陳大江，陳洪飛，李東偉，黃華杰

(1.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；3.杭州定川信息技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310016；4.浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

0 引 言

目前我國(guó)主要的海洋能源開發(fā)正由近海大陸架區(qū)域向遠(yuǎn)海區(qū)域發(fā)展，因此海洋工程作業(yè)也需要在近海甚至遠(yuǎn)海中進(jìn)行，而自升式海洋平臺(tái)是海上海上風(fēng)電項(xiàng)目開發(fā)和海上油氣勘探不可缺少的作業(yè)平臺(tái)[1]。僅在我國(guó)，自升式海洋平臺(tái)就占移動(dòng)式鉆井裝置的70%以上[2]。平臺(tái)工作時(shí)，主要承受自重荷載以及上覆荷載，通過樁腿傳遞至地基。當(dāng)荷載超過地基承載力時(shí)，地基發(fā)生變形甚至破壞，而發(fā)生樁腿傾斜、刺穿、滑移等事故。因此，地基承載力的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)于平臺(tái)安全作業(yè)非常重要[3-5]。經(jīng)典的地基承載力計(jì)算公式為自升式海洋平臺(tái)地基承載力的計(jì)算提供了理論指導(dǎo)。Prandtl提出了利用塑性力學(xué)針對(duì)無(wú)埋深的條形基礎(chǔ)得到極限承載力的理論解[6]；Terzaghi和Peck提出了考慮基礎(chǔ)下土自重的極限承載力公式[7]；Skempton提出了飽和軟粘土地基極限承載力公式[8]；Hansen通過對(duì)荷載傾斜系數(shù)、基礎(chǔ)形狀系數(shù)以及深度系數(shù)等的討論，提出了在中心傾斜荷載作用下，不同基礎(chǔ)形狀及不同埋深時(shí)的極限承載力計(jì)算公式，對(duì)承載力計(jì)算公式做了進(jìn)一步改進(jìn)[9]；Young和Focht由應(yīng)力擴(kuò)散原理發(fā)展了3∶1載荷擴(kuò)散分析法，對(duì)平臺(tái)樁靴插樁的刺穿進(jìn)行分析，該方法對(duì)我國(guó)自升式平臺(tái)使用最廣的渤海海域插樁分析非常有效[10]。目前，國(guó)內(nèi)外廣泛采用《海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范》[11]和SNAME規(guī)范法[12]計(jì)算樁靴式基礎(chǔ)地基的承載力。

本文以舟山某海域自升式海洋平臺(tái)為研究對(duì)象，采用不同的地基承載力理論模型，計(jì)算平臺(tái)樁腿地基承載力，并進(jìn)行對(duì)比分析研究，以確定平臺(tái)樁腿的安全插樁深度，同時(shí)開展了土體參數(shù)對(duì)地基承載力的敏感度分析，并計(jì)算敏感度系數(shù)以量化參數(shù)對(duì)地基承載力的影響程度。

1 工程概況

3號(hào)舾裝碼頭工程海工平臺(tái)位于舟山群島中部，蓬萊仙島岱山小長(zhǎng)涂島西側(cè)，岱山水道東岸。該自升式平臺(tái)與碼頭間距為8 m；樁靴與碼頭邊緣間距為2.2 m，主船體與3號(hào)舾裝碼頭平行，由4根樁(ZK101、ZK102、ZK103、ZK104)支撐主平臺(tái)，該自升式平臺(tái)總質(zhì)量7 860.96 t，由4根樁支撐，樁身為長(zhǎng)90 m的圓柱，直徑為3.3 m，底部是方形樁靴，底面為邊長(zhǎng)11.7 m的正方形，樁高1.5 m，平臺(tái)立體模型見圖1。

圖1 某自升式平臺(tái)模型示意

現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)得到的ZK101與ZK102測(cè)點(diǎn)之間的工程地質(zhì)剖面如圖2所示。ZK101樁腿下方可探測(cè)區(qū)域土層一共有4層：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、角礫、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、黏土，其厚度分別為2.5、2.8、7.9、8.8 m，場(chǎng)地各主要巖土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 工程地質(zhì)剖面

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 地基承載力理論模型

2.1 《海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范》法

目前國(guó)內(nèi)計(jì)算海洋平臺(tái)地基承載力主要依據(jù)《海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范》[11]，其計(jì)算公式如下：

Q=qnA+γV

(1)

qn=0.3γBNγ+γD(Nq-1)

(2)

(3)

Nγ=2(Nq+1)tanφ

(4)

式中，Q為基礎(chǔ)入泥深度范圍內(nèi)的總極限承載力，kN；D為插樁深度，m；qn為單位極限承壓力，kPa；A為樁靴式基礎(chǔ)的最大水平截面積，m2；γ為樁靴式基礎(chǔ)排出土的有效重度，kN/m3；V為樁靴式基礎(chǔ)排出土的體積，m3；B為樁靴長(zhǎng)度，m；Nγ、Nq為承載力系數(shù)，無(wú)量綱；φ為摩擦角，°。

2.2 SNAME規(guī)范法

國(guó)際上應(yīng)用比較廣泛的是美國(guó)艦船工程師協(xié)會(huì)《SNAME Recommended Practice for Site Specific Assessment of Mobile Jack-up Units》中的計(jì)算公式[12]，即

Fvi=(NcSuiscdc+p′0)A

(5)

(6)

(7)

p′0=γD

(8)

式中，F(xiàn)vi為樁靴基礎(chǔ)極限垂向承載能力，kPa；Nc為承載能力系數(shù)，取5.14；Nq為承載力系數(shù)，同《海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范》，無(wú)量綱；Sui為基礎(chǔ)底面以下B/2深度內(nèi)的平均不排水抗剪強(qiáng)度，kPa；dc為承載力深度因子，無(wú)量綱；sc為形狀系數(shù)，無(wú)量綱；p′0為有效過載壓力，kPa；γ為樁靴式基礎(chǔ)排出土的重度，kN/m3；B為樁靴長(zhǎng)度，m。

2.3 Terzaghi公式

針對(duì)方形基礎(chǔ)完全摩擦的情況，Terzaghi提出的整體剪切破壞的地基極限承載力計(jì)算公式為

Pu=1.2cNc+qNq+0.4γBNγ

(9)

式中，Pu為樁靴基礎(chǔ)極限垂向承載能力，kPa；Nc、Nq、Nγ為承載能力系數(shù)，無(wú)量綱；c為黏聚力，kPa；q為基底土自重應(yīng)力，kPa。

2.4 Hansen公式

Hansen在彈性力學(xué)極限分析法的基礎(chǔ)上，加入了一些修正系數(shù)，得到了計(jì)算地基承載力的公式為

(10)

(11)

Nc=(Nq-1)cotφ

(12)

Nγ=2(Nq+1)tanφ

(13)

式中，Nc、Nq、Nγ為承載能力系數(shù)，無(wú)量綱；c為黏聚力，kPa；φ為摩擦角；q為基底土自重應(yīng)力，kPa；Sc=1+Nq/Nc、Sq=1+tanφ、Sγ=0.6為基礎(chǔ)形狀修正系數(shù)，無(wú)量綱；dc=1+0.4D/B、dq=1+2tanφ(1-sinφ)2D/B、dγ=1.0為深度系數(shù)，無(wú)量綱；ic、iq、iγ為與荷載傾斜角有關(guān)的傾斜系數(shù)，中心豎直荷載取1，無(wú)量綱。

3 地基承載力計(jì)算結(jié)果

分別采用《海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范》法、SNAME規(guī)范法、Terzaghi公式法、Hansen公式法，對(duì)海洋平臺(tái)ZK101樁腿進(jìn)行地基承載力分析，計(jì)算結(jié)果如圖3；由于第2層角礫層缺乏理論計(jì)算依據(jù)，計(jì)算結(jié)果空置。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：4條地基承載力曲線隨樁腿入泥深度的整體變化趨勢(shì)較為相似，其中《海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范》與SNAME規(guī)范所得承載力相對(duì)比較保守，Terzaghi公式以及Hansen公式所得承載力偏大?！逗Ｉ瞎潭ㄆ脚_(tái)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的推薦作法》[13]中6.13.4推薦海洋平臺(tái)樁基承載力破壞的安全系數(shù)取2，而單樁腿設(shè)計(jì)極限荷載為23 000 t，因此根據(jù)《海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范》、SNAME規(guī)范、Terzaghi公式、Hansen公式所得的插樁深度分別為14、14、10、8 m。

圖3 平臺(tái)地基承載力理論計(jì)算結(jié)果

4 地基承載力參數(shù)敏感性分析

分析上述地基承載力理論公式，可知影響地基承載力的因素主要有土體黏聚力、摩擦角、重度、基礎(chǔ)形狀等。由于基礎(chǔ)行狀容易準(zhǔn)確測(cè)量，而土體物理力學(xué)參數(shù)具有不確定性，因此開展土體的黏聚力、摩擦角以及重度對(duì)地基承載力的影響研究。將理論公式中的各項(xiàng)土體參數(shù)作為自變量，將理論公式計(jì)算得到的地基承載力作為因變量進(jìn)行敏感性分析。以Terzaghi公式以及Hansen公式為研究對(duì)象。計(jì)算時(shí)采用黏聚力c=10 kPa，摩擦角φ=5°，重度γ=15 kN/m3(有效重度為γd=5 kN/m3)作為系統(tǒng)的基準(zhǔn)狀態(tài)，仍以金自升式平臺(tái)ZK101為計(jì)算模型進(jìn)行單土層計(jì)算，插樁深度為5 m。

由于影響參數(shù)自變量的單位不同，物理意義不同，為了比較三者對(duì)地基承載力的影響，進(jìn)行了自變量和因變量的相對(duì)變化分析。自變量(黏聚力、摩擦角)的絕對(duì)變化引起地基承載力的絕對(duì)變化的分析，見圖4。隨著相對(duì)黏聚力、相對(duì)摩擦角以及相對(duì)重度的增加，相對(duì)地基承載力均增加。對(duì)于相對(duì)黏聚力，Terzaghi公式以及Hansen公式中相對(duì)地基承載力-相對(duì)黏聚力的變化斜率分別為0.53、0.64；對(duì)于摩擦角，Terzaghi公式以及Hansen公式中相對(duì)摩擦角引起的相對(duì)地基承載力的變化呈現(xiàn)明顯的非線性，當(dāng)相對(duì)摩擦角小于6°時(shí)，相對(duì)摩擦角引起的相對(duì)地基承載力的變化較小，當(dāng)相對(duì)摩擦角大于6°時(shí)，相對(duì)摩擦角引起的相對(duì)地基承載力的變化明顯增大，計(jì)算范圍內(nèi)最大斜率分別為45.49、23.28。

圖4 地基承載力敏感度分析結(jié)果

此外，由于地質(zhì)資料中黏聚力和摩擦角實(shí)測(cè)值較為離散，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。上述敏感度分析中地基承載力計(jì)算時(shí)采用了各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)值，考慮到測(cè)量誤差，以及摩擦角對(duì)地基承載力的影響較大，故對(duì)摩擦角的取值擴(kuò)大到最大值和最小值，再分別用4種理論公式計(jì)算地基承載力范圍，得到的承載力范圍-深度曲線，如圖5所示?！逗Ｑ缶畧?chǎng)調(diào)查規(guī)范》計(jì)算所得最大承載力約比標(biāo)準(zhǔn)值大27%，最小承載力約比標(biāo)準(zhǔn)值小7%；SNAME規(guī)范計(jì)算所得最大承載力約比標(biāo)準(zhǔn)值大7%，最小承載力約比標(biāo)準(zhǔn)值小2%；Terzaghi公式計(jì)算所得最大承載力約比標(biāo)準(zhǔn)值大21%，最小承載力約比標(biāo)準(zhǔn)值小6%；Hansen公式計(jì)算所得最大承載力約比標(biāo)準(zhǔn)值大23%，最小承載力約比標(biāo)準(zhǔn)值小6%。因此，對(duì)于該計(jì)算案例，理論公式中擴(kuò)大摩擦角的計(jì)算范圍對(duì)插樁深度最多有27%的影響。此外，相比于其他3種計(jì)算方法，SNAME規(guī)范計(jì)算結(jié)果相對(duì)保守，插樁深度為14 m，而且土體參數(shù)對(duì)其地基承載力的影響不敏感，故推薦采用SNAME規(guī)范計(jì)算地基承載力。

圖5 地基承載力范圍-深度曲線

5 結(jié) 論

本文以舟山某自升式海洋平臺(tái)為研究對(duì)象，采用不同的理論計(jì)算的模型對(duì)平臺(tái)插樁作業(yè)的地基承載力進(jìn)行了對(duì)比分析研究，主要結(jié)論如下：

(1)《海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范》與SNAME規(guī)范所得承載力相對(duì)比較保守，Terzaghi公式以及Hansen公式所得承載力偏大?！逗Ｑ缶畧?chǎng)調(diào)查規(guī)范》、SNAME規(guī)范、Terzaghi公式、Hansen公式計(jì)算所得的插樁深度分別為14、14、10、8 m。

(2)隨著相對(duì)黏聚力、相對(duì)摩擦角以及相對(duì)重度的增加，相對(duì)地基承載力均增加。但是，摩擦角對(duì)于地基承載力的影響最大，黏聚力、重度的影響相對(duì)較小。

(3)《海洋井場(chǎng)調(diào)查規(guī)范》、SNAME規(guī)范、Terzaghi公式和Hansen公式計(jì)算所得最大承載力分別比標(biāo)準(zhǔn)值大27%、7%、21%和23%，表明對(duì)于該計(jì)算案例，理論公式中擴(kuò)大摩擦角的計(jì)算范圍對(duì)插樁深度最多有27%的影響。

(4)相比于其他3種計(jì)算方法，SNAME規(guī)范計(jì)算結(jié)果相對(duì)保守，插樁深度為14 m，而且土體參數(shù)對(duì)其地基承載力的影響不敏感，故推薦采用SNAME規(guī)范計(jì)算平臺(tái)的地基承載力。