钻井船插桩对导管架平台群桩影响的CEL有限元分析

何启洪, 赖 禺,周松望

(1. 中海石油(中国)有限公司恩平油田群联合开发项目组，广东 深圳 518067; 2. 中海油田服务股份有限公司物探事业部，天津 300451)

钻井船插桩对导管架平台群桩影响的CEL有限元分析

何启洪1, 赖 禺1,周松望2

(1. 中海石油(中国)有限公司恩平油田群联合开发项目组，广东 深圳 518067; 2. 中海油田服务股份有限公司物探事业部，天津 300451)

采用CEL大变形非线性有限元方法并结合非线性地基梁模型对海洋石油941钻井船在番禺10-2平台钻井插桩时对邻近导管架平台群桩的影响进行了分析，并得到以下结论：1)钻井船插桩过程中，桩身最大位移及出现的位置随钻井船插桩深度增加而下移且钻井船插桩位置与群桩距离越近，对桩的影响越大；2)在插桩过程中，桩身最大弯矩出现的位置与桩身最大位移出现的位置一致，而桩身最大剪力出现的位置较桩身最大弯矩出现的位置偏下；3)与没有插桩影响的群桩相比，桩身最大弯矩与桩身最大剪力明显增加。

钻井船插桩；导管架平台；插桩影响；CEL方法；群桩基础

Abstract: The CEL FEM and nonlinear foundations beam model are used to analyze the horizontal effects of the spudcan penetation of Haiyangshiyou 941 Jack-up Rig on piles of the jacket platform in PY10-2 oil field. The conclusions are as follows: 1) The maximum pile displacement and the depth of the maximum pile displacement increase with the process of spudcan penetration. The closer the distance of the spudcan and piles is, the greater the effect is; 2) During the spudcan penetration, pile head is the maximum moment positon and the position of the maximum moment of pile is consistent with the position of the maximum displacement of pile. The position of the maximum combined shear force is deeper than that of the maximum moment; 3) Consistant with the piles without the effect of penetration, the maximum moment and the maximum displacement increase evidently.

Keywords: spudcan penetration; jacket platform; effects of the spudcan penetration; CEL method; pile group

近年来，随着我国海洋油气开发场址水深的增加，钻井船进行钻井或修井作业时，其就位插桩对邻近导管架平台桩基的影响问题日趋明显。美国轮机与造船工程师学会(SNAME)关于钻井船插桩的规范规定[1]，当钻井船桩靴与邻近平台桩之间间距小于1倍桩靴直径时，就需要评价钻井船插桩对邻近平台桩安全性的影响。

钻井船插桩时，与其相邻最近的平台钢桩沿桩身将会受到插桩挤土导致的水平方向挤土力作用，评价钻井船插桩对邻近平台钢桩影响的实质是能够分析插桩挤土力引起的桩身附加弯矩和剪力。目前可能用于评价钻井船插桩对邻近平台桩影响的一种方法是能够进行非线性大变形问题分析的耦合欧拉-拉格朗日有限元数值仿真方法[2](以下简称CEL有限元方法)。已有研究表明[3]，利用该法分析钻井船在单一黏土层、砂土层中插桩时，可以得到与离心模型试验结果基本吻合的插桩阻力曲线。文献[4]的研究表明，利用该法分析钻井船在单一黏土层中插桩对邻近一根钢管桩影响时，计算出的桩身弯矩与离心模型试验结果相比也比较一致。为此，本文利用CEL有限元方法并结合非线性地基梁模型[5]，分析海洋石油941钻井船插桩对番禺10-2导管架平台桩基的影响。

1 问题简介与CEL有限元模型

番禺10-2导管架平台位于中国南海珠江口盆地，距香港东南约175 km。导管架平台的基础为4腿的8群桩基础，每组群桩由两根打入泥面以下96 m的钢桩组成，钢桩外径2.438 m。两根桩的间距7.071 m，布置见图1。941钻井船在番禺10-2就位钻井作业时，需要将直径18 m的桩靴贯入泥面以下15 m深的土层；按照图1给出的钻井船插桩与平台钢桩之间的相对位置可知，钻井船桩靴边缘距最近的平台钢桩A外缘仅5.3 m，远小于1倍的桩靴直径，因此，须分析钻井船就位插桩时，对导管架平台钢桩甚至平台安全的影响。

使用ABAQUS数值仿真分析软件建立有限元模型时，参考已有的研究[4]，水平方向的计算边界取66 m，竖直方向计算边界取100 m，在泥面以下20 m深度范围内的土体采用欧拉单元EC3D8R进行离散，以模拟插桩过程中桩靴周围土体的大变形流动性态，综合考虑计算效率及计算精度，此部分单元的网格尺度为2 m。20 m至100 m范围内的土体采用拉格朗日8结点实体单元C3D8R进行离散。另外，在泥面以上沿竖直方向10 m范围内，设置了EC3D8R欧拉空穴单元，以模拟钻井船插桩过程中土体的隆起与回淤。为保证计算效率，按照等效抗弯刚度的原则，将钢管桩转换为实体桩，也采用拉格朗日8结点实体单元C3D8R对桩进行离散，两根桩的桩头采用一个刚性板连接，在板的顶部设置一转动弹簧，弹簧的转动刚度由给定工况的桩头弯矩与转角的比值确定，经计算，转动刚度为8.14×106kN·m，以模拟上部导管架结构对群桩桩头的弹性约束条件，以下将这组群桩称为受影响群桩。为了考虑其它3组群桩的支撑作用，用3组满足p-y关系的非线性地基梁模拟其它3组群桩的作用，且在桩头用刚性杆与受影响群桩相连，以下将这3组群桩称为支撑桩。图2是按上述原则建立的CEL有限元计算模型。为以下分析方便，定义沿影响桩连线方向为x方向，垂直于影响桩连线方向为y方向，如图1所示。

图1 桩靴与邻近桩基的位置分布示意Fig. 1 The layout of spudcan and adjacent piles

图2 CEL有限元计算模型Fig. 2 The CEL FEM calculation model

2 CEL有限元分析中的计算参数

表1给出了番禺10-2平台场地的土层分布。在CEL有限元分析中，利用理想弹塑性本构模型描述土层的应力应变关系。理想弹塑性模型包括三个基本参数：弹性模量、泊松比与屈服强度。计算中黏土层和砂土的泊松比分别取为0.49和0.3，且按摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)强度准则确定屈服强度。

按下述方法确定土体的等效弹性模量：

1)利用非线性地基梁模型，依据p-y数据，见表2，计算单桩桩头在水平荷载作用下的荷载位移曲线。

2)建立一个单桩与土相互作用的三维有限元模型。

3)给定土层一个弹性模量，通过三维有限元弹塑性计算，确定桩头荷载位移曲线。

4)将第3)步计算出的桩头荷载位移曲线与第1)步计算出的桩头荷载位移曲线进行比较。若两者相差明显，调整土层的弹性模量，重复第3)步中的计算，直到有限元计算出的桩头水平荷载位移曲线与第1)步计算出的桩头水平荷载位移曲线基本吻合为止。此时土层的弹性模量就是与非线性地基梁模型以及p-y数据等效的土体弹性模量。

按照上述步骤确定出的土体等效弹性模量为20 MPa。

表1 番禺10-2钻井场地土层资料Tab. 1 Soil parameters of Panyu 10-2 site

采用线弹性本构关系描述等效实体桩的材料特性，且按实际钢管桩与等效实体桩抗弯刚度相同确定等效实体桩的弹性模量：

式中：Ee为等效弹性模量；E为钢管桩材料的弹性模量，取210 GPa；I为钢管桩的截面惯性矩；Ie为等效实体桩截面惯性矩。

CEL有限元计算模型的边界条件设置：1)欧拉区域边界节点的水平速度设置为0，并且将边界设置为欧拉吸收边界，以防止欧拉土体穿越计算模型的边界，消除由于计算模型尺寸选取可能导致的边界效应；2)将拉格朗日区域边界的侧面和底面位移设置为0。

CEL有限元计算模型的接触条件及参数设置：1)欧拉体与拉格朗日体之间的接触采用广义接触[6](general contact)；2)邻近受影响桩与拉格朗日土体之间的接触采用面—面接触(surface-to-surface contact)，且选择刚度大的桩体表面作为主面，土体表面作为从面。

表2 番禺10-2钻井场地平台桩的p-y数据Tab. 2 P-y Data of the pile of Panyu 10-2 site

(续表)

3 桩身挤土位移分析

图3 插桩至10 m时的平台桩变形示意Fig. 3 The pile deformation for spudcan penetration at 10 m

图3是CEL有限元计算得到的钻井船插桩至5 m、10 m与15 m时，桩A与桩B受土层挤压时的桩身典型的变形示意图；图4计算得到的桩受挤压时的桩身水平位移沿桩长的变化，图中的Ux与Uy分别代表沿图1中的x方向与y方向的位移。图4中的结果表明，当群桩只承受插桩挤土荷载时，由于相邻钢桩的支撑作用，泥面处桩头的位移很小；当钻井船插桩至5 m时，对于桩A，在泥面以下大约18 m附近范围桩身水平位移达到最大；对于桩B，在泥面以下大约21 m附近范围桩身水平位移达到最大；当钻井船插桩至10 m时，桩A在泥面以下大约21 m附近范围桩身水平位移达到最大,桩B在泥面以下大约26 m附近范围桩身水平位移达到最大，这种规律与插桩至5 m时的规律一致，与插桩至5 m时的计算结果相比，插桩导致的桩身最大位移位置下移，对于桩A，最大水平位移增大了137%，对于桩B，最大水平位移增大了50%；当钻井船插桩至15 m时，桩A在泥面以下大约23.5 m附近范围桩身水平位移达到最大，桩B在泥面以下大约32 m附近范围桩身水平位移达到最大，这种规律与插桩至5 m、10 m时的规律也一致，与插桩至10 m时的计算结果相比，插桩导致的桩身最大位移位置进一步下移，对于桩A，最大水平位移增大了9%，对于桩B，最大水平位移增大了10%。可见，插桩对距离近的桩影响深度小于距离远的影响深度，当插桩深度小于10 m时，桩身最大位移的增速较快，当插桩深度大于10 m时，桩身最大位移的增速较慢。计算结果还表明，无论是桩A还是桩B，桩身出现最大水平位移的深度大于钻井船插桩的深度，这与已有的一些离心模型试验结果较为一致[7-9]。

图4 桩身水平位移Fig. 4 Lateral displacement of pile

4 桩身弯矩与剪力分析

在海洋工程的桩基结构设计中，使用非线性p-y弹簧模拟土对桩的作用，借助非线性地基梁模型确定桩头力作用下桩身的弯矩与剪力。

图5 非线性地基梁有限元模型Fig. 5 The nonlinear foundations beam FEM model

这里也采用非线性地基梁模型，同样利用p-y弹簧模拟土层对桩的作用，进而依据CEL有限元分析得到桩身水平位移，计算挤土导致的桩身弯矩和剪力响应。

在ABAQUS中采用梁单元建立非线性地基梁有限元模型，由于采用梁单元，按实际管桩的截面尺寸确定梁单元截面参数。梁单元的弹性模量取210 GPa，泊松比取0.25。利用考虑群桩效应的非线性p-y弹簧模拟土对桩的横向支撑作用。参考在番禺10-2群桩分析中，按弹性桩头设置约束条件，故在桩头设置了一个转动弹簧，转动刚度为3.41×107kN·m。图5给出了非线性地基梁模型有限元模型。计算时，按图4给出的结果，在非线性地基梁节点处施加位移，确定梁的弯矩与剪力响应。

图6 桩身弯矩随深度的变化Fig. 6 Pile moment vs. depth

图6给出了桩A的桩身弯矩沿桩长的分布。图6中的结果表明：当桩头只承受插桩挤土荷载时，桩头弯矩最大。插桩至5 m时，桩身最大弯矩位置大约在泥面以下17.5 m左右；插桩至10 m时，桩身最大弯矩位置大约在泥面以下20 m左右，与插桩至5 m时的计算结果相比，桩身最大弯矩增大了107%；钻井船插桩至15 m时，桩身最大弯矩位置大约在泥面以下23 m左右，与插桩至10 m时的计算结果相比，桩身最大弯矩增大了11%。显然，随钻井船插桩深度增加，桩身最大弯矩出现的位置不断下移并与最大位移出现的位置基本一致。当插桩深度小于10 m时，桩身最大弯矩的增速较快，当插桩深度大于10 m时，桩身最大弯矩的增速较慢。插桩挤土引起的附加弯矩范围也随插桩深度增加而增大。插桩5 m时，影响范围大约在泥面以下40 m以内；插桩10 m时，影响范围大约在泥面以下50 m以内；插桩15 m时，影响范围大约在泥面以下60 m以内。

图7 桩身总剪力随深度变化Fig. 7 Pile shear force vs. depth

图7给出了桩A的桩身总剪力沿桩长分布。图7中的结果表明：当桩头只承受插桩挤土荷载时，桩头附近处剪力最大。插桩至5 m时，桩身最大合剪力位置大约在泥面以下25 m左右；插桩至10 m时，桩身最大合剪力位置大约在泥面以下27 m左右；钻井船插桩至15 m时，桩身最大合剪力位置大约在泥面以下33 m左右。由此可见，随钻井船插桩深度增加，桩身最大合剪力出现的位置不断下移且最大合剪力逐渐增大，这与桩身位移及弯矩沿桩身的变化规律是一致的。

图8 挤土与桩头力共同作用下桩身位移、弯矩与剪力Fig. 8 Pile displacement, moment and shear force under the soil squeezing and pile head force loading

针对钻井船插桩至10 m的情况，图8给出了桩A在桩身受插桩挤土力与桩头y方向水平力共同作用时，桩身位移、桩身弯矩与合剪力沿桩长的分布。将仅有插桩挤土时的计算结果与此种工况计算结果进行比较可知，桩头与桩身的位移增加；桩身的最大弯矩与最大合剪力没有明显增加。

图9给出了桩A仅受桩头y方向水平力作用下，桩身位移、桩身弯矩与合剪力沿桩长的分布情况。与没有插桩影响、桩头仅作用水平荷载的工况相比，由于插桩导致的桩头位移增大了约45%，桩头弯矩没有明显增加，桩身弯矩最大增加了25%，桩头合剪力增加了29%，桩身剪力也明显增加。

图9 桩头水平力作用下的桩身位移、弯矩与剪力Fig. 9 Pile displacement, moment and shear force under the pile head horizontal force loading

5 结 语

采用CEL大变形非线性有限元方法并结合非线性地基梁模型，分析了海洋石油941钻井船插桩对番禺10-2导管架平台群桩的影响。得到以下结论：

1)钻井船插桩过程中，由于平台四组群桩的支撑作用，插桩挤土不会导致泥面处群桩桩头发生明显位移，但是插桩挤土会导致泥面以下桩身产生较大位移较大；

2)桩身最大挤土位移随钻井船插桩深度增加而增加，当插桩超过一定深度时，桩身最大位移不再明显增加；

3)桩身最大位移出现的位置随钻井船插桩深度增加而增加，这点与已有的离心模型试验结果基本一致；

4)钻井船插桩对群桩中距离近的桩的影响深度小于距离远的桩的影响深度；

5)在插桩过程中，桩身最大弯矩出现的位置与桩身最大位移出现的位置较为一致，桩身最大剪力出现的位置较桩身最大弯矩出现的位置偏下；

6)与没有插桩影响的群桩相比，桩身最大弯矩与最大剪力明显增加。

钻井船插桩对邻近桩的影响分析，是一个十分复杂的问题。这里针对一个特定场地、特定插桩相对位置条件下进行分析，所得结论难免有一些局限性。因此，今后有必要对不同条件做进一步分析。

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CEL FEM analyzsis on effects of spudcan penetration on piles of an jacket platform

HE Qihong1, LAI Yu1, ZHOU Songwang2

(1. Enping Oilfields Joint Development Project PMT, CNOOC (China) Ltd., Shenzhen 518067, China; 2. Geophysical-China Oilfield Service Limited, Tianjin 300451, China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.06.015

1005-9865(2016)06-0123-08

2015-12-14

何启洪(1973-)，男，广东高要人，从事海洋石油平台工程建设工作。E-mail: qihong_he@cnooc.com.cn

赖 禺。E-mail: laiyu@cnooc.com.cn