鉆井船插拔樁對臨近樁靴承載力的擬靜力模擬研究

唐德佳,曹添銘,梁 超,陳廣思

(1.中國海洋石油集團有限公司物裝采購中心,天津 300457;2.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津 300072)

近年來,我國廣泛采用自升式鉆井平臺進行海上油田開采。自升式平臺由上層船體平臺、樁腿、樁靴和升降裝置等部分組成。平臺作業過程中,需經拖航到達預定位置,并進行插樁作業,將大直徑樁靴壓入海底泥面,平臺作業完成后,將樁靴上拔后離開,在原位置會留下樁坑腳印。鉆井船的插拔樁過程強烈擠壓周圍土體,進而影響臨近井口平臺的穩定性,如圖1所示。

圖1 鉆井平臺對臨近平臺的影響Fig.1 The influence of the drilling platform on adjacent platform

針對平臺樁靴承載力及插樁過程阻力的研究,早期學者根據傳統地基承載力理論進行預測,主要基于PRANDTL或TERZAGHI提出的條形基礎地基承載力解[1-2],SNAME規范[3]提出了考慮土體回流的計算公式。HOSSAIN等[4-6]通過開展一系列的離心模型試驗對樁靴基礎的貫入問題進行了研究,MARTIN等[7]和CASSIDY等[8]通過模型試驗得到樁靴基礎在豎向荷載V、水平荷載H、彎矩荷載M耦合作用下的承載力以及VHM荷載空間承載力包絡面。數值模擬方面,LIU等[9]采用基于網格重劃分小應變插值技術的RITSS(Remeshing and Interpolation Technique with Small Strain Approach)方法對上層砂土下層粘土地基進行了分析,研究了插樁阻力并預測了穿刺的易發位置。LI等[10]、MAO等[11]利用網格自適應技術ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian),對樁靴插樁過程進行了分析。THO等[12-13]利用耦合歐拉-拉格朗日CEL法(Coupled Eulerian-Lagrangian)引入到了樁靴在粘土層中的貫入阻力預測,計算結果與現有離心模型試驗[14]吻合較好。安永寧[15]采用有限元方法計算地基承載力并與各經典公式和規范方法對比,驗證有限元方法的便利性和有效性。

在實際工程中,已在位平臺會有鉆井船臨時?？窟M行鉆修井作業,鉆井船樁靴的插拔過程對已在位的臨近樁基礎造成不利影響。已有離心機試驗[14,16-17]表明樁靴插入與拔出引起周邊土體應力場發生變化,進而影響已在位的樁基礎,其中影響承載力、樁身彎矩、樁身變形的關鍵因素包括樁靴尺寸、貫入深度、樁靴與臨近樁基礎間距。針對以上不同因素的影響程度,許多學者借助數值模擬方法開展樁靴插拔對臨近樁基礎的影響研究,其中CEL[18-20]方法較為常見,也取得了許多有價值的研究成果。

目前的研究成果多集中在對樁靴插拔本身的研究或其對臨近鋼管樁基礎的影響,但工程中許多已在位平臺采用樁靴基礎,鉆井船樁靴插拔過程對已在位樁靴基礎的影響亦不可忽視,針對臨近樁靴影響的研究,劉潤等[21-22]開展了砂土中模型試驗,但尚未有學者采用數值模擬方法對不同因素的影響程度開展規律性研究。本文基于巖土工程軟件PLAXIS,開展樁靴插拔對臨近平臺樁靴承載力影響進行研究,旨在揭示已在位樁靴承載力受樁靴插拔的影響。

1 簡化的擬靜力方法

1.1 擬靜力模擬方法的建立

樁靴插拔過程的模擬涉及大變形問題,常規有限元模擬方法易出現網格畸變,動力算法因無法準確模擬樁靴插拔后土體強度的降低,在研究樁靴插拔引起的臨近結構物承載力變化方面存在缺陷。因此建立合理的擬靜力方法成為解決這一問題的重要途徑。觀察樁靴插拔的模型試驗過程,研究樁靴對土體的擾動范圍和土體強度的下降規律是建立樁靴插拔過程擬靜力模擬的關鍵。

根據SICILIANO等[16]和XIE[14]離心機模型試驗以及KELLEZI等[23]數值模擬研究可知,樁靴插拔對土體的擾動區域,在水平方向約為樁靴以外1倍樁靴直徑D范圍內。張海洋等[24-25]的樁靴插拔模型試驗表明,插拔樁過程對周邊土體的影響主要包括兩個方面：一是對周圍土體產生卸荷作用,土體應力狀態改變;二是導致周圍土體強度的下降,且土體強度的下降程度隨距樁靴腳印中心距離及埋深的增加而逐漸減弱。劉潤等[21]給出了樁靴插拔后周邊土體強度隨間距的變化,如圖2-a中曲線所示。以此為基礎,將樁靴插拔的動態作用過程簡化為對周邊土體擾動的擬靜力模擬方法,即將樁靴插拔后的地基分為3個區域：(1)樁靴腳印區;(2)影響區;(3)無影響區,如圖2-b所示。

2-a 摩擦角-距離規律 2-b 整體分區圖2 土體分區示意圖Fig.2 Soil model area division

圖2中腳印區為樁靴插拔后在土體中遺留的坑洼孔穴,數值計算中難以模擬孔穴內的真實狀態,將腳印區簡化為與樁靴直徑D相同的圓柱體區域,高度等于樁靴插深H,土體填滿孔穴,對腳印區原土體參數進行折減,形成等效土體參數,模擬孔穴對整個腳印區土體的影響;影響區為插拔樁作業引起的周圍受擾動土體區域,依據模型試驗結果,圓環影響區徑向范圍距腳印區邊緣1.25D,深度范圍等于樁靴插深H,此部分可按照試驗確定的土體強度折減規律對影響區土體進行折減計算,模擬插拔對土體的影響;其余部分土體為無影響區。

1.2 擬靜力分析模型的建立

按照上述分區方法建立數值模型,采用PLAXIS軟件對張海洋等[24-25]的離心機試驗結果進行模擬,計算砂土中樁靴插拔樁對臨近樁基礎豎向承載力的影響。計算模型如圖3所示,圖3中D為樁靴直徑,H為樁靴貫入深度,L為臨近樁到腳印區外邊緣最小間距。土體采用摩爾-庫倫本構模型,對各區域設置相應的模型材料屬性參數,其中腳印區土體,降低原有土體強度、壓縮模量、容重等參數,模擬樁靴貫入-拔出動作結束后的孔穴擾動土體,將影響區內的土體細分若干環形區域,各環形區土體結合土體強度隨距離降低規律[21]按比例折減,臨近樁采用梁單元模擬,各計算參數見表1。

表1 計算參數Tab.1 Soil material parameter

圖3 PLAXIS中臨近樁承載力模型Fig.3 Bearing capacity model of adjacent piles in PLAXIS

1.3 擬靜力方法計算結果的驗證

分別計算土體無折減情況下單樁以及當樁基礎位于距樁靴邊緣0.75D與0.5D時的樁基豎向承載力,樁頂施加位移s=0.1 m。對比計算結果可得到樁靴插拔導致的樁基承載力下降程度,樁基的載荷-沉降曲線如圖4所示,計算的單樁承載力折減率結果如表2所示。

表2 豎向承載力折減率η對比Tab.2 Comparison of vertical bearing capacity reduction rate η

圖4 單樁豎向沉降-載荷曲線Fig.4 Vertical settlement-load curve of single pile

根據表2可知,采用PLAXIS計算的承載力折減率結果與張海洋等[24-25]的離心機試驗吻合較好,說明建立的簡化擬靜力方法具有可行性。

2 樁靴插拔對臨近樁靴的影響

2.1 數值分析模型的建立

采用前述方法,建立模擬樁靴插拔影響的簡化擬靜力分析模型,如圖5所示,圖5中D為樁靴直徑,H為樁靴貫入深度,d為已在位臨近樁靴直徑,h為已在位樁靴目標貫入深度,L為2個臨近樁靴外邊緣最小間距。各區域材料參數如表3所示。

表3 材料參數Tab.3 Material parameter

圖5 模型圖Fig.5 Finite element model diagram

本次研究重點關注樁靴承載力發揮,不考慮樁靴本身的結構變形,為此在計算過程中將樁靴材料彈性模量設置足夠大,近似模擬為剛體以提升模型計算效率,同時考慮樁靴貫入對土體孔穴形狀影響主要為樁靴自身最大面積截面的形狀,將樁靴簡化為圓形平板,直徑為樁靴面積最大截面位置的直徑。模型中土體和樁靴均采用四面體單元,在變形和應力較為敏感的腳印區和影響區網格進行加密以提升計算精度,模型如圖6所示。

6-a 整體網格 6-b 腳印區局部網格圖6 模型網格Fig.6 Model mesh

2.2 擬靜力計算方法

擬靜力計算方法主要將樁靴貫入—拔出過程對土體的擾動由動力簡化為靜力算法,并將擾動前的樁靴承載力和擾動后的承載力進行對比,量化承載力的影響程度。計算總體分為兩個模型,包含土體未擾動計算模型和土體擾動計算模型。其中土體未擾動模型計算步驟為：

(1)初始地應力平衡分析。用于計算土體初始應力場。

(2)樁靴承載力計算分析。給予已在位臨近樁靴豎向位移模擬貫入,得到樁靴貫入阻力與貫入位移曲線,得到在目標貫入深度h時的樁靴承載力。

土體擾動模型分析步驟：

(1)初始地應力平衡分析。用于計算土體初始應力場。

(2)卸荷分析。此步驟模擬樁靴貫入—拔出對土體的擾動,采用表3所示的方法,對腳印區、影響區進行土體參數折減,模擬孔穴的影響。

(3)樁靴承載力分析。對已在位樁靴進行下壓至目標h深度,得到樁靴貫入阻力和貫入位移關系,分析得到已在位樁靴的承載力,并與土體未擾動模型計算結果進行比較,得到承載力折減規律。

根據以上步驟設計了6個組次的計算工況,如表4所示。

表4 計算工況Tab.4 Calculation condition

2.3 結果分析

以表4中B-5組次L/D=1的計算結果為例,給出了樁靴貫入阻力-位移曲線,如圖7所示。

圖7 貫入阻力-貫入深度曲線Fig.7 Penetration resistance-displacement curve

圖7的結果顯示,在相同位移條件下,樁靴插拔過程對已在位樁靴的承載力影響顯著。為了量化其影響程度,定義樁靴承載力折減率為η,可按照下式計算

(1)

式中：P0為樁靴插拔前已在位樁靴承載力;P1為樁靴插拔后已在位樁靴承載力。

利用式(1)將表4中計算工況結果進行匯總,得到不同間距L/D條件下臨近樁靴在目標貫入深度h時的樁靴承載力折減率,結果繪制如圖8、圖9所示。

8-a A-1、A-2、A-3組 8-b B-4、B-5、B-6組圖8 折減率η與相對貫入深度H/h關系Fig.8 The relationship between η and the relative depth H/h

9-a A-1、A-2、A-3組 9-b B-4、B-5、B-6組圖9 折減率η與相對間距L/D關系Fig.9 The relationship between η and the relative spacing L/D

通過分析強度折減率η與相對間距L/D關系可知,折減率η隨相對貫入深度H/h的增加而增大,即樁靴貫入深度越小,樁靴承載力的影響程度越小;折減率η隨兩樁靴的相對間距L/D的增大而減小,即樁靴插拔位置距已在位樁靴越遠,樁靴承載力的影響程度越小,相對間距L/D超過2.0時,折減率η小于1%,影響可忽略不計。

3 土體參數影響分析

3.1 土體初始強度的影響

以樁靴D=7 m、H=9.4 m、樁靴間距L/D=1的算例分析初始土體強度參數的影響,土體選取為砂土,采用內摩擦角φ為25°、30°、35°、40°四種工況,其他參數均相同。經計算得到不同摩擦角下樁靴承載力折減率變化規律如表5所示。

表5 不同摩擦角的計算結果Tab.5 Calculation results of different friction angles

由表5中結果可知,在樁靴插拔的擬靜力數值模擬方法中,土體內摩擦角為25°～40°時,樁靴承載力隨土體內摩擦角增加,樁靴承載力折減率隨內摩擦角增大。

3.2 腳印區折減率的影響

擬靜力算法中樁靴插拔過程形成的土體孔穴采用土體參數折減模擬,忽略了實際樁靴插拔時土體的位移、卸荷、回流等過程,但其折減率無法如影響區中可以采用試驗測得,因此其參數選取對于計算結果的影響存在不確定性,為此對腳印區折減率的影響開展分析。

分別計算樁靴腳印區土體參數降低率為0%、20%、40%、60%和80%時的樁靴承載力折減規律,土體影響區參數分別對應按比例設置,結果如圖10及表6所示。劉潤等[21-22]的模型試驗曲線如圖11所示。

表6 不同土體參數降低率對應承載力折減率Tab.6 Reduction rate of bearing capacity with different reducing rate of soil parameters

圖10 不同土體參數降低率貫入阻力-貫入深度曲線Fig.10 Resistance-depth curve with different reducing rate of soil parameters

圖11 模型試驗中貫入阻力-貫入深度曲線Fig.11 Penetration resistance-displacement curve in the test

由表6結果可知,樁靴承載力折減率隨樁靴腳印區土體參數降低率增加。對比圖10和圖11可知,當樁靴插拔腳印區降低率為40%時,其結果與劉潤等[21-22]、張海洋等[24-25]的模型試驗結果最為接近,因此擬靜力算法中建議采用40%的腳印區強度折減率。

4 結論

本文針對鉆井船樁靴插拔對臨近樁靴承載力產生不利影響的問題,開展數值模擬研究,主要結論如下：

(1)基于PLAXIS軟件建立了考慮土體參數折減的簡化擬靜力分析法,并采用已有試驗結果驗證了該方法的可靠性。

(2)樁靴承載力折減率η隨相對貫入深度H/h的增加而增大,即樁靴貫入深度越小,樁靴承載力的影響程度越小;折減率η隨兩樁靴的相對間距L/D的增大而減小,即樁靴插拔位置距已在位樁靴越遠,樁靴承載力的影響程度越小,相對間距L/D超過2.0時,折減率η小于1%。

(3)樁靴承載力折減率隨樁靴腳印區土體參數降低率增加,砂土中樁靴腳印區土體強度的降低率宜取為40%。