桩靴基础自升式钻井平台在砂土层下伏粘土层中的插桩分析

姚首龙

(中海油田服务股份有限公司，天津300451)

近年来，在我国南海海域进行了多次自升式钻井平台场址工程地质调查，经常会遇到砂土层下伏粘土层的层状土。目前，在实际插桩计算分析中，YOUNG和FOCHT提出的3∶1(垂直方向:水平方向)荷载扩展分析法被广泛应用，这个方法假定施加在上层(硬土层)上的基础荷载被扩展通过硬层，在软弱层的顶面产生一假设的等效基础。通过硬层的扩展比例为3∶1(垂直方向∶水平方向)，如果施加在等效基础上的压力超过下层土的承载力，则穿刺将会发生。然而，在很多插桩实例中，并没有刺穿发生，若在砂土层下伏粘土层的层状土中用这种方法进行计算就显得过于保守，预测的插桩结果与实际的插桩结果相差很大，严重影响着钻井平台在某一场址的就位、作业及安全。本文就桩靴基础自升式钻井平台在砂土层下伏粘土层的层状土中的插桩计算分析进行了讨论，为今后再遇到该类层状土的插桩计算分析提供参考。

1 基本破坏模式

自升式钻井平台桩靴基础在土壤中的基本破坏模式主要有以下3种［1］。

1)将自升式钻井平台桩靴基础在单一土层中的破坏模式称为一般剪切破坏，见图1a)。

2)自升式钻井平台桩靴基础在层状土中的破坏模式存在两种可能，一种是刺穿破坏，见图1b)，另外一种是排挤破坏，见图1c)。

图1 桩靴基础在土壤中的破坏模式

2 插桩计算

为了使自升式钻井平台在不同地质条件的情况下作业，常常将桩靴基础设计成较大直径，并且在桩靴最宽截面下留有锥形结构，以便增加桩靴的贯入度，且还具有一定的抗滑能力。这种桩靴基础在砂土层下伏粘土层的层状土中的插桩，通常可能存在几种破坏模式，而不同的破坏模式，桩靴基础的插桩深度也将不同。所以对于某一特定的砂土层下伏粘土层的层状土，在计算插桩深度时，首先需分别分析上覆砂土层的厚度及相对密实度和下伏粘土层的厚度及不排水抗剪强度，进而进行破坏模式分析，确定可能发生的一种破坏模式或几种破坏模式的组合，然后根据不同的破坏模式及土壤的回填情况进行插桩计算，最后给出插桩综合计算分析结果及建议。

在插桩计算中，主要是进行桩靴基础的极限承载力(Q)的计算，这就首先需判断桩靴基础上部土壤的回填情况，然后根据土壤是否回填选择不同的极限承载力(Q)计算公式进行计算。一般情况下，强度从非常软到软的粘性土较易发生回填，强度从稍硬到硬的粘性土和粒状土不易回填。

对于砂土层下伏粘土层的层状土在不同的破坏模式下，相应的极限承载力(Q)的计算公式主要有以下几种。

1)一般剪切破坏模式下，近似于圆形或者方形基础的极限承载力Q用下式计算。

式中:A——桩脚尖的最大平面积，m2;

γ1——由桩脚尖排出土的平均有效重度，kN/m3;

V——桩脚尖的体积，m3;

P0＇——桩靴顶部深度处的有效上覆压力，kPa;

qn——桩脚尖的单位面积极限承载力，

qn=SuNc，用于不排水(粘性)土，

qn=0.3γ2BNr+P0(Nq-1)，用于排水粒状土;

其中:Su——桩脚尖下B/2深度以内平均不排水抗剪强度，kPa;

Nq、Nr——据内摩擦角而定的排水粒状土量纲一的量承载力系数;

P0——桩脚尖深度处的有效上覆压力，kPa;

γ2——桩脚尖下B/2以内土的平均有效重度，kN/m3;

Nc——不排水粘土的量纲一的量承载力能力，Nc=6(1+0.2D/B)≤9;

B——桩脚尖的直径(最宽断面)，m;

D——桩脚尖入泥深度(最宽断面)，m。

2)刺穿破坏模式下，通常采用YOUNG和FOCHT提出的3∶1荷载扩展分析法，承载力qn为

式中:A＇p——等效基础面积，

B'——等效基础直径，B'=B+［2/3］H;

D'——等效基础深度，D'=D+H;

Ap——实际基础面积，m2;

H——实际基础面之下硬土层的厚度，m;

B——实际基础直径，m;

D——实际基础深度，m;

qn(硬层)——假设硬土层无限厚时的承载力。

3)排挤破坏模式下，根据文献［1］推荐的方法，当B≥3.45T(1+1.1D/B)时，对于完全回填土情况，承载力Fv为

式中:B——等效基础直径，m;

T——软粘土层的厚度，m;

D——桩脚尖入泥深度(最宽截面)，m;

A——等效基础面积，m2;

a——系数，一般为5;

b——系数，一般为0.33;

Su——软粘土的不排水抗剪强度，kPa;

V——桩靴的体积，m3;

γ'——土的平均有效重度，kN/m3。

需要说明的是，利用式(4)计算出的承载力应不小于在单一软粘土层中计算出的承载力，不大于在软粘土层上部或下部的硬层中计算出的承载力。

3 案例分析

以某自升式钻井平台为例，该平台桩靴基础的最宽部分面积为254 m2，有效直径为18.0 m。轻载时1#桩腿的荷载为69.6 MN，2#和3#桩腿的荷载均为67.7 MN;预压载时，每只桩靴的最大预压载为112.2 MN。

采用上述介绍的插桩计算分析方法，预测该平台在南海某井位(见表1)的插桩深度，并与实际插桩记录进行对比。

根据表1中井位的土质资料，第1和第2层层状土可能为排挤破坏模式和刺穿破坏模式两种情况(见图2)，第3和第4层层状土可能为应力扩散排挤破坏模式(见图3)，其中第3层密实到非常密实的砂可以等效为硬化模型，形成桩靴下部的砂土塞，其厚度受预压载荷、土体性质、桩靴直径等因素的影响［2-3］，并且可以作为桩靴的一部分，此时该砂土塞的直径可等效为桩靴直径，形成圆柱体，随着桩靴一起贯入，在贯入的过程中还需要考虑该圆柱体受到的竖向摩擦阻力，并且其起到应力扩散作用，变形分析可以忽略。按照图2和图3示意，对可能的几种破坏模式分别进行插桩计算。图4是该自升式钻井平台极限桩脚荷载与桩脚尖入泥深度关系曲线。图4中，“×”曲线表示在最大预压载下，4.5～7.8 m的粘性土被完全排挤后，形成24.1 m以上的砂土层下伏粘土层的层状土，进而进行刺穿分析和考虑上覆砂土塞的影响后的插桩计算结果;“○”曲线表示在最大预压载下，7.8 m以上的砂土层下伏粘土层的层状土发生刺穿后，形成24.1 m以上的砂土层下伏粘土层的层状土，再次进行刺穿分析和考虑7.8～15.9 m的砂土塞的影响后的插桩计算结果。

表1 井位设计参数表

4 结论

图4 极限桩脚荷载与桩脚尖入泥深度关系曲线

从图4中可以看出，该平台在最大预压载下，桩脚尖的入泥深度在5.6～9.0m之间。而该平台在该井位的实际插桩深度为5.6 m左右。由此可见，对于这种类型的层状土，利用上述分析方法分析、计算插桩结果预测可满足实际工程需要。

预测桩靴基础自升式钻井平台在砂土层下伏粘土层的层状土中插桩深度，需要充分考虑桩靴基础在这种层状土中可能发生的几种破坏模式，根据不同破坏模式或其组合进行插桩深度预测，可大大提高插桩深度预测的准确性。但是，对于某一特定的层状土土层组合，平台在实际插桩过程中，该层状土可能就只发生一种破坏模式，其插桩结果也是某一具体的深度。这就需要在今后的工作中，不断积累、总结经验，以便更准确地预测插桩深度，保障平台的作业安全。

［1］SNAME.Recommended practice for site specific assessment of mobile jack-up unites［M］.Rev.2 Jersey City，NJ:Society of Naval Architects and Marine Engineers，2002.

［2］TEHKL，LEUNGCF，CHOWYK，et al.Analysis of spudcan installation through loose sand into clay［C］∥1stJack-up Asia Conference and Exhibition，Singapore，2006:2-9.

［3］TEHKL.Punch-through of spudcan foundation in sand overlying clay［D］.Singapore:National University of Singapore，2007.