“老脚印”对自升式钻井平台插桩滑移的影响研究

刘　阳， 冮　鹏， 赵少伟， 王菲菲

(1.中海石油〈中国〉有限公司天津分公司，天津 300450； 2.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300450)

0　引言

渤海海域作为我国海洋石油的重要产区之一，随着作业频次的增多，自升式钻井平台在相近、甚至是同一位置二次甚至是多次插桩作业的情况越来越多，频繁的作业使得渤海海域的“踩脚印”问题日益突出，严重威胁着平台的作业安全。以某区块为例，自2007年3月至2010年10月，先后有4个自升式钻井平台在该区块进行作业，由于先前作业遗留“老脚印”的存在，给后续平台在附近位置插桩就位带来了不可忽略的安全隐患，严重影响了平台插桩就位作业的安全。

如图1所示，有一根桩腿的就位受到“老脚印”的影响，桩坑的存在导致的不均匀承载力将使得桩靴压桩过程中可能会滑向老脚印，滑移的趋势被桩腿的刚度、桩腿与船体的连接以及其他两根桩腿的就位等因素所限制，而滑移趋势的大小则由水平的力大小和桩靴对桩腿与船体的连接处的力矩大小来衡量。这种潜在的滑移风险很大程度上给平台的作业安全带来隐患。先前遗留的桩坑(老脚印)使得平台后续在该位置或相近位置插桩就位时可能出现滑移的情况，当桩靴滑移时，会发生几个桩腿向不同方向倾斜，造成桩腿与平台卡住，导致钻井平台不能升起，并严重影响了桩腿结构乃至整个平台结构[1]。本文就“老脚印”的存在及距离“老脚印”不同位置压桩过程中桩基土体的运移、破坏规律及最终承载力等情况进行了分析，并与无“老脚印”的情况进行了对比，得出”老脚印”对平台滑移风险的影响规律。

图1“踩脚印”问题示意

1　桩靴及土体有限元分析模型

根据结构的材料和受力特性，钢制的桩腿、桩靴结构在使用和施工过程中大多处于弹性范围内，可采用弹性理论计算。与桩腿、桩靴结构接触的土体可能因承受较大的作用力而发生拉裂或剪切破坏，需要采用合理的接触面单元来模拟。相对于桩靴的小变形、弹性模型，压桩过程中桩基土将发生大的变形，因此要用弹塑性本构模型对土体进行分析。由于海底土体的渗透系数较小，粘土一般在10-7～10-9m/s，砂土在10-2～10-3m/s，插桩时产生的孔隙水压力无法及时消散，故插桩模型需要考虑土体中渗流的影响。考虑到桩土模型的非对称性、三维模型极高的计算成本及二维模型已能得到足够精确的结果，建立二维有限元模型，单元类型用考虑孔隙压力的CPE8P八节点单元。考虑到桩靴侧面积较大，不能忽略其侧面与土体之间的摩擦阻力，所以桩靴的建模采用实体模型[2]。

土体的变形规律是复杂的，如非线性变形、塑性体积变形、剪胀性等，此外土体受载的应力路径、应力历史和固结压力等对土体的变形均有显著的影响，土体的应力应变关系必须采用合理的土体本构关系来描述[3]。现已提出了大量的土体本构关系模型，这里采用弹塑性模型，该模型认为土体的变形包括弹性变形和塑性变形两部分，同时把弹性理论和塑性理论结合起来建立本构模型，这种方法已成功模拟了土体变形的一些特性[4]。

针对“老脚印”对桩基土体运行规律、破坏机理及滑移风险影响的问题，对方形和锥形两种不同几何特征的桩靴，建立数值模型，相对于土体的大变形，钢制桩靴的变形几乎可以忽略不计。这里取桩靴弹性模量E=2.10×1011Pa，泊松比μ=0.3。如图2所示。

2　桩基土体塑性破坏特征研究

2.1　“老脚印”对桩基土塑性破坏机理影响

针对方形和锥形桩靴，就距离“老脚印”的两种不同位置(桩靴距离“老脚印”一定距离和桩靴一部分悬空)，压桩过程中桩基土体的塑性破坏特征进行分析，并与无“老脚印”的情况进行对比，结果如图3所示。

由计算结果可见，相对于无“老脚印”的情况，桩基土体的塑性破坏特征发生明显变化。受“老脚印”的影响，桩靴底部与“老脚印”底部靠近桩靴一侧的塑性区逐渐延展、连通，最终达到塑性破坏。随着距离“老脚印”的距离减小，塑性区更易贯通，桩基承载力更低，潜在的滑移风险也更大[5]。

2.2　不同土质条件桩基土塑性破坏规律研究

以锥形桩靴为例，就距离“老脚印”的不同位置(桩靴距离“老脚印”一定距离和桩靴一部分悬空)，在不同土体性质下(粘土和砂土)，对压桩过程中桩基土体的塑性破坏规律进行对比分析，这里列出了1、3、6、9 m的情况，结果如图4、图5所示。

由计算结果可见，在粘土中，当桩靴距离“老脚印”一定距离时，如桩靴未悬空工况(距离9 m)，桩基土体的塑性破坏区为围绕桩靴底面的塑性贯通区域，随着距离“老脚印”距离越来越近，桩靴底部靠近“老脚印”一侧底部土体的塑性破坏逐渐转移到“老脚印”壁的中间某位置。当桩靴部分悬空时(距离1 m)，桩基土体的塑性破坏特征发生明显变化，沿“老脚印”壁与桩靴底部右下角塑性区逐渐贯通并发生滑移。桩基土的承载区域(塑性破坏区域)随着桩靴不断接近“老脚印”而减小，承载力更小，滑移风险更高，对平台的潜在威胁更大。在砂土中，塑性贯通区随距离变化破坏规律与粘土相似，但砂土中贯通区域明显减小，滑移风险较粘土更大。

图2桩基土体破坏机理有限元分析模型

图3　距离“老脚印”不同距离压桩过程中桩基土体的塑性破坏特征

图4　距离“老脚印”不同距离压桩过程中桩基土体塑性应变云图(粘土)

3　桩基土体运移规律研究

3.1　“老脚印”对桩基土体运移规律影响

针对方形桩靴，就距离“老脚印”的两种不同位置(桩靴距离“老脚印”一定距离和桩靴一部分悬空)，对压桩过程中桩基土体的位移及运移规律进行分析，并与无“老脚印”的情况进行对比，结果如图6所示。

图5　距离“老脚印”不同距离压桩过程中桩基土体塑性应变云图(砂土)

由计算结果可见，“老脚印”对桩基土体的运移规律影响明显。随着距离“老脚印”的距离减小，桩基土体的运移规律发生显著变化，由无“老脚印”时的先随着桩靴竖直向下再侧向展开，变为压桩初始就开始偏向有脚印的一侧，当桩靴一部分悬空时，偏移情况明显，存在潜在的滑移风险。

针对锥形桩靴，就距离“老脚印”的两种不同位置(桩靴距离“老脚印”一定距离和桩靴一部分悬空)，压桩过程中桩基土体的位移及运移规律进行分析，并与无“老脚印”的情况进行对比，结果如图7所示。

由计算结果可见，跟方形桩靴时桩基土体的运移规律类似，但是，变化趋势更加明显，即桩基土体偏向“老脚印”的趋势更明显。当桩靴底部突出部分(桩尖)悬空或者接近悬空时，滑移风险显著增大。

图6距离“老脚印”不同距离方形桩靴压桩过程中桩基土体的运移规律

图7　距离“老脚印”不同距离锥形桩靴压桩过程中桩基土体的运移规律

3.2　不同土质条件桩基土体运移规律研究

以锥形桩靴为例，就距离“老脚印”的不同位置(桩靴距离“老脚印”一定距离和桩靴一部分悬空)，在不同土质条件下，对压桩过程中桩基土体的位移及运移规律进行了对比分析，这里列出了1、3、6、9 m的情况，结果如图8、图9所示。

由计算结果可见，“老脚印”对桩基土体的运移规律影响明显。由桩靴距“老脚印”一定距离工况(距离9 m)时的桩靴底部土体沿桩靴边沿与“老脚印”底部滑移面的滑移破坏，到桩靴部分悬空工况(距离1 m)下的桩靴直接滑入“老脚印”，“老脚印”底部没有隆起，滑移面由“老脚印”壁中间某位置贯通而不是“老脚印”底部，滑移风险更高，对平台的威胁更大。粘土中桩靴距“老脚印”一定距离时，“老脚印”底部隆起十分明显，近“老脚印”一侧土体明显向“老脚印”运移。通过与方形桩靴计算结果对比，锥形桩靴被影响桩基土区域更大，桩靴两侧土体隆起现象更为明显。

图8　距离“老脚印”不同距离压桩过程中桩基土体位移矢量图(粘土)

4　桩靴侧向滑移力分析

在对桩基土体运移规律、塑性破坏特征进行分析的基础上，对锥形和方形两种桩靴压桩过程中桩靴所受侧向滑移力随压桩深度变化进行研究，得出关系曲线图，如图10所示。可见，随着插桩深度的增加，桩靴所受侧向滑移力逐渐增大，直至到某一深度时达到峰值，而后，侧向滑移力逐渐减小。通过对锥形和方形两种典型几何特征的桩靴压桩过程中所受侧向滑移力对比发现，相对于锥形桩靴，方形桩靴所受侧向滑移力达到峰值时对应的竖直位移要小，侧向滑移力也小。

图9　距离“老脚印”不同距离压桩过程中桩基土体位移矢量图(砂土)

针对“老脚印”与桩靴不同距离的工况，分别提取了在不同土质条件下，桩靴压桩过程中所受侧向滑移力，就其与距“老脚印”距离的关系进行了分析。以锥形桩靴为例，如图11所示，是桩靴所受侧向滑移力(对应相同的压桩深度)关于距“老脚印”距离的关系图。

对比可见，当距“老脚印”距离为0，即桩靴完全悬空时，所受水平力为0，随着桩靴与“老脚印”距离的增大，水平力逐渐增大直至峰值，而后有所减小。而砂土与粘土相比，其峰值力出现时桩靴与“老脚印”的距离略为减小且峰值力远大于粘土，且其水平力变化率随距离变化较粘土更快。

图10　压桩过程中桩靴所受侧向滑移力分析

图11　所受侧向滑移力与“老脚印”距离的关系

5　结论

(1)通过对桩靴及桩基土特性的分析，采用弹塑性模型建立土体本构模型，单元类型采用考虑了孔隙压力的CPE8P八节点单元，分别建立了方形和锥形桩靴实体有限元分析模型。

(2)通过对桩基土塑性破坏特性的研究，对比分析了有无“老脚印”对桩基土塑性破坏的影响及不同土质条件下桩基土塑性破坏的规律。在有“老脚印”的情况下，塑性破坏特性变化明显，与“老脚印”底部靠近桩靴一侧的塑性区逐渐延展、连通，最终达到塑性破坏。同时研究了桩靴与“老脚印”间不同的距离对桩基土塑性破坏的影响。

(3)通过对桩基土体运移规律的研究，对比分析了有无“老脚印”对桩基土体运移规律的影响及不同土质条件下桩基土的运移规律。桩基土由无“老脚印”时的先随着桩靴竖直向下再侧向展开，变为压桩初始就开始偏向有“老脚印”的一侧。粘土中桩靴距“老脚印”一定距离时，“老脚印”底部隆起十分明显，近“老脚印”一侧土体明显向“老脚印”运移。

(4)通过对桩靴受侧向滑移力的分析，得出了两种类型桩靴的插桩深度与侧向滑移力关系曲线，以及不同土质条件下“老脚印”距离与侧向滑移力的关系曲线。