劉　陽， 冮　鵬， 趙少偉， 王菲菲

(1.中海石油〈中國〉有限公司天津分公司，天津 300450； 2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300450)

0　引言

渤海海域作為我國海洋石油的重要產(chǎn)區(qū)之一，隨著作業(yè)頻次的增多，自升式鉆井平臺在相近、甚至是同一位置二次甚至是多次插樁作業(yè)的情況越來越多，頻繁的作業(yè)使得渤海海域的“踩腳印”問題日益突出，嚴重威脅著平臺的作業(yè)安全。以某區(qū)塊為例，自2007年3月至2010年10月，先后有4個自升式鉆井平臺在該區(qū)塊進行作業(yè)，由于先前作業(yè)遺留“老腳印”的存在，給后續(xù)平臺在附近位置插樁就位帶來了不可忽略的安全隱患，嚴重影響了平臺插樁就位作業(yè)的安全。

如圖1所示，有一根樁腿的就位受到“老腳印”的影響，樁坑的存在導致的不均勻承載力將使得樁靴壓樁過程中可能會滑向老腳印，滑移的趨勢被樁腿的剛度、樁腿與船體的連接以及其他兩根樁腿的就位等因素所限制，而滑移趨勢的大小則由水平的力大小和樁靴對樁腿與船體的連接處的力矩大小來衡量。這種潛在的滑移風險很大程度上給平臺的作業(yè)安全帶來隱患。先前遺留的樁坑(老腳印)使得平臺后續(xù)在該位置或相近位置插樁就位時可能出現(xiàn)滑移的情況，當樁靴滑移時，會發(fā)生幾個樁腿向不同方向傾斜，造成樁腿與平臺卡住，導致鉆井平臺不能升起，并嚴重影響了樁腿結(jié)構(gòu)乃至整個平臺結(jié)構(gòu)[1]。本文就“老腳印”的存在及距離“老腳印”不同位置壓樁過程中樁基土體的運移、破壞規(guī)律及最終承載力等情況進行了分析，并與無“老腳印”的情況進行了對比，得出”老腳印”對平臺滑移風險的影響規(guī)律。

圖1“踩腳印”問題示意

1　樁靴及土體有限元分析模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)的材料和受力特性，鋼制的樁腿、樁靴結(jié)構(gòu)在使用和施工過程中大多處于彈性范圍內(nèi)，可采用彈性理論計算。與樁腿、樁靴結(jié)構(gòu)接觸的土體可能因承受較大的作用力而發(fā)生拉裂或剪切破壞，需要采用合理的接觸面單元來模擬。相對于樁靴的小變形、彈性模型，壓樁過程中樁基土將發(fā)生大的變形，因此要用彈塑性本構(gòu)模型對土體進行分析。由于海底土體的滲透系數(shù)較小，粘土一般在10-7～10-9m/s，砂土在10-2～10-3m/s，插樁時產(chǎn)生的孔隙水壓力無法及時消散，故插樁模型需要考慮土體中滲流的影響。考慮到樁土模型的非對稱性、三維模型極高的計算成本及二維模型已能得到足夠精確的結(jié)果，建立二維有限元模型，單元類型用考慮孔隙壓力的CPE8P八節(jié)點單元?？紤]到樁靴側(cè)面積較大，不能忽略其側(cè)面與土體之間的摩擦阻力，所以樁靴的建模采用實體模型[2]。

土體的變形規(guī)律是復(fù)雜的，如非線性變形、塑性體積變形、剪脹性等，此外土體受載的應(yīng)力路徑、應(yīng)力歷史和固結(jié)壓力等對土體的變形均有顯著的影響，土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系必須采用合理的土體本構(gòu)關(guān)系來描述[3]?，F(xiàn)已提出了大量的土體本構(gòu)關(guān)系模型，這里采用彈塑性模型，該模型認為土體的變形包括彈性變形和塑性變形兩部分，同時把彈性理論和塑性理論結(jié)合起來建立本構(gòu)模型，這種方法已成功模擬了土體變形的一些特性[4]。

針對“老腳印”對樁基土體運行規(guī)律、破壞機理及滑移風險影響的問題，對方形和錐形兩種不同幾何特征的樁靴，建立數(shù)值模型，相對于土體的大變形，鋼制樁靴的變形幾乎可以忽略不計。這里取樁靴彈性模量E=2.10×1011Pa，泊松比μ=0.3。如圖2所示。

2　樁基土體塑性破壞特征研究

2.1　“老腳印”對樁基土塑性破壞機理影響

針對方形和錐形樁靴，就距離“老腳印”的兩種不同位置(樁靴距離“老腳印”一定距離和樁靴一部分懸空)，壓樁過程中樁基土體的塑性破壞特征進行分析，并與無“老腳印”的情況進行對比，結(jié)果如圖3所示。

由計算結(jié)果可見，相對于無“老腳印”的情況，樁基土體的塑性破壞特征發(fā)生明顯變化。受“老腳印”的影響，樁靴底部與“老腳印”底部靠近樁靴一側(cè)的塑性區(qū)逐漸延展、連通，最終達到塑性破壞。隨著距離“老腳印”的距離減小，塑性區(qū)更易貫通，樁基承載力更低，潛在的滑移風險也更大[5]。

2.2　不同土質(zhì)條件樁基土塑性破壞規(guī)律研究

以錐形樁靴為例，就距離“老腳印”的不同位置(樁靴距離“老腳印”一定距離和樁靴一部分懸空)，在不同土體性質(zhì)下(粘土和砂土)，對壓樁過程中樁基土體的塑性破壞規(guī)律進行對比分析，這里列出了1、3、6、9 m的情況，結(jié)果如圖4、圖5所示。

由計算結(jié)果可見，在粘土中，當樁靴距離“老腳印”一定距離時，如樁靴未懸空工況(距離9 m)，樁基土體的塑性破壞區(qū)為圍繞樁靴底面的塑性貫通區(qū)域，隨著距離“老腳印”距離越來越近，樁靴底部靠近“老腳印”一側(cè)底部土體的塑性破壞逐漸轉(zhuǎn)移到“老腳印”壁的中間某位置。當樁靴部分懸空時(距離1 m)，樁基土體的塑性破壞特征發(fā)生明顯變化，沿“老腳印”壁與樁靴底部右下角塑性區(qū)逐漸貫通并發(fā)生滑移。樁基土的承載區(qū)域(塑性破壞區(qū)域)隨著樁靴不斷接近“老腳印”而減小，承載力更小，滑移風險更高，對平臺的潛在威脅更大。在砂土中，塑性貫通區(qū)隨距離變化破壞規(guī)律與粘土相似，但砂土中貫通區(qū)域明顯減小，滑移風險較粘土更大。

圖2樁基土體破壞機理有限元分析模型

圖3　距離“老腳印”不同距離壓樁過程中樁基土體的塑性破壞特征

圖4　距離“老腳印”不同距離壓樁過程中樁基土體塑性應(yīng)變云圖(粘土)

3　樁基土體運移規(guī)律研究

3.1　“老腳印”對樁基土體運移規(guī)律影響

針對方形樁靴，就距離“老腳印”的兩種不同位置(樁靴距離“老腳印”一定距離和樁靴一部分懸空)，對壓樁過程中樁基土體的位移及運移規(guī)律進行分析，并與無“老腳印”的情況進行對比，結(jié)果如圖6所示。

圖5　距離“老腳印”不同距離壓樁過程中樁基土體塑性應(yīng)變云圖(砂土)

由計算結(jié)果可見，“老腳印”對樁基土體的運移規(guī)律影響明顯。隨著距離“老腳印”的距離減小，樁基土體的運移規(guī)律發(fā)生顯著變化，由無“老腳印”時的先隨著樁靴豎直向下再側(cè)向展開，變?yōu)閴簶冻跏季烷_始偏向有腳印的一側(cè)，當樁靴一部分懸空時，偏移情況明顯，存在潛在的滑移風險。

針對錐形樁靴，就距離“老腳印”的兩種不同位置(樁靴距離“老腳印”一定距離和樁靴一部分懸空)，壓樁過程中樁基土體的位移及運移規(guī)律進行分析，并與無“老腳印”的情況進行對比，結(jié)果如圖7所示。

由計算結(jié)果可見，跟方形樁靴時樁基土體的運移規(guī)律類似，但是，變化趨勢更加明顯，即樁基土體偏向“老腳印”的趨勢更明顯。當樁靴底部突出部分(樁尖)懸空或者接近懸空時，滑移風險顯著增大。

圖6距離“老腳印”不同距離方形樁靴壓樁過程中樁基土體的運移規(guī)律

圖7　距離“老腳印”不同距離錐形樁靴壓樁過程中樁基土體的運移規(guī)律

3.2　不同土質(zhì)條件樁基土體運移規(guī)律研究

以錐形樁靴為例，就距離“老腳印”的不同位置(樁靴距離“老腳印”一定距離和樁靴一部分懸空)，在不同土質(zhì)條件下，對壓樁過程中樁基土體的位移及運移規(guī)律進行了對比分析，這里列出了1、3、6、9 m的情況，結(jié)果如圖8、圖9所示。

由計算結(jié)果可見，“老腳印”對樁基土體的運移規(guī)律影響明顯。由樁靴距“老腳印”一定距離工況(距離9 m)時的樁靴底部土體沿樁靴邊沿與“老腳印”底部滑移面的滑移破壞，到樁靴部分懸空工況(距離1 m)下的樁靴直接滑入“老腳印”，“老腳印”底部沒有隆起，滑移面由“老腳印”壁中間某位置貫通而不是“老腳印”底部，滑移風險更高，對平臺的威脅更大。粘土中樁靴距“老腳印”一定距離時，“老腳印”底部隆起十分明顯，近“老腳印”一側(cè)土體明顯向“老腳印”運移。通過與方形樁靴計算結(jié)果對比，錐形樁靴被影響樁基土區(qū)域更大，樁靴兩側(cè)土體隆起現(xiàn)象更為明顯。

圖8　距離“老腳印”不同距離壓樁過程中樁基土體位移矢量圖(粘土)

4　樁靴側(cè)向滑移力分析

在對樁基土體運移規(guī)律、塑性破壞特征進行分析的基礎(chǔ)上，對錐形和方形兩種樁靴壓樁過程中樁靴所受側(cè)向滑移力隨壓樁深度變化進行研究，得出關(guān)系曲線圖，如圖10所示?？梢?，隨著插樁深度的增加，樁靴所受側(cè)向滑移力逐漸增大，直至到某一深度時達到峰值，而后，側(cè)向滑移力逐漸減小。通過對錐形和方形兩種典型幾何特征的樁靴壓樁過程中所受側(cè)向滑移力對比發(fā)現(xiàn)，相對于錐形樁靴，方形樁靴所受側(cè)向滑移力達到峰值時對應(yīng)的豎直位移要小，側(cè)向滑移力也小。

圖9　距離“老腳印”不同距離壓樁過程中樁基土體位移矢量圖(砂土)

針對“老腳印”與樁靴不同距離的工況，分別提取了在不同土質(zhì)條件下，樁靴壓樁過程中所受側(cè)向滑移力，就其與距“老腳印”距離的關(guān)系進行了分析。以錐形樁靴為例，如圖11所示，是樁靴所受側(cè)向滑移力(對應(yīng)相同的壓樁深度)關(guān)于距“老腳印”距離的關(guān)系圖。

對比可見，當距“老腳印”距離為0，即樁靴完全懸空時，所受水平力為0，隨著樁靴與“老腳印”距離的增大，水平力逐漸增大直至峰值，而后有所減小。而砂土與粘土相比，其峰值力出現(xiàn)時樁靴與“老腳印”的距離略為減小且峰值力遠大于粘土，且其水平力變化率隨距離變化較粘土更快。

圖10　壓樁過程中樁靴所受側(cè)向滑移力分析

圖11　所受側(cè)向滑移力與“老腳印”距離的關(guān)系

5　結(jié)論

(1)通過對樁靴及樁基土特性的分析，采用彈塑性模型建立土體本構(gòu)模型，單元類型采用考慮了孔隙壓力的CPE8P八節(jié)點單元，分別建立了方形和錐形樁靴實體有限元分析模型。

(2)通過對樁基土塑性破壞特性的研究，對比分析了有無“老腳印”對樁基土塑性破壞的影響及不同土質(zhì)條件下樁基土塑性破壞的規(guī)律。在有“老腳印”的情況下，塑性破壞特性變化明顯，與“老腳印”底部靠近樁靴一側(cè)的塑性區(qū)逐漸延展、連通，最終達到塑性破壞。同時研究了樁靴與“老腳印”間不同的距離對樁基土塑性破壞的影響。

(3)通過對樁基土體運移規(guī)律的研究，對比分析了有無“老腳印”對樁基土體運移規(guī)律的影響及不同土質(zhì)條件下樁基土的運移規(guī)律。樁基土由無“老腳印”時的先隨著樁靴豎直向下再側(cè)向展開，變?yōu)閴簶冻跏季烷_始偏向有“老腳印”的一側(cè)。粘土中樁靴距“老腳印”一定距離時，“老腳印”底部隆起十分明顯，近“老腳印”一側(cè)土體明顯向“老腳印”運移。

(4)通過對樁靴受側(cè)向滑移力的分析，得出了兩種類型樁靴的插樁深度與側(cè)向滑移力關(guān)系曲線，以及不同土質(zhì)條件下“老腳印”距離與側(cè)向滑移力的關(guān)系曲線。