东海三种井口平台桩基受力特性分析

孙友义，侯金林，刘 明

（中海石油（中国）有限公司北京研究中心，北京100027）①

东海三种井口平台桩基受力特性分析

孙友义，侯金林，刘 明

（中海石油（中国）有限公司北京研究中心，北京100027）①

4腿8裙桩井口平台按导管架腿斜度可分为单斜式、双斜式与斜变直式3种形式。桩基受力特性是平台的重要性能。以S A CS程序为分析工具，基于非线性土壤／桩基／结构交互分析，研究了这3种形式平台的桩基受力特性。通过桩基受力影响因素分析，提出了改善桩基受力的措施，可为该类平台的导管架与桩基设计提供参考。

井口平台；裙桩套筒；桩基受力特性

4腿8裙桩井口平台是我国东海海域的常用平台形式，根据导管架腿斜度可分为单斜式、双斜式与斜变直式3种形式。单斜平台指一侧腿沿“X”或“Y”轴单斜，另一侧腿沿“X”与“Y”轴双斜的平台；双斜平台指腿均沿“X”与“Y”轴双斜的平台；斜变直平台指腿在导管架下部与裙桩套筒连接部位为垂直段，垂直段以上沿“X”与“Y”轴双斜的平台［1-2］。这3种形式平台各有其优缺点。目前，东海井口平台多以自升式钻井船实施钻修井作业，在钻井船首次或二次就位时，桩靴与导管架桩之间需留有足够的安全距离，以免钻井船插拔桩对平台桩基承载力造成过大的不利影响。

对于双斜或斜变直平台，钻井船就位时桩靴距导管架桩的间距小，桩基承载力较易受到插拔桩影响；对于单斜平台，钻井船在单斜一侧就位，插拔桩不会对桩基承载力造成影响。单斜平台结构不对称，受方向性环境力影响大；双斜与斜变直平台结构对称，抵抗各方向环境力能力强。对于双斜与单斜平台，导管架腿与裙桩套筒的连接形式较为复杂，制造困难；对于斜变直平台，导管架腿与裙桩套筒的连接形式简单，制造简单。与双斜或单斜平台相比，斜变直平台靠近泥面的两层水平层间距小，导管架重心偏低，吊耳较难布置。

桩基受力特性是平台的重要性能。本文针对4腿8裙桩井口平台，以S A CS程序为分析工具，基于桩土非线性静力分析，研究单斜、双斜与斜变直3种形式平台的桩基受力特性，分析桩基受力影响因素，并探讨改善桩基受力的措施，可为导管架及桩基设计提供参考。

1 计算模型与分析方法

单斜、双斜与斜变直3种形式平台均为4腿8裙桩导管架结构形式，水深为81.8 m，平台有9个井槽，甲板无修井机，以自升式钻井船实施钻修井。导管架工作点标高为8.5 m，工作点尺寸为16 m× 12 m，设有5个水平层。上部组块有3层甲板，设有10人生活楼及直升机甲板，组块操作质量为4 000 t。3种形式平台的结构分析模型如图1所示。

1） 单斜平台 平台西侧（“X”轴负向）两腿沿“Y”轴单斜，斜度为1∶10（水平尺度比垂直尺度）；东侧（“X”轴正向）两腿沿“X”、“Y”轴双斜，斜度均为1∶10。

2） 双斜平台 4腿均以1∶10的斜度沿“X”、“Y”轴双斜。

3） 斜变直平台 自工作点至第4水平层，4腿均以1∶10的斜度沿“X”、“Y”轴双斜，自第4水平层向下，4腿均变为垂直。

裙桩套筒是用于固定平台桩腿的主要结构［3］，通常采用板式连接结构形式，主要由套筒、上翼板、下翼板以及剪切板组成。

对于双斜或单斜平台而言，裙桩套筒剪切板与导管架腿的连接形式比较复杂。由于腿相对垂直面有斜度，而剪切板垂直于水平面，剪切板与腿的交线并不与腿轴心线平行。两剪切板与相应腿轴心线只有一个交点，将该交点所在平面称为桩腿定位平面。如图2a所示，如将定位平面放在下翼板标高处，在上翼板标高处，剪切板与腿不易形成连接；如图2c所示，如将定位平面放在上翼板标高处，在下翼板标高处，剪切板与腿连接位置偏离轴心过大，传力性能差。为使结构达到较好的传力性能，通常将定位平面放在上、下翼板中间标高处，如图2b所示。

图1 4腿8裙桩井口平台结构模型

图2 裙桩套筒与双斜腿连接关系示意

对于斜变直平台，剪切板与腿的交线与腿轴心线平行，连接形式较为简单。

图3为3种形式平台的桩基布置示意图。3种形式平台的桩径均为ø2.134 m。对于单斜与双斜平台，定位平面设在上、下翼板中间标高处。对于3种形式平台的初步计算模型，两剪切板均呈垂直布置，桩腿间距为4.50 m，两桩间距为6.36 m（约为3倍桩径）。

按百年一遇的风浪流条件极值（波浪最大）计算桩基受力，最大波高为23.1 m，表面流速为2.13 m／s，风速为40.9 m／s。环境载荷考虑8个作用方向。

以S A CS软件为分析工具，建立平台模型输入文件、环境载荷输入文件以及桩土交互作用输入文件，通过非线性土壤／桩基／结构交互分析计算平台桩基受力。

图3 平台桩基布置示意

2 平台桩基受力特性对比分析

桩的设计需要考虑压桩和拔桩2种工况［4］，本文中由于压桩工况控制桩的入泥深度，因此仅列出桩的受压桩头力计算结果，以下文中桩头力均指受压桩头力。

3种形式平台的各桩桩头力计算结果如表1。单斜、双斜与斜变直平台最大桩头力分别为39 466、32 921与34 231 k N。单斜平台与斜变直平台最大桩头力分别比双斜平台大20%与4%。对于桩的设计而言，相比双斜平台和斜变直平台，单斜平台对桩基承载力要求更高，针对同样土壤条件所需入泥深度加大，对制造而言，用钢量增加，对安装而言，施工时间和难度加大［5］。此外，从各桩之间桩头力差异上看，与双斜和斜变直平台相比，单斜平台各桩受力的不均衡性最为显著。单斜、双斜、斜变直3种形式平台，最大桩头力与最小桩头力之比分别为1.31、1.10与1.10。

表1 3种形式平台各桩桩头力计算结果

下面分析3种形式平台桩基受力特性存在差异的原因。桩受力由平台自重力和外界环境力造成。单斜、双斜与斜变直平台的导管架干重（含附属结构）分别为30 136、30 814与31 082 k N，组块操作重相同。由此可知，3种形式平台的自重力大小相当。

3种形式平台在8个方向上所受水平环境力如表2。从整体上看，3平台所受水平环境力大小相当，且均在方向上存在差异，受45°和225°方向的环境力影响最大。

表2 3种形式平台水平环境力计算结果

分别计算平台在自重力或环境力单独作用下桩的受力，计算结果如表3。对于双斜和斜变直平台，仅在自重力作用下，各桩受力大小相当；仅在环境力作用下，各桩受力存在差异，结合表2结果可知，这主要是由环境力大小在方向上存在差异造成的。对于单斜平台，仅在自重力作用下，平台西侧桩受力明显大于东侧桩，西侧桩距重心距离小导致其承受较大自重载荷；仅在环境力作用下，各桩受力存在较大差异，这是由环境力方向差异和结构形式不对称共同造成的。从表3还可看出，对于这3种平台，环境力对桩头力的贡献均占主导地位。

表3 自重力和环境力导致桩头力数据

基于以上分析，3种形式平台所受自重载荷与水平环境力大小相当，故可推知，平台最大桩头力差异由导管架结构形式差异造成。与双斜平台相比，斜变直平台由于底部直腿段的存在，其底盘尺寸比双斜平台小，抵抗环境载荷力矩的抗倾力臂相应较小，导致桩承受压力比双斜平台大。

与双斜平台相比，单斜平台底盘在“X”向跨度小，单斜一侧桩承受较大载荷，对于受力最大的1号桩，由于抗倾力臂小，环境力对其施加较大载荷，同时还承受较大自重载荷，导致其桩头力显著大于双斜平台。

3 桩基受力影响因素分析

3.1 剪切板夹角对桩基受力影响分析

对于一腿两裙桩的裙桩套筒结构，两剪切板通常呈90°角布置，在这种形式下传力比较直接，但有时也采用其它角度。下面定量分析剪切板夹角对桩基受力的影响，计算时桩腿间距保持不变。图4为3种形式平台最大桩头力随剪切板夹角的变化关系曲线。以θ表示剪切板夹角。如图4所示，3种形式平台的最大桩头力均随θ增大有逐渐增大趋势，但受θ的影响程度有较大不同。θ＝60°时，单斜、双斜与斜变直平台的最大桩头力分别为38 788、32 546与34 124 k N；θ＝120°时，单斜、双斜与斜变直平台的最大桩头力分别为40 169、34 589与34 586 k N。双斜平台最大桩头力受θ影响显著，其与θ近似呈抛物线形关系，尤其是在θ大于90°后，最大桩头力随θ增大急剧增大。单斜平台最大桩头力受θ影响较为显著，但其与θ近似呈线性关系。斜变直平台最大桩头力受θ影响不显著。

图4 3种形式平台最大桩头力随剪切板夹角的变化关系曲线

从改善桩基受力的角度出发，对于这3种形式平台，θ均不宜超过90°。θ在90°以内，对于双斜平台，减小θ对于改善桩基受力帮助不大；对于单斜平台，减小θ可在一定程度上改善桩基受力。对于斜变直平台而言，通过调整剪切板夹角来改善桩基受力不是一种有效手段。

3.2 两桩间距对桩基受力影响分析

考虑到多桩对土壤承载力的不利影响，相邻两桩间距通常需不小于2.5倍桩径。两桩间距理论上不存在上限，但受翼板屈服强度的限制，两桩间距不宜过大。对于双斜与斜变直平台而言，两桩间距还可能受到钻井船插桩安全距离的限制。下面定量分析两桩间距对桩基受力的影响，计算时两剪切板呈垂直布置。图5为3种形式平台最大桩头力随桩间距的变化关系曲线。以L表示相邻两桩间距，D表示桩径。L＝2．5D时，单斜、双斜与斜变直平台最大桩头力分别为40 100、33 735与34 940 k N；L＝4D时，单斜、双斜与斜变直平台最大桩头力分别为38 140、31 823与32 910 k N。随着桩间距的增大，3种形式平台的最大桩头力均呈逐渐减小趋势，且减幅大致相当。从本质上看，增大两桩间距将导致桩腿间距增大，进而导致桩的抗倾力臂增大。分析表明，增大桩间距可在一定程度上改善桩基受力，或者说，增大桩腿间距可在一定程度上改善桩基受力。

图5 3种形式平台最大桩头力随桩间距的变化关系曲线

3.3 桩基受力改善措施

结合以上分析，对于单斜平台，图6给出1种裙桩布置方案。如图6所示，在下翼板标高处，两套筒与腿轴心的连线相互垂直，定位平面设在上、下翼板中间标高处。与初步计算模型相比，两桩间距仍为3倍桩径，但在定位平面内，桩腿间距增大，剪切板夹角减小。由计算得出，单斜平台最大桩头力为38 132 k N，与初步计算模型相比减小了1 334 k N。分析表明，对于单斜平台，采用减小剪切板夹角与增大桩腿间距相结合的方式改善桩基受力效果明显。

图6 1种单斜平台裙桩布置方案

综合以上分析，对于单斜平台，可考虑采用减小剪切板夹角与增大桩腿间距相结合的方式改善桩基受力。对于双斜与斜变直平台，两剪切板呈垂直布置较为合理，可考虑采用增大桩腿间距的方式改善桩基受力。

4 结论

1） 本文针对4腿8裙桩导管架平台形式，研究了单斜、双斜与斜变直3种形式平台的桩基受力特性。通过桩基受力影响因素分析，提出了改善桩基受力的措施。

2） 从桩基受力性能上看，双斜平台最大桩头力最小，斜变直平台最大桩头力略大于双斜平台，而单斜平台最大桩头力显著大于双斜和斜变直平台；此外，单斜平台各桩受力的不均衡性也最为显著。这3种形式平台的自重及所受环境力大小相当，桩基受力性能差异主要由导管架结构形式差异造成。

3） 对于桩的设计而言，相比双斜与斜变直平台，单斜平台对桩基承载力的要求有显著提高，对入泥深度要求更高，进而导致用钢量增加、施工时间和难度加大。在满足钻井船就位时桩靴距桩安全距离的前提下，推荐采用双斜或斜变直式导管架结构形式。

4） 对于单斜、双斜与斜变直3种形式平台，最大桩头力均有随剪切板夹角增大而增大的趋势，但受剪切板夹角影响程度差异很大；从改善桩基受力的角度出发，这3种形式平台的剪切板夹角均不宜超过90°。另外，这3种形式平台的最大桩头力均有随桩间距增大而减小的趋势，且减幅大致相当。对于单斜平台，可考虑采用减小剪切板夹角与增大桩腿间距相结合的方式改善桩基受力。对于双斜与斜变直平台，可考虑采用增大桩腿间距的方式改善桩基受力。

［1］ 张保军，于春洁.春晓气田群井口平台结构形式研究［J］.中国海上油气（工程），2003，15（1）：29-31.

［2］ 李健民.导管架桩的布置、尺寸和贯入深度的确定［J］.中国造船，2005，46（增刊）：378-380.

［3］ 冯加果，李新仲，谢彬，等.基于A N S Y S的海洋平台局部构造疲劳寿命评估的网格精度和外推方法研究［J］.石油矿场机械，2011，40（1）：15-20.

［4］ 海洋石油工程设计指南编委会.海洋石油工程平台结构设计［M］.北京：石油工业出版社，2007.

［5］ 陈建民，娄敏，王天霖.海洋石油平台设计［M］.北京：石油工业出版社，2012.

Pile Foundation M echanical Characteristic Analysis for Three Types of W ellhead Platforms in East China Sea

S U N Y ou-yi，H O U Jin-lin，LIUMing
（C N O O C Research Institute，Beijing100027，China）

W ellhead platforms with 4 legs and 8 skirt piles can be classified as three forms including single-batter type，double-batter type and batter-to-vertical type according to the jacket leg batter.The pile foundation mechanical characteristic is an im portant performance of the platform. Pile foundation mechanical characteristics for the three types of platforms were studied，using S A CS software，based on nonlinear soil-pile-structure interaction analysis.Influence factor analysis on pile foundation mechanical characteristics was performed，and measures for im proving the pile foundation bearing capacities were discussed.T he results can provide a reference for jacket and pile foundation design for these types of platforms.

wellhead platform；skirt pile sleeve；mechanical characteristics of pile foundation

T E951

A

10.3969／j .issn.1001-3482.2014.08.004

1001-3482（2014）08-0017-06

2014-01-02

孙友义（1983-），男，山东东营人，博士，2009年毕业于中国石油大学（华东）机械设计及理论专业，主要从事海洋工程研究与设计工作，E-mail：sunyy4＠cnooc.co m.cn。