施覽玲，和鵬飛，宋峙潮

（1.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200335；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 300452）

自升式鉆井平臺是我國海洋油氣勘探開發(fā)中廣泛應(yīng)用的平臺，主要由船體、升降裝置、樁腿組成，分為座底式、樁腿式、樁靴式等多種類型，目前以樁靴式為主［1-3］。隨著東海西湖地區(qū)勘探開發(fā)的不斷發(fā)展，探井和開發(fā)井?dāng)?shù)量逐年上升，自升式鉆井平臺的作業(yè)量也隨之增加。因受臺風(fēng)影響及在同一地點(diǎn)多次作業(yè)的原因，自升式鉆井平臺不可避免地會在上一次作業(yè)位置附近重復(fù)作業(yè)［4］。而自升式平臺進(jìn)行重復(fù)就位時(shí)，由于初次就位對海底土造成了擾動，“老腳印”的存在極易引起樁靴滑移現(xiàn)象［5］，導(dǎo)致升降裝置和樁腿受損，嚴(yán)重影響平臺樁腿結(jié)構(gòu)安全，甚至造成惡劣的工程事故［6-7］。同時(shí)平臺滑移可能造成就位后懸臂梁覆蓋能力下降，無法滿足鉆井作業(yè)需求。

1 海底土體破壞形式

平臺重復(fù)就位時(shí)樁靴往往無法與“老腳印”完全重合，大多數(shù)屬于部分重合狀態(tài)，此時(shí)，樁靴底部土體部分為原狀土，部分為擾動土，兩種土體物理、力學(xué)性質(zhì)（如粘聚力、內(nèi)摩擦角、抗剪強(qiáng)度等）存在較大差異。樁靴對不同強(qiáng)度土體的破壞形式不同［8］，導(dǎo)致樁靴在水平方向的合力不為零［9］，無法保持平衡。

土體的破壞形式主要有整體剪切破壞、局部剪切破壞和沖切破壞3種（如圖1所示）。影響土體破壞形式的因素很多，包括地基土性質(zhì)、樁基礎(chǔ)形狀、埋深、外載荷加載速度等，其中土的壓縮性影響最大。一般認(rèn)為壓縮性較小的土體易發(fā)生整體剪切破壞，如密實(shí)的砂土、粘土，而壓縮性大的土體易出現(xiàn)局部剪切破壞或沖切破壞，如疏松的砂土、軟粘土。

圖1 土體的破壞形式Fig.1 Failure mode of soil mass

自升式鉆井平臺就位插樁過程中，樁靴埋深較淺、荷載緩慢施加，土體在荷載作用下經(jīng)過彈性壓縮后出現(xiàn)塑性破壞，進(jìn)而形成連續(xù)貫通的塑性區(qū)直到土體完全剪切破壞［10-11］。

利用魏錫克判斷方法［12］，根據(jù)土的壓縮性能分為兩類，通過土的剛度指標(biāo)Ir與臨界剛度指標(biāo)Ir（cr）的比較判斷其破壞形式。

式中：G——剪切模量，kPa；E——變形模量，kPa；ν——泊松比；c——粘聚力，kPa；φ——內(nèi)摩擦角，（°）；q0——常用基礎(chǔ)以下B/2（B為基礎(chǔ)寬度）處的上覆土重，kPa；L——基礎(chǔ)長度，m。

（1）Ir＞Ir(cr)時(shí)，認(rèn)為土體屬于相對不可壓縮類型，地基破壞類型為整體剪切破壞。

（2）Ir＜Ir(cr)時(shí)，認(rèn)為土體屬于相對可壓縮類型，地基破壞形式可能是局部剪切破壞或沖切破壞。

2 樁靴水平力計(jì)算模型

自升式鉆井平臺在重復(fù)就位插樁過程中，土體受樁靴的作用發(fā)生連續(xù)塑性破壞，但由于樁靴兩側(cè)的土體差異較大，在樁靴底接觸面提供了不同的承載力，形成了偏心力作用（軸向力與水平力），使得土體的整個破壞過程非常復(fù)雜。其中水平方向載荷主要由樁靴底部極限承載力的分量提供，因此要研究樁靴滑移現(xiàn)象，確定土體破壞過程，首先必須計(jì)算極限承載力，進(jìn)而根據(jù)力學(xué)平衡條件分析樁靴水平力。

2.1 地基極限承載力

根據(jù)樁靴的尺寸、形狀、埋深以及海底土的物理、力學(xué)性質(zhì)參數(shù)，同時(shí)考慮樁靴上部土體回填情況計(jì)算某一深度的地基承載力。主要包括以下幾種方法。

（1）對于飽和軟粘土地層，一般采用Skempton公式［13］：

式中：q0——樁腳尖的單位面積極限承載力，kPa；Nc——承載力系數(shù)，它是基礎(chǔ)埋深和基礎(chǔ)尺寸的函數(shù)；Cu——計(jì)算斷面下B/2范圍內(nèi)土壤的平均不排水抗剪強(qiáng)度，kPa；γ′——樁靴排開土的浮容重，kN/m3；V——樁靴排開土的體積，m3；A——計(jì)算斷面的面積，m2。

若為圓形基礎(chǔ)則：

式中：D——計(jì)算斷面至海底泥面的深度，m；B——樁靴計(jì)算斷面的寬度（圓形為直徑），m；L——若為方形時(shí)是基礎(chǔ)長度，m。

使用范圍為D/B＜2.5。若樁靴計(jì)算斷面下（2/3）D內(nèi)的土壤抗剪強(qiáng)度變化達(dá)±50%時(shí)，此式不適用，而可作為成層土來考慮。

（2）對于砂土層，一般使用Terzaghi和Peck公式計(jì)算：

式中：Nr、Nq——承載力系數(shù)，為φ的函數(shù)；γ′1——樁靴計(jì)算斷面下B/2范圍內(nèi)的平均浮容重，kN/m3；γ′2——樁靴計(jì)算斷面以上至海底泥面之間平均浮容重，kN/m3。

（3）對于成層土，樁靴在下有軟弱粘土層的硬粘土層中，或下有粘土層的砂土層的成層土中時(shí)，可用以下方法進(jìn)行計(jì)算。

①YOUNG等提出的3∶1荷載擴(kuò)展分析法［14］，地基承載力為：

式中：Ap′——等效基礎(chǔ)面積，A′p=Ap(1+2H3B)2，m2；B′——等效基礎(chǔ)直徑，B′=B+（2/3）H，m；B——實(shí)際基礎(chǔ)直徑，m；D′——等效基礎(chǔ)深度，D′=D+H，m；D——實(shí)際基礎(chǔ)深度，m；Ap——實(shí)際基礎(chǔ)面積，m2；H——實(shí)際基礎(chǔ)面之下硬土層的厚度，m；q0(硬層)——假設(shè)硬土層無限厚時(shí)的承載力，kPa。

②上層為硬粘土層而下層為軟粘土層時(shí)可用BROWN等提出的計(jì)算公式：

式中：CUT——硬粘土層不排水抗剪強(qiáng)度，kPa；CUB——軟粘土層不排水抗剪強(qiáng)度，kPa。

③上層為砂土層，下層為軟弱粘土層時(shí)，當(dāng)B≥3.45T（1+1.1D/B）時(shí)，對于完全回填土的情況，土層的極限承載力為［15］：

式中：a、b——擠壓系數(shù)，一般取a=5，b=0.33。

2.2 滑移線有限差分法

土體的滑移線是指土體受樁靴作用達(dá)到塑性狀態(tài)時(shí)，每一點(diǎn)都存在2個剪切破壞面，連續(xù)地連接各點(diǎn)的剪切破壞面而得到的二族曲線。根據(jù)極限平衡理論［16］假定平臺重復(fù)就位時(shí)滑移線形狀，分析樁靴與“老腳印”重合1/2的特殊情況，此時(shí)樁靴所受水平力最大。

2.2.1 “老腳印”完全回填情況

樁靴下入過程中，一側(cè)是海流作用下回填在“老腳印”中的擾動土，強(qiáng)度較低，一側(cè)是基本處于天然狀態(tài)的原狀土，強(qiáng)度較高，如圖2所示。根據(jù)極限平衡理論分析，樁靴下入過程中會在底部形成主動區(qū)（Ⅰ區(qū)）、過渡區(qū)（Ⅱ區(qū)）和被動區(qū)（Ⅲ區(qū)），使原狀土和擾動土發(fā)生剪切破壞，但由于原狀土對樁靴底部的極限載荷貢獻(xiàn)較大，且存在被動土壓力，使得樁靴在水平方向上無法達(dá)到平衡，隨著樁靴深度的增加，在水平力的作用下擾動土的塑性區(qū)域不斷擴(kuò)大，直到樁靴達(dá)到臨界承載力不再下沉為止。

圖2 回填情況下土體滑移面Fig.2 Slide plane of soil mass with backfill

2.2.2“老腳印”未回填情況

如圖3所示，當(dāng)海底為硬土層時(shí)“老腳印”不易回填，或者重復(fù)就位相隔時(shí)間很短來不及回填，都會導(dǎo)致平臺重復(fù)就位時(shí)樁靴與“老腳印”重合的情況下，一側(cè)懸空，一側(cè)是原狀土，樁靴受到原狀土的極限承載力以及被動土壓力在水平方向上的作用，導(dǎo)致樁靴向“老腳印”中滑移，甚至引起樁靴突然下沉、平臺傾斜等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)樁腿可能變形過大而發(fā)生屈服破壞。

圖3 無回填情況下土體滑移線Fig.3 Slide line of soil mass without backfill

根據(jù)極限平衡條件建立的方程組可以得到地基的滑移線場（特征線），但一般很難求解出通解表達(dá)式，常采用有限差分法近似計(jì)算，從而確定土體的滑移線形狀以及極限平衡狀態(tài)。如圖3中以樁靴底邊兩端為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸，垂直向下為y軸正方向，假設(shè)節(jié)點(diǎn)（i，j）是通過1點(diǎn)、2點(diǎn)的兩族滑移線的交點(diǎn)。已知1點(diǎn)x1，y1，σ1，θ1，2點(diǎn)的x2，y2，σ2，θ2，為近似求取節(jié)點(diǎn)（i，j）的x，y，σ，θ，分別以x-x1，y-y1，σ-σ1，θ-θ1和x-x2，y-y2，σ-σ2，θ-θ2代替dx，dy，dσ，dθ，代入滑移線微分方程：

應(yīng)力沿滑移線的微分方程：

為求σ、θ的表達(dá)式，聯(lián)立以上方程，令：

求解得：

根據(jù)樁靴底部土體的破壞形式、邊界條件及有限差分法計(jì)算原理，從已知邊界計(jì)算相鄰邊界，直到得出整個塑性變形區(qū)的極限載荷。

3 H9平臺重復(fù)就位分析

3.1 H9平臺樁靴力學(xué)特性分析

本文以H9平臺的樁靴為例，如圖4所示。H9自升式移動鉆井平臺主船體為三角形，在站立狀態(tài)下由三條三角形桁架式樁腿支撐，每條樁腿的底部設(shè)有樁靴提供支撐，樁靴最大截面面積為254.34 m2，樁靴直徑為17.985 m，樁靴高度5.945 m，體積660 m3，樁靴尖高1.17 m。平臺單樁最大預(yù)壓載量為112.2 MN。樁靴受力分析如圖5所示。

圖4 H9樁靴示意Fig.4 Pile shoe of H9 platform

圖5 樁靴受力示意Fig.5 Stress of the pile shoe

3.2 極限承載能力與滑移力計(jì)算

對H9平臺插樁海域海底淺層土進(jìn)行取樣分析，土體特征為：變形模量E=2450 kPa，泊松比ν=0.48，粘聚力c=10 kPa，內(nèi)摩擦角φ=20°，樁靴B/L=1。根據(jù)魏錫克土體壓縮性對比公式可知，Ir＞Ir(cr)，插樁海域海底土體屬于砂土層，相對不可壓縮，插樁過程中會發(fā)生整體剪切破壞。

根據(jù)樁靴水平力計(jì)算模型可知，在內(nèi)摩擦角φ=20°的砂土層中，隨著插樁入泥深度的增加，地基極限承載能力與滑移力的關(guān)系如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，目標(biāo)區(qū)塊海底砂土層內(nèi)摩擦角φ=20°時(shí)，地基極限承載力略大于樁靴在水平方向收到的滑移力，在考慮插樁安全系數(shù)的前提下，在該區(qū)塊重復(fù)就位插樁時(shí)，可能會發(fā)生樁靴滑移現(xiàn)象，影響平臺精就位，無法覆蓋全部作業(yè)槽口。但不會由于樁靴向“老腳印”滑移，導(dǎo)致樁腿彎曲變形，超過樁腿承載極限發(fā)生屈服破壞。

圖6 砂土層中樁靴滑移分析Fig.6 Slide analysis of the pile shoe in sandy soil

3.3 現(xiàn)場重復(fù)就位措施

H9平臺重新就位C導(dǎo)管架平臺，在第一次試踩中，樁腿點(diǎn)樁后出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，偏離了設(shè)計(jì)的樁腳圖，接近回到“老腳印”，但未能覆蓋到所需要的槽口。之后通過試壓載糾偏來完成對井位的覆蓋，但未成功，決定拔樁重新進(jìn)行精就位。采取平臺三樁腿方位不變，距離向后移2.25 m，當(dāng)精就位到該位置時(shí)，升船后能夠完全覆蓋井位，但繼續(xù)插樁時(shí)，1號樁出現(xiàn)扭力較大、不能正常升船的現(xiàn)象，通過優(yōu)化壓載方案，井眼覆蓋滿足作業(yè)要求（能覆蓋全部15口井槽口），精就位作業(yè)完成，整個過程采取的措施如下。

3.3.1 插樁前后就位精度

H9平臺精就位作業(yè)后，平臺船體位置基本與原井位重合（此時(shí)，平臺位置較設(shè)計(jì)向東偏0.4 m，向南偏0.44 m），滿足設(shè)計(jì)要求。插樁升船并活動樁腿，釋放扭矩，升船至氣隙0.8 m后，平臺船體位置變化為：平臺位置較設(shè)計(jì)向西偏1.8 m，向南偏0.18 m。

3.3.2 試壓載糾偏

根據(jù)插樁后的情況，確定壓載方案為：（1）壓載2號樁，設(shè)計(jì)壓載8組，計(jì)劃對2號樁壓載3組（約2160 t），觀察；（2）壓載3號樁，設(shè)計(jì)壓載8組，計(jì)劃對3號樁壓載3組（約2160 t），觀察；（3）壓載1號樁，設(shè)計(jì)壓載8組，計(jì)劃對1號樁壓載3組（約1570 t），觀察。

若上述三樁壓載后，船體有向?qū)Ч芗芸拷内厔?，則繼續(xù)正常壓載；若未見船體向?qū)Ч芗芸拷内厔?，則活動樁腿，重新精就位，調(diào)整船體與導(dǎo)管架距離至合適位置后，再升船壓載。

2號樁壓載2160 t觀察后船體就位情況為：平臺位置較設(shè)計(jì)向西偏1.9 m，向南偏0.545 m?；顒悠渌麡锻?，釋放扭矩，調(diào)平，發(fā)現(xiàn)平臺位置有繼續(xù)向西擴(kuò)大的趨勢，然后降船，重新精就位。

3.3.3 重新就位情況

重新就位后船尾中心點(diǎn)距C導(dǎo)管架中心井槽14.5 m（設(shè)計(jì)為17.0 m），嘗試升船、活動各樁樁腿。在升船過程中，平臺位置有向西偏的趨勢，船尾中心點(diǎn)距C導(dǎo)管架中心井槽17.9 m（設(shè)計(jì)為17.0 m）。在升船出水面過程中，1號樁升樁電機(jī)負(fù)荷過重，無法繼續(xù)升船，同時(shí)平臺位置繼續(xù)向西移動，船尾中心點(diǎn)距C導(dǎo)管架中心井槽18.7 m，此時(shí)平臺位置較設(shè)計(jì)向西偏1.7 m，向南偏1.67 m。判斷1號樁發(fā)生了滑移，立即降船，活動1號樁，釋放扭矩。同時(shí)，分析平臺位置，判斷2、3號樁腿位置較好，檢查1號樁腿安全正常后，計(jì)劃通過活動樁腿，修整1號樁腿“老腳印”，再嘗試升船壓載。

3.3.4 活動樁腿，修整1號樁腿“老腳印”

分別上下活動1、2和3號樁，期間接沖樁管線對1號樁沖樁，同時(shí)上下活動，釋放扭矩，嘗試修整1號樁腿處“老腳印”，破壞“老腳印”處臺階。嘗試升船至氣隙1.5 m，成功后觀察3號樁，無變化。船尾中心點(diǎn)距C導(dǎo)管架中心井槽17.9 m，此時(shí)平臺位置較設(shè)計(jì)向西偏0.9 m，向北偏0.472 m。

3.3.5 預(yù)壓載作業(yè)

對1號樁預(yù)壓載3組，每組527 t，累計(jì)壓載1581 t，觀察船位，滿足覆蓋全部作業(yè)槽口，此時(shí)距C導(dǎo)管架中心井槽17.9 m。對2、3號樁預(yù)壓載，觀察船位，滿足覆蓋全部作業(yè)槽口，距C導(dǎo)管架中心井槽17.9 m。試升船10 m觀察，各樁扭矩正常。

3.3.6 壓載作業(yè)

1號樁單樁壓載，壓載8組，前7組每組壓載量527 t，第8組556 t，總壓載量4245 t，觀察船位，滿足覆蓋全部作業(yè)槽口。壓載結(jié)束各樁入泥深度：1號樁6.7 m，2號樁4.9 m，3號樁6.7 m。距C導(dǎo)管架中心井槽17.8 m，此時(shí)平臺位置較設(shè)計(jì)向西偏0.8 m，向北偏0.77 m。試升船5 m觀察，各樁扭矩正常，觀察船位，滿足覆蓋全部作業(yè)槽口，繼續(xù)壓載作業(yè)。距C導(dǎo)管架中心井槽18.3 m，此時(shí)平臺位置較設(shè)計(jì)向西偏1.3 m，向北偏0.668 m。3號樁單樁壓載，壓載8組，前7組 每 組 壓 載 量722 t，第8組755 t，總壓載量5809 t，觀察船位，滿足覆蓋全部作業(yè)槽口。壓載結(jié)束各樁入泥深度：1號樁6.7 m，2號樁4.9 m，3號樁6.7 m。距C導(dǎo)管架中心井槽18.6 m，此時(shí)平臺位置較設(shè)計(jì)向西偏1.6 m，向北偏0.539 m。2號樁單樁壓載，壓載8組，前7組每組壓載量722 t，第8組755 t，總壓載量5809 t，觀察船位，滿足覆蓋全部作業(yè)槽口。壓載結(jié)束各樁入泥深度：1號樁6.7 m，2號樁5.1 m，3號樁6.7 m。距C導(dǎo)管架中心井槽18.6 m，此時(shí)平臺位置較設(shè)計(jì)向西偏1.6 m，向北偏0.510 m。三樁壓載全部結(jié)束，調(diào)平船體，復(fù)測精就位數(shù)據(jù)，觀察船位，滿足覆蓋全部作業(yè)槽口。

3.3.7 總結(jié)

（1）H9平臺自C導(dǎo)管架撤離后留下的“老腳印”情況不明，第一次精就位嘗試的過程中，發(fā)現(xiàn)點(diǎn)樁升船，船體有向偏西方向滑移的趨勢，分析一方面是受“老腳印”影響，另一方面“老腳印”在偏東方向上比偏西方向海拔高。

（2）根據(jù)就位期間平臺向西滑移趨勢及滑移量，嘗試?yán)cC導(dǎo)管架的距離，留足樁腿滑移余量，在第二次精就位點(diǎn)樁升船后，平臺位置可以覆蓋所有15口井槽口。

3.4 重復(fù)就位安全控制

為實(shí)現(xiàn)自升式鉆井平臺高效準(zhǔn)確的重復(fù)就位，避免樁靴滑移造成的風(fēng)險(xiǎn)事故，必須制定相應(yīng)的安全控制措施。

（1）充分考慮海浪、海流對樁腿垂直度的影響，試插樁時(shí)嚴(yán)格觀察各樁腿吃水、載荷變化，及時(shí)通過錨泊系統(tǒng)微調(diào)船位，多次精確靠近，盡量保證樁靴與“老腳印”完全重合。

（2）如果出現(xiàn)樁腿忽然下沉，立即放載調(diào)平船體，上下活動該樁腿釋放彎矩，若平臺傾斜嚴(yán)重且樁腿彎矩?zé)o法釋放，需采用沖樁措施消除彎矩，待平臺調(diào)至安全氣隙后觀察或重新壓載。

（3）為保證重復(fù)就位后懸臂梁能夠覆蓋全部井槽，插樁壓載過程中應(yīng)根據(jù)樁腿入泥深度和平臺位置優(yōu)選單樁壓載順序，并隨時(shí)測定平臺位置，滿足后期作業(yè)的需求。

（4）嚴(yán)格檢查平臺和拖輪的錨泊系統(tǒng)、拖帶系統(tǒng)及相關(guān)錨泊鎖具，充分考慮錨區(qū)位置和錨鏈空間走向避開導(dǎo)管架平臺和海管海纜，確保重復(fù)就位過程中能夠隨時(shí)有效控制平臺位置，配備專業(yè)的技術(shù)人員，制定詳細(xì)的就位風(fēng)險(xiǎn)評估方案。

（5）充分利用監(jiān)測技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測樁靴滑移的位移及樁腿應(yīng)變等，根據(jù)平臺樁腿的結(jié)構(gòu)計(jì)算最大滑移量，防止樁腿彎曲變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)屈服。

4 結(jié)論及認(rèn)識

（1）結(jié)合目標(biāo)區(qū)塊海底地質(zhì)特征，采用有限差分法近似計(jì)算地基極限承載力大于樁靴在水平方向受到的滑移力，隨著樁靴深度的不斷增大，可能會發(fā)生樁靴滑移現(xiàn)象，且滑移線的形狀是不斷變化的，無法覆蓋全部作業(yè)槽口，但不會超過樁腿承載極限發(fā)生屈服破壞。

（2）存在樁腿滑移風(fēng)險(xiǎn)的情況下進(jìn)行插樁作業(yè)時(shí)，需要通過試壓載糾偏、重就位、預(yù)壓載3個主要步驟，將樁靴與“老腳印”重疊后再進(jìn)行正式壓載，同時(shí)還應(yīng)充分考慮海浪、海流對樁腿垂直度的影響，確保“老腳印”充分回填。

（3）建議深入研究不同樁靴類型在不同重合程度下的力學(xué)分析，提高對不同性質(zhì)土體破壞過程的認(rèn)識。