自升式平台桩腿桩靴在多层土体插桩深度分析方法研究

祁 磊，刘振纹，吴航舟，钱旭瑞，许 浩，李 光，邓海峰

(1. 中国石油集团工程技术研究院 天津 300451；2. 中国石油天然气集团海洋工程重点实验室 天津 300451；3. 中国石油集团海洋工程公司天津分公司 天津 300451)

自升式平台桩腿桩靴在多层土体插桩深度分析方法研究

祁 磊1,2，刘振纹1,2，吴航舟3，钱旭瑞3，许 浩1,2，李 光3，邓海峰1,2

(1. 中国石油集团工程技术研究院 天津 300451；2. 中国石油天然气集团海洋工程重点实验室 天津 300451；3. 中国石油集团海洋工程公司天津分公司 天津 300451)

结合公司自升式平台在胜利埕岛油田的插桩作业分析，通过比较单层土体承载力计算方法与多层土体承载力计算方法的差别，提出了多层土体插桩深度计算分析方法，并优化考虑了土体回填的判别方法。通过实际插桩过程的计算分析，验证了该方法的准确性。

插桩压载 多层土体 土体回填

随着海洋公司钻修井业务的拓展，公司最近几年在胜利油田海域有大量的修井作业工作。平台在插桩就位过程中多次出现桩腿贯入深度计算结果与实际插桩深度差别很大等问题。通过对大量井位工程地质勘察报告的分析，发现主要是由两个方面原因造成的：①工程地质参数不准确；②计算插桩深度方法的局限性。

海洋工程地质勘察方法（如原位测试方法和室内土工试验）存在问题是导致工程地质参数不准确的主要原因，而没有考虑多层土体对基础承载力的影响是导致插桩深度计算方法不准确的重要原因。本文将对自升式平台桩靴/桩腿在多层土体插桩深度的计算方法进行探讨。

1 现有自升式平台桩腿/桩靴基础承载力计算方法

国内广泛采用《海洋井场调查规范》来预测自升式钻井平台在预定作业井位的插桩深度。该规范参考了国外平台插桩深度预测方法。但是，由于该方法是基于单层土的承载能力分析，没有考虑桩靴基础下部土层对平台插桩深度的影响，并且假定桩靴上部土体完全回填，其预测的插桩深度与实际插桩深度存在一定的误差。

目前自升式平台从桩靴结构上可分为两种类型：无桩靴自升式平台和带桩靴自升式平台。带桩靴平台只考虑桩端承载力，而无桩靴的桩腿在单层土体承载力计算方法上考虑了桩端承载力和桩侧摩阻力两部分，计算公式如下：

式中：Q为总的极限承载力，QP为桩腿端部极限承载力，Qs为桩侧摩阻力；f为单位摩擦力；q为单位桩端承载力；AS为桩侧表面积，Ap为桩端面积。

2 自升式平台桩腿在多层土体中的基础承载力计算方法

目前无论是在国内还是国外，对多层土体的桩腿/桩靴基础承载力计算方法研究较少，尽管SNAME提供了3层土体的承载力计算方法，但太过简单。参照SNAME的3层土体承载力计算方法，结合双层土基础承载力计算公式，提出了多层土体基础承载力计算方法。计算步骤如下：①将各土层假定为单层土体，分别计算各自深度下的基础承载力 Fit1、Fib1，其中 i为土层编码，t表示为土层上端，b表示为土层下端。②将最深的土层n计算出的承载力分别设为 Fnt2、Fnb2，并规定 Fnt2＝Fnt1、Fnb2＝Fnb1。③按双层土分析计算n－1土体极限承载力，对比F（n-1）b1、Fnt2，若 F（n-1）b1＞Fnt2，按照上硬下软的双层土计算公式计算，若F（n-1）b1＜Fnt2，按照上软下硬双层土进行计算。④当为上硬下软土层时，按照穿刺计算分析方法进行计算，可分为上硬黏土下软粘土和上砂层下黏土层两种情况；当为上软下硬土层时，需要首先判断土体失效类型，当 B≥3.45,T(1+1.1,D/B)时发生排挤，否则为一般剪切失效，排挤失效采用排挤的计算方法，一般剪切失效采用单层土体的计算方法进行计算。⑤如步骤③、④计算 n－2层以上所有的土层的极限承载力，并绘制出桩靴贯入深度计算曲线。

计算不同类型双层土体的承载力的方法如下：

① 上软粘土下硬土（无回流条件下）：

② 上软粘土下硬土（完全回流条件下）：

式中推荐如下的挤压因子：a＝5.00，b＝0.33，cu为软黏土的不排水剪切强度。

③ 上硬粘土下软粘土（无回流条件下）：

④ 上硬粘土下软粘土（完全回流条件下）：

⑤ 上砂土下粘土（无回流条件）：

⑥ 上砂土下粘土（完全回流条件）：

可以发现，对于上软下硬的粘土，按照单层土体计算出的承载力要比双层土体计算出的承载力小，而对于上软下硬粘土，采用单层土体计算出的承载力要大于双层土体计算出的承载力。

3 土体回流的判断

对于无桩靴的自升式平台是不存在土体回填的，而对于存在桩靴的自升式平台，在插桩时通常会在桩靴上部形成桩坑。桩坑会发生回填，回填土按照来源大致可分为以下几种类型：①桩靴下部土体回流；②桩坑壁面失效垮塌；③周边泥沙移运，如图1所示。

图1 土体回填类型Fig.1 Types of soil back fill

土体的回填会降低土体承载力，增加入泥深度，增大拔桩难度。目前常用的极限桩坑深度计算方法有：

①假设桩坑完全回填。《海洋井场调查规范》假设平台插桩时桩靴上部的桩坑是由回填土充满的。对比平台历史插桩记录，该方法预测的插桩深度与实际插桩记录存在较大的误差。

②稳定系数法。SNAME推荐使用稳定系数法来评估桩靴基础在不排水粘性土中插桩时的临界桩坑深度：

式中：cus为桩坑深度范围内不排水抗剪强度的平均值，N为稳定因子，'γ为土壤的浮容重。

稳定系数法是基于粘性土轴对称开挖过程中的壁面失效原理，没有考虑插桩时土体的回流效果，考虑得不够全面。因此，基于流动失效机理提出了极限桩坑深度的计算方法：

式中：H为桩坑深度，B为桩靴直径，cu为海床至桩坑底端的平均不排水抗剪强度，γ'为土体的浮容重。

按照以上公式计算出极限桩坑深度之后根据桩靴的入泥深度，就可算出桩靴以上土体的重量，在承载力计算中减去这部分重量便是实际的土体承载力。

4 现场计算案例

中油海某平台在胜利某井位进行修井作业，根据该作业井位的工程地质资料计算出该平台的桩靴承载力计算曲线，根据平台的单桩极限载荷，初步确定平台的最大插桩深度。

图2 按照单层土计算的单桩极限承载力Fig.2 Bearing capacity of jackup in single soil

该平台为无桩靴式平台，因此承载力计算中可不考虑土体的回填，但承载力计算需要考虑桩端承载力和桩侧摩阻力两部分，首先按照各土层计算参数，采用单一土体承载力计算方法计算出各层桩端承载力，承载力曲线如图2所示，再按照上文采用的计算方法计算层状土桩端承载力，承载力曲线如图3所示。按照层状土进行计算，计算分析过程如下：①28～40,m，将该土层按照单一土体计算出的承载力设为双层土承载力值。②24.5～28,m，通过比较，该土层为软土，下一层为硬砂土，通过上软下硬双层土计算方法进行计算。③22.5～24.5,m，该层为砂土层，按照上砂土下粘土进行计算，从最终的计算结果看，按照双层土计算出的承载力较原结果偏小，可见对于该薄层土承载力受软土层的影响。④14.3～16.6,m，同样为上砂土下粘土，计算方法与 22.5～24.5层类似。⑤以上土层可按上述方法进行计算分析。

理论计算深度为11.0,m左右，桩靴贯入深度曲线如图3所示，最终插桩深度：右艏 9.8,m，左艏 11.2,m，左艉 9.8,m，右艉11.7,m。理论与实际插桩深度基本一致。

图3 按照双层土计算的单桩极限承载力Fig.3 Bearing capacity of jackup in multip le soil

5 结 语

本文结合公司自升式平台在胜利埕岛油田插桩作业分析，通过比较单层土体承载力计算方法与多层土体承载力计算方法的差别，提出了多层土体插桩深度计算分析方法，并优化考虑了土体回填的判别方法。通过实际插桩过程的计算分析，验证了该方法的准确性。

采用多层土体插桩深度分析方法解决了在两层土体间存在两种不同土体承载力的错误，能够更合理地解释土层间承载力的变化，并且该方法在实际应用中具有更高的准确性。■

［1］ Society of Naval Architects & Marine Engineers（SNAME）. Guidelines for Site Specific Assessment of Mobile Jack-up Units，Technical & Research Bulletin 5-5A [S]. 1st Edition. 2002.

［2］ HSE RR（UK）series，Guidelines for jack-up rigs w ith particular reference to foundation stability [EB/OL]. http ： //www. hse. gov. uk/research/rrpdf/rr289. pdf.

［3］ Xie Y，Falepin H，Jaeck C. Prediction of Spudcan Penetration Resistance in Multiple Soil Layers [C]. ISOPE 2010.

［4］ 陈小华，田丰. CB22C平台调查技术报告[R]. 2014.

Research on Penetration Depth Calculation of Jack-Up Drilling Platform in M ultiple Soil Layers

QI Lei1,2，LIU Zhenwen1,2，WU Hangzhou3，QIAN Xurui3，XU Hao1,2，LI Guang3，DENG Haifeng1,2
(1．CNPC Research Institute of Engineering Technology，Tianjin 300451，China；2．CNPC Key Laboratory of Ocean Engineering，Tianjin 300451，China；3．Tianjin Division of CPOE，Tianjin 300451，China)

This article takes the jackup in Chengdao Oilfield as the research object to analyze penetration in multiple soil layers through the comparison of the bearing capacity calculation method both in single layer soil and multi-layer soil．It proposes the bearing capacity calculation in multiple soil layers and optim izes the discrim inant formula of soil backfill．The accuracy of this method was verified through calculation and analysis of the actual penetration of jackup in Chengdao Oilfield.

penetration of jackup；multiple soil layers；soil backfill

TE53

：A

：1006-8945(2015)10-0025-03

2015-09-18