馮加偉，周立臣，梁思穎

(中海石油(中國)有限公司 湛江分公司 工程建設(shè)中心，廣東 湛江 524000)

0 引 言

自升式鉆井船具有移動(dòng)便利性，被廣泛應(yīng)用于海洋油氣勘探開發(fā)中。為降低成本，許多海洋油氣生產(chǎn)/處理平臺(tái)不設(shè)鉆機(jī)模塊，在投產(chǎn)前需要用自升式鉆井船進(jìn)行打井，在投產(chǎn)后需要用自升式鉆井船進(jìn)行修井。自升式鉆井船在靠近海洋平臺(tái)打井/修井作業(yè)時(shí)，需要將樁靴插入泥中一定深度，為鉆井船提供承載力。為增加鉆井船操作穩(wěn)定性，鉆井船樁靴一般設(shè)計(jì)成大樁靴，直徑可達(dá)20 m。在鉆井船插樁過程中，樁靴會(huì)排擠大量土體，對鄰近的海洋平臺(tái)樁基產(chǎn)生影響(額外載荷)，需對此進(jìn)行研究。

鉆井船樁靴貫入土體對鄰近海洋平臺(tái)樁基影響的研究通常有模型試驗(yàn)研究法和仿真數(shù)值研究法。試驗(yàn)研究需要一定的條件，付出較高的成本。隨著計(jì)算機(jī)硬件和有限元分析方法的不斷發(fā)展，土壤本構(gòu)模型不斷完善，有限元方法等數(shù)值方法能夠有效地模擬各種復(fù)雜的樁基貫入問題[1]。國內(nèi)外學(xué)者[2-3]對土體大變形等復(fù)雜巖土工程問題的計(jì)算方法進(jìn)行大量研究，研究表明采用耦合歐拉-拉格朗日(Coupled Euler-Lagrange，CEL)法計(jì)算土體大變形問題獲得的數(shù)值結(jié)果與離心模擬試驗(yàn)結(jié)果一致，可運(yùn)用CEL有限元數(shù)值仿真方法分析實(shí)際工程中鉆井船插樁對鄰近海洋平臺(tái)樁基的影響。因此，本文用CEL法對鉆井船插樁對海洋平臺(tái)樁基的影響進(jìn)行研究。

1 研究方法

1.1 耦合歐拉-拉格朗日法

鉆井船插樁過程是一個(gè)樁靴貫入泥土引起土壤大變形的問題，若運(yùn)用常規(guī)的有限元算法，則在計(jì)算過程中有限元離散網(wǎng)格會(huì)發(fā)生嚴(yán)重畸變，導(dǎo)致計(jì)算中斷，無法模擬整個(gè)連續(xù)插樁過程累積的擠土效應(yīng)對鄰近樁基的影響。

拉格朗日法基于粒子思想，研究一個(gè)選定的質(zhì)點(diǎn)在空間運(yùn)動(dòng)過程中各物理量的變化規(guī)律；歐拉法基于網(wǎng)格思想，以流場為對象，研究各時(shí)刻各流體質(zhì)點(diǎn)在流場中的變化規(guī)律[4]。CEL方法是歐拉有限元方法與拉格朗日有限元方法互相耦合的有限元算法，結(jié)合歐拉網(wǎng)格中網(wǎng)格固定而材料可以在網(wǎng)格中自由運(yùn)動(dòng)的方式建立模型，歐拉體材料與拉格朗日體材料之間的接觸采用基于罰函數(shù)法的通用接觸算法離散。這種方法基于加強(qiáng)的侵入邊界方法，使拉格朗日結(jié)構(gòu)融入歐拉體中的空單元，拉格朗日體和歐拉體之間的分界面會(huì)被自動(dòng)計(jì)算和跟蹤，能夠很好地解決涉及大變形的高度非線性的接觸問題[5-6]。

1.2 數(shù)值模型

建立鉆井船樁靴和海洋平臺(tái)鋼樁主要結(jié)構(gòu)模型，鉆井船樁靴直徑為23 m，立面設(shè)計(jì)如圖1所示。

單位：mm圖1 樁靴立面圖

海洋平臺(tái)鋼樁直徑為2.438 m，材料為DH36，樁長為138 m，入泥深度為114.5 m，樁基壁厚隨樁深h變化情況如表1所示。

表1 鋼樁壁厚隨樁深變化

樁靴與鋼樁的相對位置如圖2所示，海洋平臺(tái)A1腿的3根裙樁A1-1、A1-2、A1-3中心距樁靴中心的距離分別為24.949 m、18.792 m、18.261 m。

圖2 樁靴與鋼樁相對位置示例

土體模型尺寸為138 m(長)×138 m(寬)×150 m(高)，如圖3所示。將泥面及泥面以下45 m的土體設(shè)為歐拉體，余下的土體設(shè)為拉格朗日體，采用六面體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。樁靴整體設(shè)置成剛體，在泥面之上設(shè)置高度為15 m的空穴，為土體提供向上隆起的空間。

圖3 土體有限元模型

鉆井船就位地質(zhì)參數(shù)如表2所示，將土體取為理想彈塑性：砂土層彈性模量取20 MPa，泊松比取0.300，黏聚力取1 kPa；黏土層彈性模量E取150倍的不排水抗剪強(qiáng)度，泊松比取0.495。

表2 地質(zhì)條件設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)樁靴和鋼樁的材料屬性，樁靴和鋼樁的彈性模量為210 GPa，密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.250。

1.3 邊界條件

將歐拉土體和空穴在3個(gè)方向邊界節(jié)點(diǎn)的水平速度設(shè)置為0 m/s，并將邊界設(shè)置為歐拉吸收邊界。將拉格朗日土體區(qū)域側(cè)面和底面的位移設(shè)置為0 m/s。對鋼樁的頂部進(jìn)行位移約束，僅允許樁發(fā)生豎向位移。

在計(jì)算時(shí)，采用位移控制方式設(shè)定樁靴貫入土層的速率為0.5 m/s，樁靴貫入深度為12 m。樁的加載方式如下：將泥面處樁的截面中心與截面耦合在一起，給截面中心施加載荷。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 樁靴貫入引起的土體響應(yīng)

樁靴貫入歐拉土體引起周圍土體擠壓隆起和回淤通過歐拉體積分?jǐn)?shù)(Eulerian Volume Fraction，EVF)進(jìn)行顯示。插樁結(jié)束后歐拉體積分?jǐn)?shù)如圖4所示。在樁靴貫入過程中，樁靴不斷擠壓兩側(cè)土體使其向外隆起，樁靴上部形成空穴，影響范圍約為2倍樁靴直徑。當(dāng)貫入深度為12 m時(shí)，受群樁的影響，靠近樁側(cè)土體的回淤現(xiàn)象比遠(yuǎn)離樁側(cè)明顯，如圖5所示。

圖4 插樁結(jié)束后歐拉體積分?jǐn)?shù)

圖5 樁靴貫入土體響應(yīng)

由樁靴貫入土體速度矢量圖(見圖6和圖7)可知，在鉆井船樁靴貫入過程中，樁靴下部的土由底部向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)。在樁坑頂部，靠近海洋平臺(tái)鋼樁側(cè)泥面處的土體受到鄰近海洋平臺(tái)鋼樁的影響，其運(yùn)動(dòng)明顯大于遠(yuǎn)離鋼樁側(cè)。

圖6 樁A1-1和樁A1-2周圍土體速度矢量圖

圖7 樁A1-3周圍土體速度矢量圖

圖8為樁靴貫入不同深度(4 m、8 m、12 m)后樁A1-3周圍土體等效塑性應(yīng)變分布圖。由圖8可知，由于樁基的存在，隨著樁靴逐步貫入，樁靴兩側(cè)的塑性區(qū)由對稱分布變成不對稱分布，這說明樁基影響土體塑性區(qū)的分布，從而對樁基承載力產(chǎn)生影響。

圖8 樁A1-3周圍土體塑性應(yīng)變

2.2 樁靴貫入對鋼樁的影響

圖9從左至右分別為樁A1-1、A1-2、A1-3在樁靴貫入不同深度(4 m、8 m、12 m)下的側(cè)向位移分布圖。由圖9可知，A1-3的位移較大，最大位移出現(xiàn)在樁靴貫入最大深度處。

圖9 樁基側(cè)向位移分布

圖10為樁靴貫入不同深度下的樁基應(yīng)力分布圖。由圖10可知，隨著樁靴貫入深度增大，樁基應(yīng)力逐漸增大，且最大應(yīng)力位置向下移動(dòng)。與樁A1-1和樁A1-2相比，樁A1-3的應(yīng)力較大。

圖10 樁基應(yīng)力分布

由計(jì)算結(jié)果可知，最危險(xiǎn)的樁基是最靠近樁靴的樁基，即樁A1-3。對樁靴貫入不同深度(4 m、8 m、12 m)的樁身數(shù)據(jù)進(jìn)行對比可知，當(dāng)樁靴安裝就位，即樁靴貫入達(dá)12 m時(shí)，樁身應(yīng)力最大，應(yīng)力最大處為泥面以下20 m左右，可見樁靴貫入對土體存在一定的影響范圍，樁靴對其斜下方處鋼樁應(yīng)力和水平位移影響最大。

2.3 樁靴貫入對樁基承載力的影響

在鉆井船插樁過程中，樁靴對鄰近海洋平臺(tái)樁基周圍土體和鋼樁本身都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。圖11和圖12為A1-3樁基在樁靴貫入前后樁基軸向力和軸向位移變化分布圖。由圖12可知，樁靴貫入對樁身軸向力的影響有限，軸向位移增加約3 mm。

圖11 插樁前后A1-3樁基軸向力變化

圖12 插樁前后A1-3樁基軸向位移變化

鉆井船插樁結(jié)束(入泥深度12 m)后，海洋平臺(tái)樁基周圍和鉆井船樁靴下部土體出現(xiàn)明顯的塑性區(qū)(見圖13)，樁基周圍地基土塑性區(qū)從泥面處沿樁身展開，樁靴底部塑性區(qū)由兩側(cè)底邊緣展開并貫通。樁基周圍最大展開深度Zmax=12.72 m(泥面處Z=0 m)，樁靴底部塑性區(qū)最大開展深度Zmax=15.14 m。在泥面以下11.90 m，樁周出現(xiàn)最大塑性應(yīng)變。

圖13 A1-3樁切面塑性區(qū)分布云圖

由塑性區(qū)分布可知，樁靴插入對于樁基周圍土體影響深度為樁靴的插入深度。樁基入泥114.50 m，采用保守的計(jì)算方法，塑性區(qū)土體不提供相應(yīng)的側(cè)摩阻力，由此而產(chǎn)生的豎向承載力的降低很小。

綜合樁基樁身軸力變化、樁基豎向位移和塑性區(qū)展開的情況，得到鉆井船插樁對樁基承載力影響較小。

3 結(jié) 論

用CEL方法對鉆井船插樁過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到鉆井船插樁過程引起的土體響應(yīng)規(guī)律，對鉆井船樁靴對鄰近海洋平臺(tái)(距離小于1倍樁靴直徑)樁基的影響進(jìn)行分析得到：

(1)在鉆井船樁靴貫入過程中，樁靴擠壓兩側(cè)土體使其向外隆起，樁靴上部形成空穴，樁靴下部土體向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)，受鄰近平臺(tái)樁基影響，靠近樁側(cè)土體運(yùn)動(dòng)較遠(yuǎn)離樁基側(cè)明顯，樁靴兩側(cè)的塑性區(qū)由對稱分布變成了不對稱分布，靠近樁側(cè)土體回淤更快。

(2)鉆井船樁靴貫入對距離樁靴最近的樁基影響最大，隨著鉆井船樁靴貫入深度增大，樁基應(yīng)力逐漸增大，樁基最大應(yīng)力位置逐漸下移，鉆井船樁靴斜下方處樁基應(yīng)力和水平位移所受影響最大。

(3)鉆井船插樁過程對鄰近平臺(tái)樁基周圍土體影響深度為樁靴插入深度，樁靴對樁基承載力和軸向位移影響較小。