(中海油田服務(wù)股份有限公司，河北 三河 065201)

自升式平臺(tái)作業(yè)結(jié)束后，需要將樁腿從海床內(nèi)拔出，會(huì)在海床上會(huì)形成樁坑。這類(lèi)樁坑被稱(chēng)為“腳印”。隨著南海地區(qū)生產(chǎn)活動(dòng)愈加頻繁，遺留在井區(qū)的腳印數(shù)量也迅速增加。當(dāng)自升式平臺(tái)返回舊井位重新開(kāi)展作業(yè)活動(dòng)時(shí)，不可避免的會(huì)受到腳印的影響，嚴(yán)重影響到自升式平臺(tái)的生產(chǎn)安全。對(duì)于自升式平臺(tái)踩腳印的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外許多科研院校做過(guò)相關(guān)的離心機(jī)模型試驗(yàn)[1-5]。腳印的性質(zhì)差異會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的受力變形結(jié)果產(chǎn)生很大的影響，因此必須對(duì)腳印性質(zhì)的研究給予足夠的重視[6-9]。之前的研究工作有局限性：①完全固定或者僅允許水平方向運(yùn)動(dòng)的連接方式過(guò)度約束了樁腿的自由度，與實(shí)際生產(chǎn)中樁腿上端無(wú)約束的情況不相符合；②單樁腿的試驗(yàn)裝置無(wú)法反映出平臺(tái)整體的運(yùn)動(dòng)情況，無(wú)法體現(xiàn)船體-樁腿、樁腿-樁腿之間的耦合作用關(guān)系；③盡管離心機(jī)試驗(yàn)與1g條件下試驗(yàn)相比有很多優(yōu)點(diǎn)，但是離心機(jī)試驗(yàn)負(fù)載能力有限，試驗(yàn)箱尺寸較小，無(wú)法進(jìn)行全平臺(tái)的模型實(shí)驗(yàn)，并且離心機(jī)試驗(yàn)成本高昂，土樣配置的難度很大。為此，考慮研制一套1∶100的自升式鉆井平臺(tái)全平臺(tái)的踩腳印模型試驗(yàn)系統(tǒng)，用于模擬自升式鉆井平臺(tái)踩腳印的過(guò)程，測(cè)量三個(gè)樁腿上的受力和平臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度。應(yīng)用該試驗(yàn)系統(tǒng)研究腳印的直徑大小對(duì)于結(jié)果的影響，驗(yàn)證該試驗(yàn)系統(tǒng)的有效性。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在1g條件下進(jìn)行，系統(tǒng)主要由土池、支撐裝置、加載裝置、測(cè)量系統(tǒng)和物理模型等設(shè)備組成，具體試驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 自升式平臺(tái)踩腳印試驗(yàn)系統(tǒng)

土池的尺寸為1.6 m×1.6 m×1 m。土池四周和上部有用于固定和支撐加載系統(tǒng)的支撐架，伺服液壓油缸安裝在位于土池上方支撐架的橫梁上，最大承載力為30 kN，允許以恒定的速率進(jìn)行加載。該試驗(yàn)系統(tǒng)可以模擬自升式平臺(tái)海上插樁作業(yè)，以及拔樁的全過(guò)程。如圖2所示，使用活動(dòng)的球鉸來(lái)連接平臺(tái)模型和加載油缸，因此整個(gè)平臺(tái)可以在踩腳印過(guò)程中傾斜旋轉(zhuǎn)，增加了整個(gè)平臺(tái)的自由度，使平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)更加符合實(shí)際情況。角度傳感器安裝在平臺(tái)模型的船體板上，可以實(shí)時(shí)測(cè)量踩腳印過(guò)程中平臺(tái)的傾斜角度。

圖2 活動(dòng)球鉸連接裝置

1.2 試驗(yàn)平臺(tái)模型

試驗(yàn)使用的自升式平臺(tái)模型根據(jù)CJ50型自升式平臺(tái)進(jìn)行縮比設(shè)計(jì)，比例尺為1∶100。自升式平臺(tái)上部的船體簡(jiǎn)化為一塊厚度為50 mm的等邊三角形鐵板。自升式平臺(tái)桁架結(jié)構(gòu)的樁腿簡(jiǎn)化為薄壁圓筒，樁腿采用鋁合金制作。根據(jù)縮比模型的相似性關(guān)系，模型樁腿與原平臺(tái)具有相同的抗彎剛度。三根樁腿與船體完全固定連接，模型的具體尺寸見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型設(shè)計(jì)的詳細(xì)參數(shù)

如圖3所示，每條樁腿上布置了三組應(yīng)變片來(lái)測(cè)量樁腿不同位置處的彎矩。

圖3 樁腿上應(yīng)變片布置示意

研究對(duì)象CJ50型平臺(tái)樁靴形狀為長(zhǎng)方形，這種新式樁靴具有更大的面積，可以獲得更大的土體承載力，能夠更好地適應(yīng)我國(guó)南海軟黏土的地層情況。根據(jù)縮尺比例，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆堆サ某叽鐬?25 mm×180 mm×50 mm，將樁靴底部簡(jiǎn)化為平底，忽略原型樁靴底部很小的傾角。樁靴安裝在樁腿底部，與樁腿完全固定。

1.3 試驗(yàn)土樣配置

采用超固結(jié)飽和黏土，土層表面用一層自由水模擬實(shí)際情況中的地質(zhì)情況。為保證配土結(jié)果的準(zhǔn)確性，首先將試驗(yàn)所用高嶺土進(jìn)行粉碎、曬干、加水，在含水率為120%情況下進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁侄啻闻渲?，每次配置土層厚度?00 mm。泥漿在土池內(nèi)靜置超過(guò)24 h，然后在泥漿上逐級(jí)加壓進(jìn)行排水固結(jié)，最后壓力達(dá)到80 kPa。如果連續(xù)8 h后土體高度沒(méi)有發(fā)生變化，則表明土體配置完成。試驗(yàn)黏土具體性質(zhì)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)黏土主要參數(shù)

在試驗(yàn)開(kāi)始前，使用十字板剪切儀測(cè)量黏土的不排水抗剪強(qiáng)度。土層表面的不排水抗剪強(qiáng)度為10 kPa，并且隨著深度增加，抗剪強(qiáng)度也不斷增大。土樣的不排水抗剪強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 試驗(yàn)土樣不排水抗剪強(qiáng)度變化

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)主要研究腳印直徑大小對(duì)自升式平臺(tái)踩腳印的影響。

2.1 試驗(yàn)步驟

結(jié)合實(shí)際，腳印的直徑設(shè)置為18 cm，腳印中心距離樁靴中心的距離為22 cm，腳印深度為12 cm。為方便說(shuō)明，位于自升式平臺(tái)船首的樁腿記作1號(hào)樁腿，船尾的兩個(gè)樁腿記作2號(hào)和3號(hào)樁腿。腳印位于1號(hào)樁腿的外側(cè)，見(jiàn)圖5。

圖5 試驗(yàn)工況示意

試驗(yàn)首先將樁腿插入土層內(nèi)至目標(biāo)深度，然后立刻拔出，完成腳印的制作。隨后以恒定的速度將平臺(tái)模型插入土層內(nèi)直至20 cm。為了研究自升式平臺(tái)踩腳印過(guò)程中三根樁腿上的受力情況，每根樁腿上均布置了三組應(yīng)變片。受到腳印的影響，樁腿上會(huì)產(chǎn)生彎矩以及水平力。將朝向腳印中心方向的水平力記為正水平力，使得平臺(tái)朝遠(yuǎn)離腳印方向轉(zhuǎn)動(dòng)的彎矩記為正向彎矩。

2.2 樁腿上彎矩結(jié)果

自升式平臺(tái)模型踩腳印情況下每條樁腿上的彎矩見(jiàn)圖6。

圖6 樁腿彎矩

圖6a)，當(dāng)樁腿開(kāi)始插入土層時(shí)，1號(hào)樁腿底部的彎矩迅速增大，在約4 cm處取到最大值。這是因?yàn)槟_印的存在使得樁靴兩側(cè)土體流動(dòng)模式不對(duì)稱(chēng)，靠近腳印一側(cè)的土體主要是朝向腳印內(nèi)水平運(yùn)動(dòng)，而樁靴另一側(cè)的土體則是回流運(yùn)動(dòng)。這種非對(duì)稱(chēng)的流動(dòng)模式在樁靴底部產(chǎn)生偏心的豎向承載力，使得樁靴朝著遠(yuǎn)離腳印的方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并在樁腿上產(chǎn)生了彎矩。隨著插樁深度增加，直至超過(guò)腳印深度時(shí)，腳印產(chǎn)生的影響越來(lái)越小，樁靴兩側(cè)土體的流動(dòng)模式基本一致，不再產(chǎn)生偏心的豎向承載力，因此樁腿底部的彎矩逐漸減小，并且接近于0。樁腿在入泥后，因?yàn)闃堆蓚?cè)土體不對(duì)稱(chēng)，在插樁過(guò)程中產(chǎn)生水平力。水平力在樁腿上產(chǎn)生的彎矩與樁靴底部偏心承載力產(chǎn)生的彎矩方向相反，因此1號(hào)樁腿頂部的彎矩與底部的彎矩相反。樁腿頂部的彎矩在入泥后負(fù)向快速增長(zhǎng)，最大彎矩(-38 N·m)大于底部的最大彎矩(24 N·m)。隨后隨著入泥深度增加，彎矩逐漸變?yōu)檎颉?/p>

由于整個(gè)平臺(tái)關(guān)于腳印對(duì)稱(chēng)，因此2號(hào)和3號(hào)樁腿上的彎矩基本一致。由于2號(hào)腿和3號(hào)腿并未踩坑，樁靴兩側(cè)土體流動(dòng)模式一致，樁腿上的彎矩主要由平臺(tái)傾斜引起，因此樁腿上彎矩分布較為規(guī)律，樁腿上不同位置處的彎矩變化幾乎一致。樁腿上的彎矩均為負(fù)值，與1號(hào)樁腿底部的彎矩相反，這表明2號(hào)腿和3號(hào)腿彎曲的方向與踩坑的1號(hào)腿相反。隨著入泥深度增加，彎矩快速增大，在約4 cm處取到最大值，隨后彎矩隨入泥深度增加逐漸減小。樁腿頂部的彎矩最大，而底部的彎矩最小。

2.3 樁腿上水平力結(jié)果

樁腿上水平力的主要來(lái)源是樁靴兩側(cè)土體的差異，產(chǎn)生的側(cè)向壓力。踩腳印過(guò)程中樁腿上水平力的變化見(jiàn)圖7。可以看出在平臺(tái)樁腿開(kāi)始入泥后水平力迅速增大，3條樁腿上的水平力均為正值，表明平臺(tái)整體有向腳印內(nèi)滑動(dòng)的趨勢(shì)。隨著插樁深度增加，腳印的影響逐漸減小，樁腿上的水平力也逐漸減小。2號(hào)樁腿與3號(hào)樁腿的水平力變化基本一致，而1號(hào)樁腿在插樁10 cm之后，樁腿上的水平力持續(xù)反向增加。

圖7 水平力變化

2.4 平臺(tái)傾斜結(jié)果

試驗(yàn)系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)之一是給平臺(tái)模型更多的自由度，允許平臺(tái)在踩腳印過(guò)程中發(fā)生傾斜,平臺(tái)傾斜角度變化見(jiàn)圖8。

圖8 平臺(tái)傾斜角度變化

由圖8可見(jiàn)，平臺(tái)在入泥后發(fā)生了快速的傾斜，與樁腿上彎矩以及水平力的變化規(guī)律相似。隨后，傾斜角度均勻增大，但增大的速度變慢。最后平臺(tái)朝腳印內(nèi)的傾斜角度約為0.75°，表明該工況下腳印對(duì)平臺(tái)的影響有限，并沒(méi)有造成平臺(tái)嚴(yán)重傾斜。

3 結(jié)論

1)對(duì)于靠近腳印，即船首的樁腿，樁腿底部受到偏心豎向承載力的作用，朝著遠(yuǎn)離腳印的方向旋轉(zhuǎn)，樁腿頂部的彎矩方向與底部相反。

2)對(duì)于船尾的兩條樁腿，平臺(tái)關(guān)于腳印對(duì)稱(chēng)，因此這兩條樁腿上的彎矩幾乎一致。整條樁腿上彎矩方向相同，且樁腿頂部的彎矩大于底部的彎矩。

3)樁腿上水平力表明平臺(tái)有向腳印中心滑動(dòng)的趨勢(shì)。

4)平臺(tái)最終的傾斜角度為0.75°，表明該工況下腳印對(duì)平臺(tái)的影響有限。

典型工況條件下的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該試驗(yàn)系統(tǒng)的有效性。未來(lái)考慮腳印幾何條件、腳印-樁靴距離、腳印數(shù)量等條件，對(duì)自升式平臺(tái)踩腳印的問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)研究。