大比尺自升式平台插拔桩试验系统研制及验证*

高 攀 段梦兰 赵良美 宋林松 黎剑波

(1. 上海海事大学海洋科学与工程学院 上海 201306； 2. 中国石油大学(北京)海洋油气研究中心 北京 102249；3. 中海油田服务股份有限公司 河北三河 065201)

大比尺自升式平台插拔桩试验系统研制及验证*

高 攀1段梦兰2赵良美2宋林松3黎剑波3

(1. 上海海事大学海洋科学与工程学院 上海 201306； 2. 中国石油大学(北京)海洋油气研究中心 北京 102249；3. 中海油田服务股份有限公司 河北三河 065201)

高攀，段梦兰，赵良美，等.大比尺自升式平台插拔桩试验系统研制及验证[J].中国海上油气，2016,28(6)：108-114.

Gao Pan，Duan Menglan，Zhao Liangmei,et al.Development and validation of a large-scale model test system for spudcan penetration and extraction[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(6):108-114.

自升式平台顺利插拔桩对其安全作业具有至关重要的作用。根据插拔桩问题主要控制方程的相似，推导了1倍重力加速度模型主要物理量的相似系数,建立了主要由土池、加载装置、原位测量装置、冲桩系统和测量系统组成的大比尺自升式平台插拔桩试验系统。该系统可以模拟自升式平台插桩、冲桩和拔桩，能够测量插拔桩深度和阻力，监测桩靴底部孔隙水压力的变化。运用该系统进行了初步插桩试验和边冲边拔的拔桩试验，将插拔桩阻力与规范和相关经验公式进行了对比，验证了系统的有效性和准确性，研究了桩靴底部孔压的分布规律以及孔压和插桩阻力的变化关系，证实了冲桩可以减小拔桩阻力的显著效果。本文研制的大比尺自升式平台插拔桩试验系统为进一步研究自升式钻井平台的插拔桩阻力和冲桩效果提供了基础，有利于保障自升式钻井平台的作业安全。

大比尺；自升式平台；1倍重力加速度模型；插拔桩；冲桩；孔压监测

自升式平台在就位时需要将桩靴和桩腿插入泥中，而撤离则需要将桩靴和桩腿从泥中拔起。目前，在自升式平台进行作业前，通常根据SNAME、ISO等标准[1-2]进行插桩深度和拔桩阻力的计算。然而，自升式钻井平台的插拔桩过程仍然面临各种各样的挑战，穿刺和拔不起等事故时有发生。为了解决这些问题，试验研究是最可靠、最常用的方法，因此，建立一套用于自升式平台插拔桩模拟的试验系统是非常有意义的。

对于自升式平台插拔桩问题，国内外很多科研院校做过相关离心机模型试验，包括西澳大学、新加坡国立大学和大连理工大学等。对于插桩问题，Craig等[3]对均匀砂、黏土和砂覆黏土中的插桩进行了离心机试验，初步探索了砂覆黏土中的破坏机理；Teh[4]对砂覆黏土中的插桩进行了离心机试验，进一步揭示了砂覆黏土中的破坏机理；Hossian等[5]对上硬下软黏土层中的插桩进行了离心机试验，得到了上下层土体强度比、硬土层厚度和下层土不均匀度对于插桩阻力的影响规律。对于拔桩问题，Martin等[6]对黏土层中的拔桩问题进行了研究，并与1倍重力加速度下的试验进行了对比；Purwana[7]进行了软黏土中拔桩的离心机试验，发现平台作业时间对于桩底吸附力的影响显著；Kohan等[8]通过离心机试验进一步解释了桩靴基础拔桩过程中的破坏机理及影响因素，遗憾的是该试验中桩靴模型底部仅安装了一个孔压传感器，导致无法有效监测桩靴底部孔隙水压力分布。目前大部分试验研究多集中在插拔桩阻力的研究上，关于冲桩对于减小拔桩阻力作用的试验研究则非常有限。Gaudin和Bienen等[9-10]相继就冲桩对于减小拔桩阻力的效果进行了离心机试验研究，对不同排量、压力情况下的冲桩效果进行了比较，结果表明冲桩对于减小拔桩阻力的效果显著。但由于该离心机试验中模型尺度较小，桩靴底部仅布置了一个喷嘴，因此难以进一步研究冲桩喷嘴布局等因素对于冲桩效果的影响，难以对实际设计和工程作业提供指导。张海洋[11]研制了一套桩靴喷冲试验系统，研究了喷冲对于减小拔桩阻力的作用效果。但该系统中土体厚度小，桩靴入泥深度较浅；而且仅能测试拔桩阻力，不能有效监测桩靴下部土体中的孔压变化。

尽管离心机试验与1倍重力加速度试验相比具有很多优点，但它也存在不少缺点。由于离心机负载能力有限，离心机试验的比尺通常是1∶100甚至更小，这种条件下限制了冲桩系统等结构的几何相似，而且模型上能够安装的传感器数量有限，也限制了试验的数据信息采集量。另外，离心机试验成本高昂，一台中型离心机及配套试验系统的造价通常在1 000万元人民币以上，而且离心机试验中土样的配置难度很大，尤其是黏性土的配置。

综上所述，目前自升式平台插拔桩问题的试验研究以离心机模型试验和常规模型试验为主，但离心机试验尺度过小，试验成本高昂，配土难度大，而现有常规模型试验设计简单，不能满足深入研究的要求。本文研制了一套1∶30的大比尺自升式平台插拔桩试验系统，用于模拟自升式平台桩靴的插拔过程，监测插拔桩阻力、孔压变化，并模拟冲桩过程。应用该系统进行了常规的插拔桩和冲桩试验，验证了系统的有效性。该系统对于研究插拔桩过程中的穿刺、滑移等问题[12]，确保自升式平台安全作业具有重要的意义。

1 试验系统研制

1.1 系统相似性分析

插拔桩过程中土体变形场和渗流场相互耦合，因此，该问题的基本控制方程应包括平衡方程、几何方程、本构方程和渗流连续方程[13]，分别如式(1)～(4)所示。

平衡方程

(1)

几何方程

(2)

式(2)中:εij为土体的应变张量；ui，j、uj,i为位移对坐标的一阶偏导数。

本构方程

(3)

渗流连续方程

(4)

定义原型与模型物理量之比为相似常数，以C表示。若以Cl、Cδ、CH、Cγ、Cσ、Cε、CDep、CK、Ct分别表示长度、位移、水头、重度、应力、应变、本构关系、渗透系数和时间的相似常数，则原型土体的平衡方程、几何方程、本构方程和水流连续方程分别为

(5)

(6)

(7)

(8)

在本模型中，Cl=Cδ=CH=N。由于模型土体的密度与原型相同，所以在1倍重力加速度环境下，Ct=1。由于土体渗透系数表达式为K=γwd2/Caμ(Ca为形状系数，d为土体特征空隙尺寸，μ为土中流体动力黏滞系数)，因此CK=1。 很显然，若要式(5)～(8)同时得到相似，这些相似常数不能任选，须满足如下关系才能使模型与原型保持相似，即Cσ/(ClCγ)=1，Cε=1，Cσ/CDep=1，CKCt/Cl=1，这时可以求得Cσ=CDep=N,Ct=N。这说明模型土体本构缩比N倍时即可使得模型和原型相似，此时模型应力为原型应力的1/N，模型中渗流时间为原型的1/N，可以得到1倍重力加速度环境下模型试验各物理量的相似系数，如表 1所示。根据各物理量的相似规律，模型试验结果即可以被推广至实际工况。

表1 模型主要物理量相似系数

1.2 系统组成设计

为了实现插拔桩和冲桩试验功能，研制的自升式平台插拔桩试验系统主要包括土池、加载及支撑装置、测量系统、冲桩系统和模型桩靴等设备，具体原理图如图1a所示。土池尺寸为6 000 mm×5 000 mm×3 500 mm，可根据试验需要配置单层、双层或多层土。

土池外固定有用于支撑加载系统的桁架结构，加载系统可以对桩靴模型施加插桩和拔桩载荷。冲桩系统与模型桩靴上的冲桩管路相连接，供给冲桩水。桩靴模型根据试验原型进行缩比设计制造。制造安装完成后的试验系统如图1b所示。

图1 大比尺自升式平台插拔桩试验系统示意图

该试验系统可以完全模拟自升式平台海上插桩—作业(维持作业载荷)—拔桩的全过程，其中插桩和拔桩阶段加载系统的动作机构与李志刚 等[14]研制的导管架平台桩-土相互作用试验系统一样,如图2a所示。另外，通过压载结构模拟作业载荷，压载平台上可以根据实际需要放置配重模拟作业载荷，如图2b所示。

桩靴模型根据试验对象缩比设计，如有冲桩需要则须设计冲桩管路。本文以CJ50船型的桩靴为研究对象，该桩靴为方形，尺寸为22 500 mm×17 700 mm×3 690 mm，其外部轮廓及底部喷嘴布局如图3a所示。设计了1∶30(模型∶原型)的试验模型，模型尺寸为747 mm×590 mm×123 mm，其内部设计有冲桩管路，可以通过冲桩系统供水进行冲桩，如图3b所示。该桩靴模型上下表面均设计有冲桩喷嘴，每个喷嘴处设计为螺纹孔，可以更换不同内径的喷嘴或者对喷嘴进行封堵。

图2 大比尺自升式平台插拔桩试验系统加载装置

图3 CJ50桩靴模型

冲桩系统由DFK S4-1V变频控制柜、LG-B立式多级泵、压力变送器和电磁流量计组成，供水流量为0～4.2 m3/h，压力范围为0～1 MPa，使用时可单独控制流量或压力，使用的传感器有力传感器、位移传感器和孔压传感器，其中孔压传感器布置于桩靴底部，如图4所示。所有传感器均采用DH5923动态数据采集仪进行数据采集，该采集仪共有32个数据通道，采集速度快，抗干扰能力强，能够全程记录静动态数据的实时变化。原位测量系统则采用意大利Machetti公司生产的扁铲侧胀仪(DMT)，该系统主要由控制箱、扁铲、贯入装置和气源组成，可广泛用于测量软至硬黏土和砂土[15]。

图4 孔压传感器布局图

1.3 试验模型设计

本试验系统桩靴模型底部喷嘴24个，顶部喷嘴18个，喷嘴直径为6 mm。本次试验配置了单层黏土，试验黏土物理和力学参数如表2所示。为保证试验结果的准确性，在搅拌填埋之前对试验用土进行晾晒一周处理，并对直径超过20 mm的土粒进行碾压。然后，将试验用土倒入试验土池中，同时控制注水量，逐层搅拌填埋，每层厚度为300 mm。填埋完成后，对土池静置固结30 d，然后进行试验。试验前，使用DMT系统对不同点位的原位土进行了测试，土体不排水抗剪强度的测试结果如图5所示。

表2 试验黏土主要参数

图5 本次模拟试验实测不排水抗剪强度曲线

2 试验系统验证

2.1 插拔桩阻力模拟

首先插桩至目标深度，测得最大插桩阻力约6 600 N，将实测的插桩阻力曲线与SNAME(2008)推荐方法[1](取完全回填和不回填2种极端条件)的结果进行了对比，如图6所示，从图6可以看出，在入泥较浅时，实测插桩阻力与不考虑回填计算出的插桩阻力接近，但入泥超过300 mm(0.4D)时，实测插桩阻力更接近考虑回填计算出的插桩阻力。在入泥较深时，实测插桩阻力值比规范预测的值要小，这可能是由于实际过程中入泥较深时桩靴下部土体发生了明显的软化。

维持作业载荷为压载量的90%，即6 000 N，持续0.5 d；最后拔起桩靴，并记录拔桩阻力，将实测最大拔桩阻力与根据张海洋的方法[11]进行计算的结果进行了对比。需要指出的是，桩靴底部吸附力缺乏可靠的计算公式，本文根据经验取作业载荷的35%。通过计算得到最大拔桩阻力为4 600 N，而试验测得的最大拔桩阻力仅为约3 600 N。分析认为，这可能是两方面的原因造成的：一是实际拔桩时计算公式中最大拔桩阻力的4个分项难以同时达到最大值，因而理论计算结果偏大；二是随着作业时间增长，桩靴周围土体逐渐固结，不排水抗剪强度得到一定程度的恢复，同时桩靴底部的超孔压在作业期间逐渐耗散，拔桩时的吸附力会随着作业时间的增长而增大，因此实际拔桩时的阻力会比理论最大值偏小。

图6 实测插桩阻力与规范对比

2.2 孔压监测

图7为插桩过程中桩靴底部的孔压变化，可以看出最靠近桩靴中心的P1点孔压最大，而远离桩靴中心的P2和P3点孔压较小。尽管P3点比P2点更远离桩靴中心，但它们的大小相差不大，这说明方形桩靴底部孔压的分布并不是中心对称的。

图8为插拔桩过程中超孔压和阻力的变化对比，可以看出：在插桩过程中，超孔压和阻力同时随插桩深度的增加而增加。在拔桩过程中，超孔压随着桩靴深度的减小而减小，并出现了负超孔压。拔桩开始时，拔桩阻力迅速增大，然后随着桩靴深度的减小，桩靴下部形成了孔穴，拔桩阻力缓慢增加，桩靴底部孔压逐渐减小并出现了负超孔压。当桩靴拔起约330 mm时，桩靴下部孔穴发生了坍塌回填，拔桩阻力迅速减小，孔压也迅速增大。

在维持作业载荷期间，桩靴底部孔压会随时间变化，如图9所示。从图9可以看出，超孔压随时间不断耗散，但耗散速度逐渐减小，在模拟作业约17.5 h后超孔隙水压力几乎完全耗散，趋近于0。

图7 插桩过程中不同位置处孔隙水压力变化

图8 插拔桩过程中超孔隙水压力和插拔桩阻力的对比

图9 作业期间超孔隙水压力耗散

2.3 冲桩有效性验证

对比未冲桩的拔桩试验，应用该试验系统进行了桩靴底部边冲边拔的拔桩试验。拔桩速率为1.0 mm/s，冲桩压力为75 kPa，根据Bienen等[10]的试验结论，确定冲桩流量为1.4 m3/s。试验得到有无冲桩时的拔桩阻力对比如图10中的拔桩阻力曲线所示，可以看出，边冲边拔时的拔桩阻力在初始阶段明显减小，拔桩阻力峰值减小50%左右，说明冲桩对于减小拔桩阻力具有很好的作用。另外，试验过程中吸附力基本消除，这与Bienen等[10]的试验结果一致。

图10 有无冲桩时的拔桩阻力对比

3 结论

基于基本控制方程相似，推导建立了插拔桩试验的相似模型系统，通过对材料本构进行缩比得到了1倍重力加速度条件下的相似模型，研制了由土池、加载装置、原位测量装置、冲桩系统和测量系统组成的大比尺自升式平台插拔桩试验系统，并通过试验验证了该试验系统的有效性和准确性。本文研制的大比尺自升式平台插拔桩试验系统为进一步研究自升式平台插桩过程中的穿刺、滑移和拔桩过程中的冲桩效果等问题提供了试验基础，对于保障自升式平台的安全作业具有重要的意义。

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(编辑：吕欢欢)

Development and validation of a large-scale model test system for spudcan penetration and extraction

Gao Pan1Duan Menglan2Zhao Liangmei2Song Linsong3Li Jianbo3

(1.CollegeofOceanScienceandEngineering,ShanghaiMaritimeUniversity,Shanghai201306,China; 2.OffshoreOilandGasResearchCenter,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 3.ChinaOffshoreServicesLimited,Sanhe,Hebei065201,China)

The successful installation and removal of jack-up units are of great significance for their safe operations. Based on the similarity of governing equations for spudcan penetration and extraction, the similarity coefficients of the major parameters of 1gmodel are derived. A large-scale model test system for spudcan penetration and extraction is developed, which mainly consists of the soil tank, loading apparatus, in-place soil test system, jetting system and sensing system. With this system, the process of spudcan penetration, jetting and extraction can be simulated, the penetration depth and resistance measured, and the pore water pressure at the spudcan base monitored. A preliminary test of spudcan penetration and extraction with jetting is conducted. The resistance is compared to the predicted value with the specification and empirical formula, which confirms the validity and accuracy of the test system. The distribution pattern of pore water pressure and the relationship between the pore pressure and resistance are also analyzed. And the extraction test confirms the efficiency of jetting in reducing extraction resistance. The test system developed here provides an experimental prerequisite to the study on spudcan penetration, extraction and jetting, which is of great significance for the safe operations of jack-up units.

large scale; jack-up unit; 1gmodel; penetration and extraction; jetting; pore pressure monitoring

1673-1506(2016)06-0108-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.06.018

*国家自然科学基金“自升式钻井平台拔桩过程中非线性桩土相互作用研究(编号：51379214)”部分研究成果。

高攀，男，2016年毕业于复旦大学流体力学专业并获博士学位，主要从事结构-土相互作用和基础安全性方面的研究。地址：上海市海港大道1550号上海海事大学海洋科学与工程学院(邮编：201306)。E-mail:pgao@shmtu.edu.cn。

TU411

A

2016-03-30 改回日期：2016-04-27