王冬石 袁 燁 徐文祥 譚瑞龍 段夢蘭

(1. 中海油田服務(wù)股份有限公司 河北三河 065201； 2. 復(fù)旦大學(xué)航空航天系 上海 200433；3. 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院 湖南長沙 410082； 4. 中國石油大學(xué)(北京)海洋工程研究院 北京 102249)

1 問題的提出

自升式鉆井平臺拖航到指定位置后，須對平臺進(jìn)行預(yù)壓載，將樁靴插入泥面以下一定深度。實際作業(yè)中平臺所需的全部壓載水分多次注入，每次之間會使壓載重量維持一段時間不變，確認(rèn)安全后方可繼續(xù)注水進(jìn)行下一步壓載，即預(yù)壓載是樁靴貫入—維持—貫入的非連續(xù)過程。然而，在某些上硬下軟的地層(俗稱“雞蛋殼”地層)，由于樁靴的壓強(qiáng)較大，需要穿過“雞蛋殼”才能達(dá)到其額定的支撐反力，但在穿過“雞蛋殼”時樁腿會發(fā)生快速沉降，即為 “穿刺”現(xiàn)象。

為了提高對軟黏土地層海域的作業(yè)適應(yīng)性，在更淺的地層獲得足夠大的地基承載力，某些新型自升式平臺使用了面積較大的樁靴設(shè)計，也稱“大腳”設(shè)計。大樁靴在提高軟地層適應(yīng)性的同時，可在較淺的地層獲得足夠的穩(wěn)定性而避免穿透“雞蛋殼”地層，降低了穿刺風(fēng)險。雖然業(yè)界一般認(rèn)為自升式鉆井平臺在均質(zhì)黏土層中不會發(fā)生穿刺事故，但穿刺事故依舊時有發(fā)生，如：印尼Belida B WHP平臺在插樁時發(fā)生了穿刺事故[1]，后續(xù)地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)在預(yù)壓載過程中黏土層產(chǎn)生了“人工硬層”而導(dǎo)致穿刺；南海某井位某大樁靴自升式鉆井平臺在黏土層預(yù)壓載作業(yè)時也發(fā)生了穿刺事故，穿刺深度接近4 m，對平臺結(jié)構(gòu)造成了損傷。因此，研究不連續(xù)壓載工況下大樁靴平臺在黏土層中穿刺發(fā)生的原因和特性，對于提高安全生產(chǎn)，減少作業(yè)事故有著極其重要的意義。

對于單一軟黏土層極限地基承載力的理論計算，國內(nèi)外眾多學(xué)者均提出了經(jīng)驗計算公式。Skempton等[2]提出了樁靴在單一黏土層不排水情況下的地基承載力計算公式；Houlsby等[3]考慮了樁尖的設(shè)計形狀、樁靴埋置深度、土體不排水抗剪強(qiáng)度隨深度線性增加等條件，提出了不考慮回填影響的表達(dá)式；Hossain等[4]研究了樁靴在土體中的運動模式和破壞機(jī)理，考慮了空洞的形成，提出了計算公式；張愛霞[5]構(gòu)造了方形樁靴三維地基復(fù)合滑移破壞面，根據(jù)極限平衡理論，提出了新的方形樁靴單層地基承載力的計算方法。目前，我國關(guān)于地基承載力的計算所采用的《海洋井場調(diào)查規(guī)范》[6]與SNAME[7]推薦方法相同，該計算方法忽略樁靴的摩擦力、形狀對地基極限承載力的影響，同時不考慮抗剪強(qiáng)度隨深度加深而增大帶來的影響，其計算公式為

(1)

對于自升式鉆井平臺非連續(xù)壓載問題的試驗研究，Purwana等[8]進(jìn)行了離心機(jī)試驗，發(fā)現(xiàn)壓載停止時土體會發(fā)生固結(jié)，超孔隙水壓會隨著入泥深度線性增長；Barbose[9]通過離心機(jī)試驗發(fā)現(xiàn),即使黏土固結(jié)程度較低，依然會出現(xiàn)穿刺現(xiàn)象，而且固結(jié)后土體承載力和穿刺深度隨著固結(jié)停止時的深度增加而增加；Bienen等[10-11]通過改變固結(jié)時間和固結(jié)時垂直載荷大小，發(fā)現(xiàn)固結(jié)后土體孔隙比減小，不排水抗剪強(qiáng)度增加,承載力急劇增加，而且固結(jié)時間越長，承載力提高得越多。Wang等[12]認(rèn)為，影響穿刺深度的關(guān)鍵因素包括固結(jié)時間、固結(jié)深度、固結(jié)系數(shù)、土體滲透性和固結(jié)時的上覆載荷，并提出了一種固結(jié)后承載力的預(yù)測方法。

由于業(yè)界一般認(rèn)為自升式鉆井平臺在軟黏土地層中難以發(fā)生穿刺，因此對自升式鉆井平臺在單一軟黏土層中穿刺的問題研究較少。大方形樁靴作為一種減少穿刺的新型設(shè)計，還沒有針對其在軟黏土層中承載力變化規(guī)律的研究，因此開展對在軟黏土層中大方形樁靴發(fā)生新型穿刺現(xiàn)象的原因以及承載力變化規(guī)律的研究具有重要意義?，F(xiàn)有對樁靴穿刺問題的試驗研究中，離心機(jī)試驗都是以恒定的位移速率進(jìn)行加載，不能模擬正常工況下分級壓載的情形。因此，為了探究在均質(zhì)黏土層中分級壓載是否會產(chǎn)生“人工硬層”及發(fā)生樁靴快速下沉甚至引發(fā)穿刺現(xiàn)象，本文以某大樁靴自升式鉆井平臺為原型，通過模型試驗的方法設(shè)計了一套具備分級加載能力的自升式鉆井平臺方形大樁靴插樁試驗系統(tǒng)，然后根據(jù)工程實際壓載操作開展了自升式鉆井平臺樁靴模型的非連續(xù)壓載試驗，記錄了壓載過程中的土體變形和承載力變化等，分析了非連續(xù)壓載過程對軟黏土層中自升式鉆井平臺大樁靴承載力的影響規(guī)律，從而為大樁靴平臺的壓載作業(yè)提供參考依據(jù)。

2 模型試驗系統(tǒng)的研制

2.1 相似性分析

根據(jù)相似性原理，本文參考文獻(xiàn)[13]中的方法，通過對插樁過程各控制方程的分析，確定各物理量的相似關(guān)系。通過相似性分析，得出在1倍重力加速度下模型土體本構(gòu)縮比N倍時即可使得模型和原型相似，此時模型應(yīng)力為原型應(yīng)力的1/N，模型中滲流時間為原型的1/N。本文模型試驗各物理量的相似系數(shù)見表1。

表1 模型試驗主要物理量的相似系數(shù)

2.2 模型試驗系統(tǒng)組成

以某自升式鉆井平臺方形大樁靴為原型，按照1∶75比例制作了模型試驗系統(tǒng)，樁靴模型長300 mm，寬236 mm，高600 mm，如圖1a所示。插樁模型試驗原理如圖1b所示，由土池、加載和支撐裝置、測量系統(tǒng)和樁靴等組成。加載裝置由上部水箱組成，水箱放在支架上，最多可以放置4個水箱。樁腿與水箱支架的底部連接，上面安裝壓力傳感器和位移傳感器。樁靴底部布置4個孔壓計。試驗時通過向水箱內(nèi)注水，實現(xiàn)向下施加均勻增大的壓載力。樁腿連同水箱支架在垂直滑動導(dǎo)軌上一起做垂直運動，樁靴貫入到土體深處。傳感器數(shù)據(jù)使用DH5923動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，具有采集速度快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。制作完成的大樁靴插樁模型試驗系統(tǒng)如圖2所示。

圖1 某自升式鉆井平臺大樁靴插樁模型試驗系統(tǒng)

圖2 安裝后的某自升式鉆井平臺大樁靴插樁模型試驗系統(tǒng)裝置

為了保證本次試驗的準(zhǔn)確性，提前將試驗所用的黏土進(jìn)行曬干，并進(jìn)行粉碎處理(不破壞黏土原有微結(jié)構(gòu))，然后分層倒入土池中，邊填埋邊攪拌，填埋完成后使其靜置固結(jié)。試驗前，使用十字板剪切儀對黏土的不排水抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測試，取土池的前、后、左、右、中心共5個位置進(jìn)行測試，每個位置自泥面向下每隔5 cm測量黏土的不排水抗剪強(qiáng)度，將5個位置的不同深度結(jié)果取平均值，從而得到試驗黏土抗剪強(qiáng)度隨深度的擬合曲線(圖3)。

圖3 本文試驗用黏土抗剪強(qiáng)度擬合曲線

3 不同壓載工況下樁靴承載力的變化規(guī)律試驗研究

為了模擬現(xiàn)場插樁過程，本次試驗通過水箱進(jìn)行分級加載，每級加載50 kg，每級加載完成后靜置30 min，試驗共進(jìn)行4次加載，總加載質(zhì)量200 kg。由于實際工況預(yù)壓載每級的壓載時間約為2.5 h，因此，試驗中將加載分為快速壓載、正常壓載和慢速壓載等3種工況，每級壓載的時間分別為1.5、2.5、3.5 h。

3.1 快速壓載

快速壓載工況下承載力、樁靴入泥深度與實踐的關(guān)系曲線如圖4所示，可以看出，整個快速壓載過程中分別在第1次和第3次靜置觀察結(jié)束時重新加載后發(fā)生了2次樁靴快速下沉的現(xiàn)象，主要原因是：加載過程中土體受到外部載荷作用，總應(yīng)力增加，土體來不及排水，增加的應(yīng)力主要由孔隙水壓來承擔(dān)；在靜置過程中土體發(fā)生滲流排水，孔隙水壓減小，土體顆粒間有效應(yīng)力增加，靠近樁靴附近的土體排水效果好，土體發(fā)生固結(jié)，重新加壓后發(fā)生了快速下沉現(xiàn)象。在黏土層固結(jié)后繼續(xù)加載的初期，樁靴位移保持不變；繼續(xù)加載，位移出現(xiàn)了一次快速增加，表明土體固結(jié)后抗剪強(qiáng)度增加，再次壓載后樁靴穿過了固結(jié)后的“硬地層”，導(dǎo)致樁靴出現(xiàn)快速下沉。在每級加載結(jié)束后靜置觀察開始時，承載力發(fā)生了小幅的增加，然后回落并保持為每級加載載荷不變，這是由于樁靴在插入到更深的土層時具有向下的加速度，結(jié)束加載后樁靴由于加速度作用產(chǎn)生了附加質(zhì)量，造成了承載力的增加；而靜置后樁靴加速度減小到零，系統(tǒng)變?yōu)闇?zhǔn)靜態(tài)，承載力也才有所回落。

圖4 快速壓載工況下承載力、入泥深度與時間的關(guān)系曲線

3.2 正常壓載

圖5 正常壓載工況下承載力、入泥深度與時間的關(guān)系曲線

正常壓載工況下承載力、樁靴入泥深度與時間的關(guān)系曲線如圖5所示，可以看出，該工況下樁靴入泥深度與時間的關(guān)系曲線和快速加載工況類似，但是樁靴僅在第1次靜置觀察結(jié)束時發(fā)生快速下沉現(xiàn)象，且穿刺的深度也比快速加載工況要淺。這是因為正常壓載工況下加載速度減小，底部的土體有更多的時間排水，與靜置排水后的土體強(qiáng)度相差不大，故在靜置結(jié)束時未發(fā)生明顯的快速下沉現(xiàn)象。這說明，加載時間對人工硬層的產(chǎn)生有影響，延長加載時間有利于消除人工硬層和樁靴快速下沉。

3.3 慢速壓載

慢速壓載工況下承載力、樁靴入泥深度與時間的關(guān)系曲線如圖6所示，可以看出，樁靴同樣在第1次靜置觀察結(jié)束時發(fā)生了快速下沉，在第2次和第3次靜置觀察結(jié)束時承載力均未發(fā)生突然增大的現(xiàn)象，說明慢速加載可讓樁靴底部的土體有更多的時間排出水分，土體幾乎沒有發(fā)生固結(jié)現(xiàn)象，因此樁靴也未發(fā)生快速下沉。這進(jìn)一步說明，越慢的加載速度，越有利于消除人工硬層的形成和減小樁靴快速下沉的風(fēng)險。

圖6 慢速壓載工況下承載力、入泥深度與時間的關(guān)系曲線

4 結(jié)論

1) 自升式鉆井平臺大樁靴插樁模型試驗結(jié)果證實了在軟黏土地層中非連續(xù)壓載會造成大樁靴自升式鉆井平臺發(fā)生快速下沉的現(xiàn)象，與南海某平臺發(fā)生的穿刺現(xiàn)象相吻合。

2) 大樁靴自升式鉆井平臺發(fā)生快速下沉或者“穿刺”現(xiàn)象的本質(zhì)是因為壓載過程來不及排水，導(dǎo)致樁靴下方黏土孔隙水壓力增加；在靜置觀察階段發(fā)生滲流作用，造成孔隙水壓力減小，土體顆粒間的有效應(yīng)力增加，黏土發(fā)生固結(jié)?？拷鼧堆ゲ糠值酿ね凉探Y(jié)程度較高，土體抗剪強(qiáng)度增加，形成了“人工硬殼”。當(dāng)壓載力加大時，樁靴穿過硬殼層，發(fā)生了快速下沉。

3) 在靜置時間一定的條件下，壓載速度對大樁靴自升式鉆井平臺快速下沉有較大影響，較慢的壓載速度使得樁靴下方的土體有足夠的時間排水，不容易形成“人工硬層”，從而能夠有效降低快速下沉的風(fēng)險。故工程實際操作過程中可通過降低壓載速度來減小發(fā)生快速下沉或穿刺的風(fēng)險。

4) 由于本次試驗樁靴插入的深度較小，快速下沉的深度也較小，因此無法準(zhǔn)確衡量不同壓載速度下快速下沉的深度及嚴(yán)重程度。此外，本次工作是對于新出現(xiàn)的大樁靴黏土層穿刺問題的試驗論證，并未涉及到理論研究。