鉆井平臺(tái)為例，采用Monte-Carlo法，考慮預(yù)壓載荷和土層參數(shù)的概率分布，對(duì)其在墨西哥灣某海域進(jìn)行預(yù)壓載作業(yè)時(shí)發(fā)生穿刺海損的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明其風(fēng)險(xiǎn)值小于10%，為此類平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)管理提供參考。

關(guān)鍵詞：自升式平臺(tái)；插樁穿刺；層狀地基；風(fēng)險(xiǎn)分析

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160422.1012.002.html

自升式鉆井平臺(tái)承擔(dān)著海洋油氣開發(fā)的重要任務(wù)，在各類海上可移動(dòng)式鉆井平臺(tái)中占據(jù)主導(dǎo)地位。自升式鉆井平臺(tái)在海上就位進(jìn)行作業(yè)時(shí)，首先需要通過(guò)加載使樁腿插入海底地基。當(dāng)樁腿施加的壓載超過(guò)地基承載能力時(shí)，地基土發(fā)生沖剪破壞，樁腿得以繼續(xù)貫入直至地基承載能力等于壓載載荷，從而獲得平臺(tái)海上作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定支撐，這一過(guò)程也稱為平臺(tái)的“預(yù)壓插樁”。

樁靴是自升式鉆井平臺(tái)進(jìn)行預(yù)壓作業(yè)的主要受力結(jié)構(gòu)，目前主要有2種形式[1]，底墊支撐式和獨(dú)立支撐式。獨(dú)立支撐式樁靴具有各樁腿相互獨(dú)立的特點(diǎn)，可以作業(yè)于略微傾斜或不平的海底，適用于更為廣泛的海底地質(zhì)條件，目前應(yīng)用于大部分新建自升式鉆井平臺(tái)上。

自升式鉆井平臺(tái)作業(yè)區(qū)域往往地質(zhì)條件較為復(fù)雜，海底地基也常常呈現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)。獨(dú)立支撐式樁靴具有面積小、壓載大的特點(diǎn)[2]，當(dāng)進(jìn)行預(yù)壓插樁作業(yè)時(shí)樁靴遭遇上硬下軟的層狀地基，很可能發(fā)生穿透上覆硬土層進(jìn)入下臥軟土層的情況，形成“穿刺”現(xiàn)象，輕者導(dǎo)致平臺(tái)急速傾斜、人員傷亡、設(shè)備受損，重者甚至?xí)鹌脚_(tái)的整體傾覆。HSE(健康、安全、環(huán)境國(guó)際會(huì)議)通過(guò)對(duì)自升式鉆井平臺(tái)歷年與基礎(chǔ)相關(guān)的事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)[3]，穿刺破壞所占比重最高，約占事故總數(shù)的53%，且正以每年1～2起的速度增加，每次事故造成的經(jīng)濟(jì)損失約為100萬(wàn)～1000萬(wàn)美金：2009年10月，在西非象牙海岸“Sapphire Driller”進(jìn)行升船壓樁時(shí)艏部樁腿發(fā)生穿刺，多處節(jié)點(diǎn)發(fā)生沖剪破壞，平臺(tái)傾斜7.8°；2009年5月，“HYSY941”在中國(guó)南海海域進(jìn)行探井作業(yè)時(shí)，艏部樁腿發(fā)生穿刺導(dǎo)致船艏傾斜6.2°，4根斜撐、2根內(nèi)水平撐發(fā)生變形。由于海洋平臺(tái)穿刺事故的頻繁發(fā)生，目前對(duì)于穿刺破壞的原因和發(fā)生機(jī)理的研究已逐漸成為一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。

對(duì)穿刺破壞現(xiàn)象進(jìn)行研究，根本在于準(zhǔn)確預(yù)報(bào)插樁過(guò)程中樁靴與海底地基的相互作用。目前對(duì)于圓形基礎(chǔ)在復(fù)雜地基條件下的承載力研究方法主要有2種：以試驗(yàn)為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)分析法[4]和有限元數(shù)值分析法[5]。傳統(tǒng)分析法中具有代表性的研究成果是1969年Brown&Meyerhof[6]根據(jù)圓形樁靴模型試驗(yàn)歸納出的著名的Brown和Meyerhof公式；Skempton在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了深度系數(shù)修正[7]，目前被廣泛應(yīng)用于樁靴貫入深度和穿刺可能性評(píng)估。近十幾年來(lái)，有限元數(shù)值分析法得到了飛速發(fā)展：L.Kellezi、G.Kudsk[8-10]等采用有限元技術(shù)分析了自升式平臺(tái)在北海風(fēng)暴自存工況時(shí)樁靴與巖土之間的相互作用；中國(guó)石油大學(xué)的戴兵[11]基于數(shù)值方法對(duì)自升式平臺(tái)樁靴在層狀土中的承載能力進(jìn)行了研究。

本文首先研究了非線性數(shù)值方法中的關(guān)鍵技術(shù)，然后就土層參數(shù)對(duì)容易發(fā)生穿刺事故的典型地質(zhì)情況—硬粘土/軟粘土層、砂土/軟粘土層的影響進(jìn)行了討論。在此基礎(chǔ)上，以某400英尺工作水深的自升式鉆井平臺(tái)為例，采用Monte-Carlo法，考慮預(yù)壓載荷和土層參數(shù)的概率分布，對(duì)其在墨西哥灣某海域進(jìn)行預(yù)壓載作業(yè)時(shí)發(fā)生穿刺海損的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，給出了解決此類工程問(wèn)題的數(shù)值解決方案。

1數(shù)值仿真關(guān)鍵技術(shù)

1.1基本方程

平臺(tái)預(yù)壓插樁過(guò)程中，土體在承受插樁載荷時(shí)會(huì)發(fā)生擠壓和剪切破壞，產(chǎn)生非線性變形，通常采用塑性增量理論來(lái)描述，即將載荷離散成若干增量段，針對(duì)每一級(jí)載荷增量將彈塑性方程線性化。

假設(shè)土體體積為V，作用在土體上的表面載荷為Ti，體積力為Fi，當(dāng)載荷有一增量后，土體的應(yīng)變?chǔ)纽?，?yīng)力ση，位移uj及其增量需要滿足力學(xué)平衡定律、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、幾何關(guān)系和邊界約束。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ΔFi為表面載荷增量，Δση為應(yīng)力增量，Δεη為應(yīng)變?cè)隽浚j為位移增量，ΔTi為體積力增量。

1.2材料模型

土體受載的應(yīng)力途徑、時(shí)間歷程和固結(jié)壓力等均對(duì)其變形有較大的影響，因此選擇合適的土體材料模型對(duì)計(jì)算其承載力至關(guān)重要。本文選用在海洋工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的Mohr-Coulomb(簡(jiǎn)稱M-C)模型，該模型的破壞面與中面主應(yīng)力無(wú)關(guān)，能反映巖土材料抗壓強(qiáng)度不同的特性對(duì)正應(yīng)力的敏感性。

M-C模型認(rèn)為當(dāng)土體內(nèi)任一平面上的剪應(yīng)力達(dá)到或超過(guò)土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，將發(fā)生剪切破壞。其屈服準(zhǔn)則(見式5)包括粘聚力的各向同性的硬化和軟化，且勢(shì)函數(shù)完全光滑，確保了塑性流動(dòng)方向的唯一性。

(5)

式中:c為粘聚力，N；σn為受力面上的正應(yīng)力，Pa；φ為內(nèi)摩擦角，°。

此外，由于樁靴/土體在相互作用時(shí)，土顆粒與結(jié)構(gòu)物的相互位置不斷發(fā)生改變。為了體現(xiàn)這種復(fù)雜的接觸現(xiàn)象，本文采用主從面接觸算法來(lái)解決這一問(wèn)題，而插樁過(guò)程中樁靴和土體之間的摩擦作用采用經(jīng)典的庫(kù)侖摩擦來(lái)考慮。

1.3加載點(diǎn)位置

對(duì)平臺(tái)插樁作業(yè)進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，通常在樁靴合適的位置選取一加載點(diǎn)，樁靴的運(yùn)動(dòng)與加載點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，加載點(diǎn)的位置將直接影響到地基土的破壞模式和承載力。

值得注意的是，加載點(diǎn)不在重心處時(shí)，會(huì)導(dǎo)致樁靴結(jié)構(gòu)繞其重心發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，這與工程實(shí)際是不相符的。本文加載點(diǎn)位置的選擇見圖1，距樁靴頂部以0.1 L遞增。圖2顯示，最佳加載點(diǎn)位于樁靴結(jié)構(gòu)的重心位置處(l=0.6 L)，此時(shí)樁靴結(jié)構(gòu)發(fā)生平動(dòng)，且承載力最大，這也與文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)果相一致。加載點(diǎn)位置的不同對(duì)樁靴承載力影響在3%以內(nèi)。

圖1　加載點(diǎn)示意圖Fig.1　Loading points

圖2　加載點(diǎn)對(duì)承載力的影響Fig.2　Effect of loading point on bearing capacity

1.4網(wǎng)格劃分

平臺(tái)插樁作業(yè)過(guò)程中樁土的相互作用是一個(gè)高度非線性過(guò)程，因此數(shù)值分析時(shí)網(wǎng)格劃分的合理性與計(jì)算精度和效率密切相關(guān)：樁靴周圍的網(wǎng)格尺寸必須足夠細(xì)密，插樁區(qū)域以外的土體不與樁靴產(chǎn)生接觸變形，只進(jìn)行應(yīng)力的傳遞，網(wǎng)格尺寸可以適當(dāng)加粗。

本文選擇了3種網(wǎng)格劃分方案進(jìn)行對(duì)比分析，分別對(duì)應(yīng)樁靴接觸區(qū)域的網(wǎng)格尺寸為0.8 m×0.8 m、1.2 m×1.2 m和1.6 m×1.6 m。圖3結(jié)果所示，3種方案計(jì)算結(jié)果存在6%左右的差異，粗網(wǎng)格得到了較高的承載力結(jié)果，這是由于尺寸較大的單元低估了高應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變值，導(dǎo)致土體的大變形現(xiàn)象不能及時(shí)發(fā)生造成的。數(shù)值計(jì)算中計(jì)算時(shí)間通常由最小網(wǎng)格尺寸決定，在48 G內(nèi)存的服務(wù)器上方案1～3的計(jì)算時(shí)間分別為2、1和0.25 h，綜合考慮計(jì)算精度和效率，本文采用方案2的網(wǎng)格劃分方案進(jìn)行計(jì)算。

1.5 地基邊界

實(shí)際工程中，與樁靴相互作用的海底地基具有無(wú)限邊界，但在數(shù)值分析中通常截取有限的邊界進(jìn)行位移約束，并假定邊界以外的土體不受影響。地基邊界的選取通常較難確定，較小的地基邊界會(huì)導(dǎo)致計(jì)算精度無(wú)法滿足工程應(yīng)用的要求，較大的地基邊界則會(huì)導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的增加。文獻(xiàn)[13]提出地基土徑向取12B(B為樁靴直徑)，深度取10B，以保證地基邊界在塑性變形區(qū)域之外，其他文獻(xiàn)對(duì)地基邊界的取值也大致如此。

本文選取了3個(gè)計(jì)算方案進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，其徑向和深度方向的長(zhǎng)度分別對(duì)應(yīng)為12B×10B、6B×5B和4B×4B。圖4結(jié)果所示。

圖4　地基邊界的影響Fig.4　Effect of foundation boundary

3種計(jì)算方案的誤差小于1%。這是由于在本例中，3種方案的地基邊界均落在平臺(tái)插樁引起的土體塑性區(qū)域之外導(dǎo)致的。在48 G內(nèi)存的服務(wù)器上方案1～3的計(jì)算時(shí)間分別為4、1和0.5 h，綜合考慮計(jì)算精度和效率，本文選取方案2的地基邊界進(jìn)行計(jì)算。

1.6 校準(zhǔn)性研究

為了對(duì)本文使用的數(shù)值計(jì)算方法的可靠性進(jìn)行研究，對(duì)土層特性為上層粘土不排水抗剪強(qiáng)度Sut=120 kPa、下層粘土不排水抗剪強(qiáng)度Sub=24 kPa的成層土進(jìn)行比較分析。表1結(jié)果顯示，對(duì)于成層土，有限元數(shù)值分析法與傳統(tǒng)分析法計(jì)算結(jié)果存在一定差異，約在10%左右。究其原因，對(duì)于復(fù)雜地基情況，傳統(tǒng)分析法存在大量假設(shè)，具有一定的局限性，而有限元數(shù)值分析法在數(shù)值模擬的關(guān)鍵參數(shù)選取上也有待進(jìn)一步研究。

表1 　成層土承載力對(duì)比

2層狀地基承載力分析

海底地基土大多呈現(xiàn)為層狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)上硬下軟的土層情況時(shí)，容易引起平臺(tái)插樁作業(yè)時(shí)樁靴發(fā)生突然下沉貫入的穿刺現(xiàn)象，對(duì)結(jié)構(gòu)安全性造成危害。容易誘發(fā)插樁穿刺的典型土層情況有2種：上層為硬粘土，下層為軟粘土；上層為砂土，下層為粘土。層狀地基承載力研究是其穿刺破壞機(jī)理分析的基礎(chǔ)，因此本文采取非線性有限元方法，試圖探索土層參數(shù)對(duì)上硬下軟層狀地基承載力的影響。

2.1數(shù)值模型

數(shù)值模型的合理建立是層狀地基承載力準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。參照上文數(shù)值仿真關(guān)鍵技術(shù)的研究成果，采用ABAQUS軟件建立了樁靴/地基的有限元數(shù)值模型(圖5～6)。

圖5　樁靴模型Fig.5　Spudcan model

在平臺(tái)插樁貫入過(guò)程分析中，主要考慮貫入深度和地基承載力之間的關(guān)系，并不關(guān)注樁靴的結(jié)構(gòu)變形，因此將其假定為剛體。加載點(diǎn)位置在樁靴結(jié)構(gòu)重心處，加載方式為施加強(qiáng)迫位移。

層狀地基的邊界條件設(shè)定為側(cè)面施加水平方向約束，底面施加固定約束，頂面自由，網(wǎng)格劃分和地基邊界按上文討論的結(jié)果進(jìn)行選取。土體材料模型選用M-C模型，采用庫(kù)侖摩擦模擬樁靴切向運(yùn)動(dòng)的影響，摩擦系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[14]取為0.6。

圖6　樁土模型Fig.6　Pile-soil model

2.2 硬粘土/軟粘土層

對(duì)于硬粘土/軟粘土層的地基承載力，工程上通常采用Brown&Meyerhof方法和投影面積法來(lái)計(jì)算。自升式鉆井平臺(tái)插樁作業(yè)時(shí)，海底地基粘土層的破壞模式為樁靴周圍的沖剪破壞，樁靴在貫入過(guò)程中地基承載力達(dá)到峰值后會(huì)突然降低，是否會(huì)發(fā)生穿刺現(xiàn)象取決于一些土層參數(shù)，本節(jié)采用非線性有限元方法，根據(jù)表2中的計(jì)算方案進(jìn)行分析。

表2　硬粘土/軟粘土層計(jì)算方案

1)上下土層強(qiáng)度比

上下土層強(qiáng)度比Sut/Sub是考察層狀地基承載力的重要指標(biāo)(如圖7所示)。

圖7　上下土層強(qiáng)度比對(duì)承載力的影響Fig.7　Effect of strength ratio of upper and lower soil layer

考察硬粘土層的不排水抗剪強(qiáng)度Sut為80 kPa和120 kPa兩種情況，上下土層強(qiáng)度比Sut/Sub在1.2～6變化，硬粘土層的厚度為1倍基礎(chǔ)直徑，上下土層的自重均為18 kN/m3，計(jì)算工況為工況1～7。

硬粘土層不排水抗剪強(qiáng)度Sut為120 kPa時(shí)，地基承載力隨著貫入深度的增加而提高，到達(dá)峰值后呈大幅下滑趨勢(shì)，最后趨于一個(gè)穩(wěn)定的值。圖7計(jì)算結(jié)果顯示，地基土的最終承載力取決于下層軟粘土層的強(qiáng)度，隨其增加而增大。

對(duì)于插樁穿刺問(wèn)題，關(guān)注的重點(diǎn)是地基土承載力的峰值及此時(shí)的插樁深度，隨著上下土層強(qiáng)度比的減小，地基承載力的峰值也隨之增加，承載力曲線的拐點(diǎn)位置，即可能的穿刺深度隨之增加，因而發(fā)生穿刺的風(fēng)險(xiǎn)也隨之減小。

為考察硬粘土層不排水抗剪強(qiáng)度變化的影響，在上下土層強(qiáng)度比一致的前提下，對(duì)Sut為80 kPa的情況分析后發(fā)現(xiàn)，上層土不排水抗剪強(qiáng)度的減小會(huì)降低地基承載力的峰值，在相同的土層強(qiáng)度比的情況下，會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)插樁穿刺風(fēng)險(xiǎn)的增加。

2)上層土相對(duì)厚度

上層土相對(duì)厚度H/D同樣是影響層狀地基承載力的重要因素。假定上下土層強(qiáng)度取為定值2.5，硬粘土層不排水抗剪強(qiáng)度為80 kPa，相對(duì)厚度H/D在0.5～1.2變化，上下土層的自重均為18 kN/m3，計(jì)算工況為工況8～12。

圖8計(jì)算結(jié)果表明，各種工況下均存在插樁穿刺的可能性，隨著上層土相對(duì)厚度的增加，地基承載力及其峰值均逐漸提高，出現(xiàn)峰值的曲線拐點(diǎn)，即穿刺可能發(fā)生的位置也相應(yīng)增加，但均未到達(dá)上下土層的分界線，說(shuō)明軟土層從樁靴貫入海底地基開始就產(chǎn)生影響。各工況下承載力曲線最后趨于一致，說(shuō)明地基土最終承載力僅取決于下層軟粘土的強(qiáng)度。值得注意的是，上層土相對(duì)厚度的增加會(huì)導(dǎo)致承載力曲線隨貫入深度下降更快，因此發(fā)生插樁穿刺的可能性也更大。

圖8　上層土相對(duì)厚度對(duì)承載力的影響Fig.8　Effect of relative thickness for upper clay

3)標(biāo)準(zhǔn)化抗剪強(qiáng)度

標(biāo)準(zhǔn)化抗剪強(qiáng)度Sub/γD是表征下層粘土對(duì)層狀地基承載力影響的無(wú)量綱物理量。假定上下土層強(qiáng)度比一致，比值均為1.5，上下土層的自重均為18 kN/m3，下層土不排水抗剪強(qiáng)度分別為Sub為30、40、60 kPa，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化抗剪強(qiáng)度分別為Sub/γD 為0.083、0.111、0.167，計(jì)算工況為工況13～15。

圖9計(jì)算結(jié)果顯示，在上下土層強(qiáng)度比和上層土相對(duì)厚度一致的情況下，地基最終承載力取決于下層軟粘土不排水抗剪強(qiáng)度，隨標(biāo)準(zhǔn)化抗剪強(qiáng)度增加而提高。此外，標(biāo)準(zhǔn)化抗剪強(qiáng)度的增加導(dǎo)致承載力曲線隨貫入深度下降得更為平穩(wěn)，即發(fā)生插樁穿刺的可能性更小，這與Young在樁靴貫入實(shí)驗(yàn)中得到的研究結(jié)論相一致[15]。

圖9　標(biāo)準(zhǔn)化抗剪強(qiáng)度對(duì)承載力的影響Fig.9　Effect of normalized shear strength

4)土體強(qiáng)度非均勻系數(shù)

土體強(qiáng)度非均勻系數(shù)kD/Sub是表征下層粘土強(qiáng)度變化的無(wú)量綱物理量。前文假定下層軟粘土層不排水抗剪強(qiáng)度不隨土層深度而變化，即土體不均勻系數(shù)k=0，但飽和海底地基中土體不排水抗剪強(qiáng)度通常隨深度線性增加，即k>0。因而假定上下土層強(qiáng)度比一致，比值均為2，上下土層的自重均為18 kN/m3，下層軟粘土的強(qiáng)度變化梯度k分別為0、1、2、3 kPa/m，對(duì)應(yīng)的土體強(qiáng)度非均勻系數(shù)分別為kD/Sub為0、0.5、1.0、1.5，計(jì)算工況為工況16～19。

圖10計(jì)算結(jié)果顯示，在上下土層強(qiáng)度比和上層土相對(duì)厚度一致的情況下，隨著土體強(qiáng)度非均勻系數(shù)的增加，軟粘土層的平均強(qiáng)度將接近于上層土，從而減弱軟粘土層的軟化效應(yīng)，導(dǎo)致地基承載力曲線的峰值也隨之提高，同時(shí)最終承載力也相應(yīng)提高。

圖10　土體強(qiáng)度非均勻系數(shù)對(duì)承載力的影響Fig.10　Effect of non-homogeneity factor

2.3砂土/粘土層

對(duì)于砂土/粘土層的地基承載力，工程上通常采用Hanna&Meyerhof方法和投影面積法來(lái)計(jì)算。本節(jié)采用非線性有限元方法，根據(jù)表3中的計(jì)算方案分析土層參數(shù)對(duì)承載力的影響。

表3　砂土/粘土層計(jì)算方案

1)粘土不排水抗剪強(qiáng)度

砂土/粘土層狀地基中，通常砂土層的強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于粘土層，但粘土層對(duì)于地基承載力的弱化效應(yīng)不可忽略，因此粘土不排水抗剪強(qiáng)度的影響需要引起關(guān)注。假定砂土層的摩擦角φ為38°，厚度為0.5倍基礎(chǔ)直徑，粘土層的自重為18 kN/m3，不排水抗剪強(qiáng)度分別為20、40、80、120 kPa，計(jì)算工況為工況20～23。

圖11計(jì)算結(jié)果表明，粘土不排水抗剪強(qiáng)度對(duì)地基承載力存在顯著影響，地基承載力隨軟粘土不排水抗剪強(qiáng)度的增加而增大，到達(dá)峰值后快速下降，發(fā)生插樁穿刺的風(fēng)險(xiǎn)增加。值得注意的是，承載力曲線峰值出現(xiàn)的位置均未到達(dá)土層分界線，這也說(shuō)明軟粘土層的弱化效應(yīng)明顯，而當(dāng)下層粘土不排水抗剪強(qiáng)度較大，如120 kPa時(shí)，承載力曲線到達(dá)峰值下降，越過(guò)土層分界后又呈逐漸上升的趨勢(shì)，這也是與上硬下軟粘土層情況存在明顯不同的地方。

2)砂土摩擦角

砂土摩擦角的大小通常將直接影響砂土層的強(qiáng)度。假定下層粘土的不排水抗剪強(qiáng)度為40 kPa，自重為18 kN/m3，砂土層的厚度為0.5倍基礎(chǔ)直徑，摩擦角φ為28°、30°、32°、34°、36°、38°，計(jì)算工況為工況21、工況24～28。

圖12計(jì)算結(jié)果顯示，在下層粘土強(qiáng)度保持一致的情況下，地基承載力隨砂土摩擦角的增加而緩慢提高，當(dāng)承載力曲線達(dá)到峰值后，下降的速度隨砂土摩擦角的增加而減緩，發(fā)生穿刺的風(fēng)險(xiǎn)隨之變小。此外，與粘土層強(qiáng)度的影響類似，承載力曲線很快就到達(dá)峰值然后減小，說(shuō)明砂土/粘土層發(fā)生穿刺的位置要小于上硬下軟粘土層情況，這在工程中是值得注意的。

圖11　粘土不排水抗剪強(qiáng)度對(duì)承載力的影響Fig.11　Effect of undrained shear strength for clay

圖12　砂土摩擦角對(duì)承載力的影響Fig.12　Effect of sand friction angle

3)砂土層相對(duì)厚度

砂土層相對(duì)厚度同樣是影響砂土層承載力曲線的重要指標(biāo)。假定下層粘土的不排水抗剪強(qiáng)度為40 kPa，自重為18 kN/m3，砂土層的摩擦角φ為38°，其相對(duì)厚度H/D分別為0.5、0.75、1.0，計(jì)算工況為工況21、工況29～30。

圖13計(jì)算結(jié)果顯示，在砂土層和粘土層強(qiáng)度保持一致的情況下，地基承載力隨砂土層相對(duì)厚度H/D的增加而增大，承載力曲線達(dá)到峰值后，下降的速度隨砂土層相對(duì)厚度的增加而增大，發(fā)生穿刺的風(fēng)險(xiǎn)隨之增加，需要在工程應(yīng)用時(shí)關(guān)注這一現(xiàn)象。

3插樁穿刺風(fēng)險(xiǎn)分析

在對(duì)層狀地基承載力分析的基礎(chǔ)上，以一121.92 m水深自升式鉆井平臺(tái)為例，結(jié)合土層參數(shù)的概率模型，對(duì)其在墨西哥灣某海域預(yù)壓插樁過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析，并采用Monte-Carlo方法對(duì)發(fā)生穿刺海損的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

3.1平臺(tái)/地基信息

以中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)院(ORIC)自主研發(fā)的CIMC400自升式鉆井平臺(tái)為例，對(duì)其預(yù)壓插樁工況下發(fā)生穿刺海損的可能性進(jìn)行評(píng)估。該平臺(tái)三個(gè)樁腿呈菱形連接，具備獨(dú)立樁靴，最大工作水深121.92 m，最大鉆井深度9 144 m ，入級(jí)ABS船級(jí)社(圖14)。

圖13　砂土層相對(duì)厚度對(duì)承載力的影響Fig.13　Effect of relative thickness for clay layer

圖14　CIMC400自升式鉆井平臺(tái)示意圖Fig.14　Profile of CIMC400 Jack-up drilling unit

目標(biāo)平臺(tái)的作業(yè)地點(diǎn)選定為美國(guó)墨西哥灣某海域，以泥沙質(zhì)海底為主，風(fēng)、浪、流等海洋環(huán)境條件較好，適合進(jìn)行鉆井作業(yè)。預(yù)壓作業(yè)前進(jìn)行了井場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查，得到的相關(guān)地層資料見表4，第1層為淤泥質(zhì)粘土，第2層為粉質(zhì)粘土，第3層為砂土，第4層為粘土，屬于典型的砂土/粘土層狀地基，應(yīng)考慮發(fā)生穿刺的可能性。

表4　井場(chǎng)地層資料

3.2地基承載力計(jì)算

對(duì)平臺(tái)插樁穿刺問(wèn)題進(jìn)行分析時(shí)，考慮到諸多不確定性因素的存在，通常以一個(gè)合適的穿刺安全系數(shù)Fs，即層狀地基極限承載力與樁腿最大預(yù)壓載荷的比值，來(lái)表征發(fā)生穿刺的可能性。理論上，F(xiàn)s>1.0即可進(jìn)行插樁作業(yè)，而為了保守起見，工程應(yīng)用時(shí)通常認(rèn)為穿刺安全系數(shù)Fs>1.5時(shí)，該井位作業(yè)時(shí)不會(huì)發(fā)生穿刺現(xiàn)象。

對(duì)于本文的海底地基情況同樣采用有限元方法進(jìn)行分析：承載力曲線先隨樁靴貫入深度逐漸增加，進(jìn)入砂土層后曲線很快到達(dá)峰值，隨后受到軟弱下臥層的影響而迅速減小，進(jìn)入粘土層后，由于下層為砂土層，因此承載力曲線逐漸回升。目標(biāo)平臺(tái)的預(yù)壓載荷為180 000 kN，其最終插樁深度為14.16 m，承載力曲線峰值為194 918 kN，位于19.96 m處(圖15)。據(jù)此判定Fs= 1.083，具有較大的穿刺風(fēng)險(xiǎn)，需考慮土層參數(shù)的不確定性進(jìn)一步進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。

圖15　預(yù)壓載—貫入深度曲線Fig.15　Pre-load and penetration depth curve

3.3土層參數(shù)概率模型

土層參數(shù)存在離散性，表3給出的土層參數(shù)僅僅反映了所測(cè)參數(shù)的平均值，而土質(zhì)取樣、測(cè)試方法的不同都會(huì)導(dǎo)致其不確定性的產(chǎn)生，目前在土層參數(shù)的不確定性研究方面已有了不少成果，本文參照美國(guó)石油協(xié)會(huì)規(guī)范API RP-2A-LRFD給出了這些土層參數(shù)的均值系數(shù)、變異系數(shù)和概率模型(表5)，作為后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)。

表5　土層相關(guān)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分布

3.4風(fēng)險(xiǎn)分析

通常認(rèn)為，預(yù)壓載荷是自升式鉆井平臺(tái)服役期間內(nèi)地基土可能承受的最大垂向載荷，因此可以確定平臺(tái)預(yù)壓插樁作業(yè)的極限狀態(tài)方程：

(6)

式中:FC為地基極限承載力，N；FP為預(yù)壓載荷，N。

土層參數(shù)的不確定性導(dǎo)致地基極限承載力FC存在隨機(jī)特性，在對(duì)1×106個(gè)數(shù)據(jù)樣本統(tǒng)計(jì)后采用柯爾莫哥洛夫K-S檢驗(yàn)法進(jìn)行擬合檢驗(yàn)，以得到其概率統(tǒng)計(jì)分布。擬合結(jié)果表明(表6)，地基極限承載力FC和預(yù)壓載荷FP的概率模型均符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

表6地基極限承載力及預(yù)壓載荷的統(tǒng)計(jì)分布

Table 6Statistical distribution of foundation ultimate bearing capacity and pre-load

參數(shù)概率模型均值系數(shù)變異系數(shù)地基極限承載力對(duì)數(shù)正態(tài)1.0850.006預(yù)壓載荷對(duì)數(shù)正態(tài)1.00.14

基于式(6)給出的極限狀態(tài)方程，根據(jù)表5中地基極限承載力以及預(yù)壓載荷的統(tǒng)計(jì)分布，通過(guò)Monte-Carlo法對(duì)平臺(tái)插樁穿刺可能性進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，若考慮預(yù)壓載荷的隨機(jī)性，發(fā)生插樁穿刺的可能性為9.916%，若不考慮其隨機(jī)性，發(fā)生插樁穿刺的可能性為9.702%，預(yù)壓載荷的隨機(jī)性影響極為有限。因而建議在工程應(yīng)用中，可以不考慮預(yù)壓載荷的隨機(jī)性以提高計(jì)算效率。

4結(jié)論

本文以CIMC400自升式鉆井平臺(tái)為例，考慮土層的參數(shù)影響，在對(duì)海底層狀地基承載力進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，采用非線性有限元方法對(duì)平臺(tái)作業(yè)時(shí)發(fā)生插樁穿刺的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，得到結(jié)論如下：

1)自升式鉆井平臺(tái)插樁入泥過(guò)程是一個(gè)高度非線性過(guò)程，目前對(duì)于層狀地基承載力計(jì)算在理論上尚不明確，對(duì)于復(fù)雜地基情況具有一定的局限性，而非線性有數(shù)值模擬技術(shù)在處理此類問(wèn)題上具有一定的優(yōu)勢(shì)，且能夠滿足工程應(yīng)用的要求。

2)土層參數(shù)對(duì)層狀地基承載力存在影響：上下土層強(qiáng)度比、上層土相對(duì)厚度、標(biāo)準(zhǔn)化抗剪強(qiáng)度對(duì)硬粘土/軟粘土層的影響明顯，粘土不排水抗剪強(qiáng)度、砂土摩擦角、砂土層相對(duì)厚度對(duì)砂土/粘土層的影響較大。

3)在本文給定的作業(yè)海域和地層資料下，考慮土層參數(shù)的隨機(jī)分布，目標(biāo)平臺(tái)存在一定的插樁穿刺風(fēng)險(xiǎn)，采用Monte-Carlo法計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在工程分析時(shí)可以不考慮預(yù)壓載荷的隨機(jī)性。

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本文引用格式：

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收稿日期：2015-03-20.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51079034).

作者簡(jiǎn)介：林一(1984-), 男, 博士. 通信作者：林一, E-mail: linyi1207@163.com.

DOI:10.11990/jheu.201503066

中圖分類號(hào)：U661.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-7043(2016)06-0754-08

Risk analysis of punch through for a jack-up drilling unit in layered soil

LIN Yi1, HU Ankang1,2, JIANG Wei1,2, WANG Yitao2

(1. CIMC Ocean Engineering D&R Institute, Shanghai 201206, China; 2. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract：When jack-up drilling units are in a preloading condition, it is possible to cause punch-through incidents in layered soils in which there is a stiff layer overlying a weaker layer. This may result in serious structure damage and casualties. Such layered soils are typically of two types-stiff clay/soft clay and stiff sand/soft clay. Taking into account the influence of the soil layer parameters, we used a non-linear numerical method to investigate the change law of the bearing capacity of soil. On this basis, taking a 400-ft jackup drilling unit as an example, we used the Monte-Carlo method, preloading probability distribution, and soil parameters to analyze the risk of punch-through in the Gulf of Mexico.The analysis results show that the risk value is below 10%, Our conclusions can provide a reference for the risk management of similar jackup operations.

Keywords：jack-up drilling unit; punch through; layered soil; risk analysis

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2016-04-22.