自升式钻井平台桩靴基础结构设计分析

杜家庆,杜守继,赵丹蕾,唐文勇

(1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240;2.上海外高桥造船有限公司设计研究院海工设计所,上海200137)

0 前 言

自升式钻井平台靠将桩靴插进海底一定深度提供承载力。桩靴承载能力与地质条件、桩靴的几何尺寸和桩靴入泥深度有关,仅就承载力而言,增大桩靴面积和增加入泥深度会增加承载力。但同时也会增加钻井平台拔桩需要的力,拔桩力是由平台的浮力提供的,平台的体积有限,可提供的拔桩力是有限制的,桩靴入泥过深就加大了拔桩难度,甚至可能出现拨不出来的情况。某船厂生产的自升式钻井平台升降试验场地内淤泥质土层较厚,桩靴插进海底不易拔出,因此,如何选择平台基础型式和尺寸,使其既满足平台承载力要求又能安全拔桩是亟待解决的问题。本文结合水下工程地质特点,采用灌注桩承台作为桩靴在海底的基础结构,并用数值模拟的方法对承载能力极限状态下的承台基础进行承载力校核,为基础设计提供一定的依据。

1 工程地质条件

参照外高桥舾装码头附近海域工程地质条件进行桩靴基础结构的设计。海底各地层的参数见表1。海水深度为12 m,上部淤泥质土层较厚,不能为桩靴提供有效的承载力。

表1 各土层参数

2 作用荷载的特点

选取Friede&Goldman公司设计的JU-2000E自升式钻井平台(见图1)进行基础结构设计分析,将传递到海底平面的力分为水平方向和竖向,水平方向为环境荷载,包括风载、波浪荷载和海流力;竖向为自重荷载和预压荷载。升降试验时自升式钻井平台上作用的荷载有以下三个特点:

(1)波浪荷载和海流力较小。由于海水深度较小(12 m),同时不考虑风暴影响,所以作用在桩腿上的波浪荷载和海流力较小。正常工作时的最大波浪,水位2.15 m,NE,累积频率为1%的波高H1%=3.11 m,波长L=50.6 m。五十年一遇波浪作为承载极限状态,水位3.35 m,NE,累积频率为1%的波高H1%=5.88 m,波长L=76.8m,波速C=9.9 m/s,周期T=7.76 s。海流力按平均流速2 m/s计算。

(2)风载较大。升降试验时要将钻井平台升至桩腿顶部,海平面距离平台底部140.3 m,作用在桩腿和平台上的风荷载较大。钻井平台在升降试验中需要长时间站立,分别考虑九级风(25 m/s)作为正常使用极限状态和十二级风(37 m/s)作为承载极限状态。

图1 JU-2000E平台和桩靴尺寸图(单位:mm)

(3)预压工况下竖向荷载较大。

将荷载按照正常使用极限状态和承载能力极限状态进行组合。其中承载能力极限状态包括只有竖向荷载作用下的预压工况和组合荷载工况下两种,见表2。

表2 承台作用荷载组合

3 灌注桩承台设计

承台和桩基布置如图2所示,承台嵌于海底土中,中心部分为倒圆台状,用以支撑海洋平台桩靴。承台为正方形,边长为18 m,灌注桩直径为2.5 m,桩间距为7 m。桩长34 m,长径比为13.6,持力层为⑦2-1灰黄色粉砂层。桩基承台布置满足相关规范规定[1]。桩基和承台的承载力和强度计算按照正常工作极限状态进行,并用承载极限状态进行校核。相关计算按照规范规定进行[1-2],这里不再赘述。

4 三维有限差分分析

选用FLAC3D有限差分软件进行桩、土、承台相互作用特性的模拟。桩基承台中的桩基采用pile结构单元模拟。结构单元由结构节点和结构构件组成,结构节点可以与实体网格或其他结构节点建立连接,通过连接实现结构与岩土体或结构和其他结构发生相互作用。由于结构单元的建模与实体单元位置没有具体要求,所以利用pile结构单元可以轻松实现群桩的分析。

4.1 模型尺寸及相关参数

模型尺寸采用100 m×100 m×70 m,模型共建立50 976个单元,52 529个节点。承台和桩位于模型中心,网格划分较密,然后逐渐向外扩散。由于承台全部埋没在土体中,承台顶部平面以上土体荷载化为面力施加在上部边界上,顶面施加13.3 m(承台顶面距海底1.3 m)水深的应力边界,在模型内部生成初始孔隙水压力,四周和底面边界限制相应方向的位移。初始地应力生成采用无渗流模式。坐标原点在模型顶面的中心处,在自重作用和静水压力作用下初始地应力平衡。土体采用摩尔库伦模型,桩基承台模型见图3。

图2 承台桩位布置图和1-1剖视图

图3 桩基承台模型图

在FLAC3D数值模拟计算中,体积模量、剪切模量和弹性模量有关,而在地勘报告中,只给出Es0.1-0.2,即在压力间隔p1=0.1 MPa和p2=0.2 MPa所得的压缩模量。当土层埋深大于25 m时,要根据当地经验关系对压缩模量进行换算[3],然后根据《工程地质学》[4]中给出的不同地层的变形模量和压缩模量的经验关系来得到变形模量,并用变形模量代替弹模。地质参数见表1。

4.2 桩基承台的模拟

桩基承台中的桩基采用pile结构单元模拟,由于结构单元的建模与实体单元位置没有具体要求,所以利用pile结构单元可以轻松实现群桩的分析。承台采用实体单元建模,采用弹性模型。桩基用pile结构单元模拟,桩顶与承台底部固接,桩底节点link设为法向屈服弹簧模拟端承力,根据桩端土层端阻力为2 000 kPa,设定桩端提供的最大端承力为10MN。桩材料采用C30混凝土,弹性模量为30 000 MPa,承台采用C40混凝土,弹性模量为33 000MPa,泊松比都为0.2。由于承台和土之间存在接触问题,采用“移来移去”方法在承台四周建立接触面。FLAC3D中的无厚度接触面单元,接触面本构模型为库伦剪切模型。接触单元可通过接触面节点和实体单元表面之间建立联系。在每个荷载步计算中,首先得到接触面节点和实体表面之间的绝对法向刺入量和相对剪切速度,再利用接触面本构模型来计算法向力和切向力的大小。切向刚度和法向刚度参数的选取根据文献[5]介绍,按照下列公式来得到剪切刚度和法向刚度:

式中:K为体积模量;G为剪切模量;Δ zmin为临近单元垂直方向上的最小网格尺寸。

4.3 竖直荷载下桩土受力分析

4.3.1 荷载的施加

由于在初始地应力时在模型内部生成了孔隙水压力,在将承台部分单元的密度由土体转变为混凝土后,同时也要将承台中心部分单元挖出,这时作用在模型表面挖出部分单元的应力边界就会消失,这时需要在承台上施加等效的应力边界条件,然后进行自重下平衡计算。待自重平衡计算后,为了避免高的荷载值引起数值计算的不稳定性,同时为了研究各级荷载下群桩基础的响应,采取逐级荷载施加的方式。首先在承台中心5 m直径范围内施加1 MPa(相当于19.63 MN荷载)的均布荷载,以1 MPa为等差递增,直到13 MPa(255.19 MN)。每一步荷载施加后都计算到平衡,然后施加下一步荷载。

4.3.2 基桩轴力和侧摩阻力随荷载变化

取角桩、边桩和中心桩的侧摩阻力和轴力的加权平均值作为基桩的侧摩阻力和轴力(见图4)。由于加载级别较多,只取了部分加载曲线。侧阻力图中取了侧摩阻力的勘察值作为对比。从图4中可以看出:

随着竖向荷载的增加,桩侧摩阻力逐渐得到发挥。桩端上部2L/3范围内极限侧摩阻力随着荷载的增加接近极限侧摩阻力勘察值,而承台下L/3范围内的侧摩阻力要小于极限侧摩阻力勘察值的一半。

图4 基桩的侧摩阻力和轴力图

当加载到6 MPa后桩侧下部摩阻力值基本达到极限,之后随着荷载的增长有很小幅度的增加,桩侧上部摩阻力随着荷载有少许的增长。而端阻力在加载到6MPa后快速的发展,在加载到10 MPa时,端阻力基本上达到了设定的极限10 MN。

在预压荷载下,需要侧摩阻力和端阻力都得到发挥,侧摩阻力已经达到了极限,而端阻力发挥了一半。

4.3.3 承台-群桩荷载分担

桩基设计时,只考虑桩的荷载贡献而忽略承台对荷载的分担一直以来都被认为是保守的。图5中可以看出自重平衡后,沉降很小只有0.1%D,承台承担了大部分的荷载,群桩只承担了一小部分荷载。当进行加载后,承台和群桩之间的关系迅速发生了转换。随着荷载的增加,在沉降达到0.1%D之前,群桩的承载比例逐渐增加,而承台的承载比例逐渐减小,当沉降达到0.1%D之后,承台承担的荷载占总荷载的比例逐渐增加,而群桩占总荷载的比例则稳步减小,最后趋于稳定状态。在预压荷载下,承台分担的荷载达到14%。

4.3.4 荷载-沉降分析

由于承台并非完全刚性,在荷载作用下,尽管有承台的约束作用,各桩之间的沉降还是有些许不同。从图6中可以看出在各级荷载下,中心桩的沉降最大,边桩次之,角桩最小。在加载达到117.8 MN之前,P-S曲线几乎成线性增长,在此之后沉降迅速增加,当荷载达到235.56 MN时,沉降已经达到了268 mm,超出了250 mm(10%桩径)。预压荷载下沉降达到45 mm。群桩的P-S曲线为缓变型曲线,根据文献[6]:对于缓变型曲线,直径大于或等于800 mm的桩,可取沉降S=0.05D所对应的荷载值为竖向极限承载力。一般相同荷载下群桩的沉降大于单桩的沉降,故取群桩沉降S=O.05D(125 mm)时对应的荷载为群桩的竖向极限承载力是保守的、安全的,这时承台上部荷载为190 MN。桩端位移的增加有利于端阻的发挥,当荷载达到196.25 MN时,角桩的端阻力最先达到了极限,这时沉降为136 mm,与0.05D相比超出9%。因此对于缓变型群桩荷载沉降曲线用规范规定的单桩的极限承载力的沉降判别方法确定群桩的极限承载力是可取的。

图5 承台和群桩分担荷载与沉降关系

图6 荷载和沉降关系图

4.4 组合荷载下桩土受力分析

4.4.1 荷载的施加

考虑承台在受到桩靴传递下来的竖向力、水平力和弯矩的共同作用对桩基承台的影响。其中竖向力和水平力作用在承台中心周围直径为5 m的范围内。弯矩通过转化为面力反对称施加在承台的两侧。荷载见表2中组合工况。

4.4.2 基桩轴力和侧摩阻力

由于承台上作用着组合荷载,在弯矩作用下,承台一侧受压,另一侧受拉,所以选取受压侧的角桩和边桩,中心桩,以及受拉侧的边桩进行分析。图7为桩基在承载能力极限状态下的桩侧摩阻力和轴力图,从图7中可以看出,在组合荷载下,受拉侧边桩在弯矩和水平力引起的拉力被竖向荷载引起的压力抵消一部分之后,在桩顶仍呈现为拉力,桩侧出现了负摩阻力,拉力在负摩阻力的作用下逐渐减小,在桩端处转化为压力,最大拉力小于桩的抗拔力。而受压区角桩和边桩以及中心桩的桩顶轴力在组合荷载作用下表现为压力,轴力在侧摩阻力的作用下逐渐减小,到桩端处最大轴力为5 MN,在最大端承力范围内。与极限侧摩阻力的勘察值相比,桩端上部2L/3范围内侧摩阻力得到一定发挥,在0.5倍极限侧摩阻力和极限侧摩阻力之间,而承台下L/3范围侧摩阻力的发挥还小于极限侧摩阻力的一半。

4.4.3 沉降对比分析

表3中沉降差为边桩和中心桩的沉降差。倾斜率为沉降差比上桩间距。桩基最终沉降量采用以Mindlin应力公式[7]计算。基桩数值模拟的沉降量小于Mindlin解。设计中控制倾斜容许值为0.004(考虑桩靴和承台的形状贴合),从表3可知,桩基沉降量满足要求。

表3 承载极限状态桩基沉降计算表

5 结 论

通过对自升式平台的桩靴支承基础在升降试验时预压工况和组合荷载工况下的数值模拟表明:

(1)当桩长深入⑦2-1灰黄色粉砂层10 m时,灌注桩承台基础可以为自升式平台升降试验的桩靴提供有效的支承;

(2)在预压荷载和组合荷载下,侧摩阻力发挥到了极限,需要端阻的发挥提供支撑力。

图7 承载能力极限状态桩侧摩阻力和轴力图

(3)随着荷载的增加,土体侧摩阻力逐渐增大,承台下L/3范围土体最多达到0.5倍极限侧摩阻力,桩端上部2L/3范围内在0.5到1倍极限侧摩阻力之间。

(4)用群桩沉降达到5%D时的荷载作为群桩的竖向极限承载力是可取的。承台可以承受一定的荷载,当沉降超过1%后,承台分担荷载的比例逐渐增大,群桩分担荷载的比例减小。在沉降达到5%D之前,承台可承担10%～20%的荷载。

(5)组合荷载作用下,受拉侧边桩出现拉力,桩处于受拉状态。在负摩阻力作用下,桩端轴力由拉力转变为压力,拉力小于抗拔力,受力仍处于安全状态。

[1]中交公路规划设计院有限公司.JTGD63-2007.公路桥涵地基与基础设计规范[S].北京:人民交通出版社,2007.

[2]中交公路规划设计院.JTGD62-2004.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[3]陈仁朋.软弱地基中桩筏基础工作性状及分析设计方法研究[D].杭州:浙江大学,2001.

[4]孔宪立,石振明.工程地质学[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[5]Itasca Consulting Group,Inc.Fast Language Analysis of continua in 3 dimensions version3.0,user'smanual[M].America:Itasca Consulting Group,Inc.,2005.

[6]中华人民共和国建设部.JGJ106-2003.建筑基桩检测技术规范[S].中国建筑工业出版社,2003.

[7]上海市城乡建设和交通委员会.DGJ08-11-2010.上海市地基基础设计规范[S].上海:上海市建筑建材业市场管理总站,2010.