自升式平台桩靴与土壤相互作用计算方法研究

王 琳， 曲健冰， 李红涛

(中国船级社海洋工程技术中心， 天津 300457)



自升式平台桩靴与土壤相互作用计算方法研究

王 琳， 曲健冰， 李红涛

(中国船级社海洋工程技术中心， 天津 300457)

自升式平台桩靴与土壤的相互作用对整体性能的研究具有重要影响，合理的设定土壤刚度对准确评估自升式平台的性能具有重要意义，同时针对具体的井位进行分析，可以在一定程度上提高平台的作业能力。该文在吸收国内外相关规范的基础上，利用SNAME规范中提出的算法，对某自升式平台进行计算验证，进一步梳理了计算流程，对土壤刚度在工程实践中的具体应用具有一定的借鉴和指导意义。由于自升式平台的作业特点以及SNAME规范本身的适用范围，该推荐做法仅适用于对平台针对具体井位的作业能力分析。

土壤刚度；自升式平台；整体性能

0 引言

在以往对自升式平台进行结构设计及评估时，桩靴约束一般采用《海上移动平台入级规范(2012)》中的规定，带有独立桩靴的桩腿在设置底部的边界条件时，可按桩腿/桩靴的贯入深度给予适当考虑。除进行详细的桩靴-土相互作用计算并得到CCS认可外，一般可按以下考虑[1]：

(1)当桩靴只有部分入泥时，铰支点取在最大入泥深度的一半处；

(2)当桩靴整体全部入泥后，铰支点取在桩靴高度的一半处。

但是对于有特定要求或进行井位分析时，需要详细分析桩靴-土壤的相互作用，为此，该研究通过查看相关领域的规范、文献及实验研究结果，详细介绍了考虑土壤刚度的具体算法，为海上自升式平台的评估提供参考和借鉴。

1 桩靴与土壤相互作用计算方法介绍

当计算模型考虑桩靴-土壤相互作用时，边界条件定义为弹性支撑，即三个方向的弹簧刚度系数：垂向刚度系数K1，水平刚度系数K2，扭转刚度系数K3。

1.1 考虑土壤刚度的计算流程

土壤对桩靴的约束情况取决于土壤类型，桩端允许的最大垂向载荷，桩靴的几何形状，垂向载荷和水平载荷的组合状态等。

具体计算流程如下：

(1) 将初始土壤垂向刚度、水平刚度和扭转刚度施加于结构计算模型，分析平台在重力、环境力、惯性力等载荷作用下的响应。

(2) 在模型计算结果中提取桩靴反力(QV,QH,QM)，代入土壤的屈服面方程，以查看土壤失效情况。在自存工况时，土壤如果在屈服面之外，通过降低土壤的扭转刚度，重新计算模型查看结果，直到每个桩靴处的土壤受力均在屈服面之内。

(3) 如果扭转刚度减小到0，土壤受力仍在屈服面之外，说明该桩腿土体有失效的可能。

(4) 当土壤依据初始刚度进行计算时，如果土壤受力在屈服面以内，土壤的扭转刚度要进行折减，折减后计算结果仍需在屈服面以内。

土壤刚度迭代流程图如图1所示。

图1 土壤刚度迭代流程图

1.1.1 初始刚度的确定

初始土壤刚度确定如下[2，3]：

垂向刚度的确定

水平刚度的确定

转动刚度的确定[4]

式中：ν为土壤泊松比；GV,GH,GR分别为土壤的垂向剪切刚度，水平剪切刚度以及转动剪切刚度，定义如下：

(1) 粘土中：

其中：cu为土壤的不排水抗剪强度。

对于固结粘土，固结系数大于10时，G/cu=50；固结系数在4～10之间时，G/cu=100；固结系数小于4时，G/cu=200。

如果在桩靴下土壤有小的应变，应该采用更高的Ir数值，一般推荐固结较严重时取200～400，固结相对不严重时采用800～1 000[5,6]。

(2)沙土中[7]：

Gv=36 600+34.9(VLo/A)

Gh=1 100+5.6(VLo/A)

式中：A为桩靴的有效接触面积。

1.1.2 土壤屈服面的确定

当桩靴入泥较浅时，土壤的屈服面定义如下：

式中：VLo为桩靴允许的最大垂向预压载荷，HLo，MLo定义如下：

对于沙土：

HLo=(C1/C2)(VLo/4)=0.12VLo

式中：C1=0.3，C2=0.625,B为基础的接触直径。

对于粘土：

HLo=cuoA+(cuo+cu1)As

将桩靴反力(QV,QH,QM)代入方程(1)左侧，如果左侧结果小于0时，则该反力载荷在屈服面之外。

1.1.3 土壤刚度的折减

在土壤依据初始刚度进行计算时，如果某个桩靴处的土壤受力(QV,QH,QM)在屈服面以内，土壤的扭转刚度要进行折减，折减系数定义如下：

其中：

如果rf>1.0，证明土壤受力(QV,QH,QM)在屈服面以外，此时刚度折减系数fr无效。

1.2 入泥深度对土壤刚度的影响

考虑入泥深度对土壤刚度的影响时，一般在原来土壤刚度的基础上乘以入泥深度系数Kd。Kd1,Kd2,Kd3分别表示垂向刚度影响系数，水平刚度影响系数和扭转刚度影响系数[8]。

Case1和Case2分别表示桩靴土壤不回填以及桩靴土壤回填，入泥深度系数见表1，土壤不回填情况如图2所示，土壤回填状况如图3所示。

表1 入泥深度系数

图2 土壤不回填 图3 土壤回填

2 工程算例

以某自升式平台为例，分析其考虑土壤弹簧刚度后的桩靴受力。平台结构模型如图4所示，平台主要作业条件见表2。

图4 有限元模型图

表2 平台作业条件

钻井自存水深(feet)300300波高(feet)4050波周期(s)1210风速(knots)6070流速(knots) @水面下50feet00 @水面 11气隙(feet)3636桩腿入泥深度(feet)1313桩腿长度(feet)417417

2.1 粘土中

假定此移动平台作业海床为粘土，不排水抗剪强度为40 kPa，泊松比为0.48，则桩靴受力计算结果见表3、表4(选取作业工况进行计算，环境入射角度为120°，此方向为引起下风向桩靴反力最大的方向)。

表3 参数计算

表4 土壤承载力计算

图5为该状态下地基垂向-横向承载力示意图及三个桩靴受力。

图5 地基垂向-横向承载力示意图

由图5可以看出，钻井作业状态下，预估的初始土壤刚度下，一般土体受力能够落在屈服面内，需要利用折减系数重新校核土壤的稳定性。

2.2 砂土中

假定此移动平台作业海床为砂土，泊松比为0.48，则桩靴受力计算结果见表5(选取自存工况进行计算，环境入射角度为120°，此方向为引起下风向桩靴反力最大的方向)。

表5 土壤承载力计算

图6为该状态下地基垂向-横向承载力示意图及三个桩靴受力(在初始扭转刚度下，如果土壤受力在屈服面外，扭转刚度降低后应尽量在屈服面附近，即失效比率接近1.0)。

图6 地基垂向-横向承载力示意图

由图6可以看出，自存状态下，如果土体受力不能落在屈服面内，需要反复调整计算，使各个桩靴附近土体受力尽量接近屈服面，即失效比率接近1.0。对于其调整方法，目前尚无相关的规范给出规定或推荐方法，且由于几条桩腿端部的刚度相互影响，调整过程可能会比较繁琐，使用者应尽量寻找规律，减少重复计算次数。

2.3 小结

由以上分析可以看出：

(1)考虑桩靴-土壤的相互作用，桩端部分弯矩由土体分担，从而有利于平台的整体性能和结构强度。

(2)平台桩腿端部允许的最大预压载荷是确定土壤屈服面的最关键因素。

(3)砂土中，泊松比越大，土壤刚度越大，平台受土体的约束越明显；粘土中，不排水抗剪强度越大，泊松比越高，平台受土体的约束越明显。

(4)桩靴的入泥深度越深，桩靴上覆土回填良好，有利于站立工况的结构整体性能，但是又需考虑拔桩的影响，要综合权衡考虑。

(5)桩靴尺寸是影响土体稳定和平台结构整体性能的重要因素，设计时应慎重考虑。

3 结语

该文提供了一种考虑桩靴-土壤接触刚度的计算方法，砂土中和粘土中分别选取了一个自存工况或作业工况进行举例说明，而实际一个完整的平台计算评估，需要考虑平台的具体设计作业水深，考虑钻井工况和风暴自存两种站立工况，每种工况需要考虑不同的波浪入射方向，同时需要考虑砂土和粘土两种土壤类型，在每次计算过程中，依据初始土壤刚度计算结果迭代次数不定(一般进行一次井位分析的计算次数为：2个作业水深×2种站立状态×5个环境载荷入射方向×2种土壤类型×至少2次迭代计算≈80次)，同时除需评定土壤承载力外，还需进行平台桩腿强度和各项整体性能的校核，工作量较大，建议实际工程项目中，选取较危险的具有代表性的工况进行核算，以便更加高效的指导工程实际。

以上算法针对单一的砂土或粘土，且土壤参数固定，是比较理想的状态，而实际的土壤固结情况、回填情况，分层状态、土壤性质等复杂多变，如需更详细的计算方法，需要进一步研究。

[1] 中国船级社.海上移动平台入级规范[S].2012.

[2] SNAME 5-5A.Guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units[S].2002.

[3] SNAME 5-5A.Recommended practice for site specific assessment of mobile jack-up units[S].2007.

[4] Winterkorn H F， Fang H Y.Foundation Engineering Handbook[M].Van Nostrand Reinbhold Company，2005.

[5] Andersen K H. Cyclic effects on Bearing Capacity and Stiffness for a Jack-up Platform on Clay[R].NGI Oslo report 913012-1, 1992.

[6] Wroth.A Review of the Engineering Properties of Soils with Particular Reference to the Shear Modulus[R].Cambridge University Engineering Department. Report No 1523/84./SM049/84，1979.

[7] Dean.A New Procedure for Assessing Fixity of Spudcans on Sand[R]. Andrew N Schofield and Associates Ltd., Cambridge, for Joint Industry Jack-Up Committee，1992.

[8] Bell R W. The Analysis of Offshore Foundations Subjected to Combined Loading[R]. MSc. Thesis presented to the University of Oxford，1991.

Study on Function of Spud Can Footings in Sand and Clay for Jack-up

WANG Lin， QU Jian-bing， LI Hong-tao

(Offshore Engineering Technology Center of CCS，Tianjin 300457， China)

Function of spud can footings in sand and clay is important for jack-up general performance, so it is significant to estimate the rotational, vertical and horizontal stiffness for spud can in soil and this can improve the capability of the jack-up units in specific site. Based on relative studies and rules, the SNAME method is suggested and as an example, we analyzed a jack-up with three spud cans. And it should be noted that this guideline is applicable only for jack-ups in specific site.

soil stiffness; jack-up; general performance

2013-11-22

王 琳(1985-)，女，工程师

1001-4500(2015)03-0061-07

P75

A