非连续压载下黏土层中桩靴承载力变化规律*

王冬石 袁 烨 徐文祥 谭瑞龙 段梦兰

(1. 中海油田服务股份有限公司 河北三河 065201； 2. 复旦大学航空航天系 上海 200433；3. 湖南大学土木工程学院 湖南长沙 410082； 4. 中国石油大学(北京)海洋工程研究院 北京 102249)

1 问题的提出

自升式钻井平台拖航到指定位置后，须对平台进行预压载，将桩靴插入泥面以下一定深度。实际作业中平台所需的全部压载水分多次注入，每次之间会使压载重量维持一段时间不变，确认安全后方可继续注水进行下一步压载，即预压载是桩靴贯入—维持—贯入的非连续过程。然而，在某些上硬下软的地层(俗称“鸡蛋壳”地层)，由于桩靴的压强较大，需要穿过“鸡蛋壳”才能达到其额定的支撑反力，但在穿过“鸡蛋壳”时桩腿会发生快速沉降，即为 “穿刺”现象。

为了提高对软黏土地层海域的作业适应性，在更浅的地层获得足够大的地基承载力，某些新型自升式平台使用了面积较大的桩靴设计，也称“大脚”设计。大桩靴在提高软地层适应性的同时，可在较浅的地层获得足够的稳定性而避免穿透“鸡蛋壳”地层，降低了穿刺风险。虽然业界一般认为自升式钻井平台在均质黏土层中不会发生穿刺事故，但穿刺事故依旧时有发生，如：印尼Belida B WHP平台在插桩时发生了穿刺事故[1]，后续地质调查发现在预压载过程中黏土层产生了“人工硬层”而导致穿刺；南海某井位某大桩靴自升式钻井平台在黏土层预压载作业时也发生了穿刺事故，穿刺深度接近4 m，对平台结构造成了损伤。因此，研究不连续压载工况下大桩靴平台在黏土层中穿刺发生的原因和特性，对于提高安全生产，减少作业事故有着极其重要的意义。

对于单一软黏土层极限地基承载力的理论计算，国内外众多学者均提出了经验计算公式。Skempton等[2]提出了桩靴在单一黏土层不排水情况下的地基承载力计算公式；Houlsby等[3]考虑了桩尖的设计形状、桩靴埋置深度、土体不排水抗剪强度随深度线性增加等条件，提出了不考虑回填影响的表达式；Hossain等[4]研究了桩靴在土体中的运动模式和破坏机理，考虑了空洞的形成，提出了计算公式；张爱霞[5]构造了方形桩靴三维地基复合滑移破坏面，根据极限平衡理论，提出了新的方形桩靴单层地基承载力的计算方法。目前，我国关于地基承载力的计算所采用的《海洋井场调查规范》[6]与SNAME[7]推荐方法相同，该计算方法忽略桩靴的摩擦力、形状对地基极限承载力的影响，同时不考虑抗剪强度随深度加深而增大带来的影响，其计算公式为

(1)

对于自升式钻井平台非连续压载问题的试验研究，Purwana等[8]进行了离心机试验，发现压载停止时土体会发生固结，超孔隙水压会随着入泥深度线性增长；Barbose[9]通过离心机试验发现,即使黏土固结程度较低，依然会出现穿刺现象，而且固结后土体承载力和穿刺深度随着固结停止时的深度增加而增加；Bienen等[10-11]通过改变固结时间和固结时垂直载荷大小，发现固结后土体孔隙比减小，不排水抗剪强度增加,承载力急剧增加，而且固结时间越长，承载力提高得越多。Wang等[12]认为，影响穿刺深度的关键因素包括固结时间、固结深度、固结系数、土体渗透性和固结时的上覆载荷，并提出了一种固结后承载力的预测方法。

由于业界一般认为自升式钻井平台在软黏土地层中难以发生穿刺，因此对自升式钻井平台在单一软黏土层中穿刺的问题研究较少。大方形桩靴作为一种减少穿刺的新型设计，还没有针对其在软黏土层中承载力变化规律的研究，因此开展对在软黏土层中大方形桩靴发生新型穿刺现象的原因以及承载力变化规律的研究具有重要意义。现有对桩靴穿刺问题的试验研究中，离心机试验都是以恒定的位移速率进行加载，不能模拟正常工况下分级压载的情形。因此，为了探究在均质黏土层中分级压载是否会产生“人工硬层”及发生桩靴快速下沉甚至引发穿刺现象，本文以某大桩靴自升式钻井平台为原型，通过模型试验的方法设计了一套具备分级加载能力的自升式钻井平台方形大桩靴插桩试验系统，然后根据工程实际压载操作开展了自升式钻井平台桩靴模型的非连续压载试验，记录了压载过程中的土体变形和承载力变化等，分析了非连续压载过程对软黏土层中自升式钻井平台大桩靴承载力的影响规律，从而为大桩靴平台的压载作业提供参考依据。

2 模型试验系统的研制

2.1 相似性分析

根据相似性原理，本文参考文献[13]中的方法，通过对插桩过程各控制方程的分析，确定各物理量的相似关系。通过相似性分析，得出在1倍重力加速度下模型土体本构缩比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。本文模型试验各物理量的相似系数见表1。

表1 模型试验主要物理量的相似系数

2.2 模型试验系统组成

以某自升式钻井平台方形大桩靴为原型，按照1∶75比例制作了模型试验系统，桩靴模型长300 mm，宽236 mm，高600 mm，如图1a所示。插桩模型试验原理如图1b所示，由土池、加载和支撑装置、测量系统和桩靴等组成。加载装置由上部水箱组成，水箱放在支架上，最多可以放置4个水箱。桩腿与水箱支架的底部连接，上面安装压力传感器和位移传感器。桩靴底部布置4个孔压计。试验时通过向水箱内注水，实现向下施加均匀增大的压载力。桩腿连同水箱支架在垂直滑动导轨上一起做垂直运动，桩靴贯入到土体深处。传感器数据使用DH5923动态数据采集仪进行数据采集，具有采集速度快、抗干扰能力强等优点。制作完成的大桩靴插桩模型试验系统如图2所示。

图1 某自升式钻井平台大桩靴插桩模型试验系统

图2 安装后的某自升式钻井平台大桩靴插桩模型试验系统装置

为了保证本次试验的准确性，提前将试验所用的黏土进行晒干，并进行粉碎处理(不破坏黏土原有微结构)，然后分层倒入土池中，边填埋边搅拌，填埋完成后使其静置固结。试验前，使用十字板剪切仪对黏土的不排水抗剪强度进行测试，取土池的前、后、左、右、中心共5个位置进行测试，每个位置自泥面向下每隔5 cm测量黏土的不排水抗剪强度，将5个位置的不同深度结果取平均值，从而得到试验黏土抗剪强度随深度的拟合曲线(图3)。

图3 本文试验用黏土抗剪强度拟合曲线

3 不同压载工况下桩靴承载力的变化规律试验研究

为了模拟现场插桩过程，本次试验通过水箱进行分级加载，每级加载50 kg，每级加载完成后静置30 min，试验共进行4次加载，总加载质量200 kg。由于实际工况预压载每级的压载时间约为2.5 h，因此，试验中将加载分为快速压载、正常压载和慢速压载等3种工况，每级压载的时间分别为1.5、2.5、3.5 h。

3.1 快速压载

快速压载工况下承载力、桩靴入泥深度与实践的关系曲线如图4所示，可以看出，整个快速压载过程中分别在第1次和第3次静置观察结束时重新加载后发生了2次桩靴快速下沉的现象，主要原因是：加载过程中土体受到外部载荷作用，总应力增加，土体来不及排水，增加的应力主要由孔隙水压来承担；在静置过程中土体发生渗流排水，孔隙水压减小，土体颗粒间有效应力增加，靠近桩靴附近的土体排水效果好，土体发生固结，重新加压后发生了快速下沉现象。在黏土层固结后继续加载的初期，桩靴位移保持不变；继续加载，位移出现了一次快速增加，表明土体固结后抗剪强度增加，再次压载后桩靴穿过了固结后的“硬地层”，导致桩靴出现快速下沉。在每级加载结束后静置观察开始时，承载力发生了小幅的增加，然后回落并保持为每级加载载荷不变，这是由于桩靴在插入到更深的土层时具有向下的加速度，结束加载后桩靴由于加速度作用产生了附加质量，造成了承载力的增加；而静置后桩靴加速度减小到零，系统变为准静态，承载力也才有所回落。

图4 快速压载工况下承载力、入泥深度与时间的关系曲线

3.2 正常压载

图5 正常压载工况下承载力、入泥深度与时间的关系曲线

正常压载工况下承载力、桩靴入泥深度与时间的关系曲线如图5所示，可以看出，该工况下桩靴入泥深度与时间的关系曲线和快速加载工况类似，但是桩靴仅在第1次静置观察结束时发生快速下沉现象，且穿刺的深度也比快速加载工况要浅。这是因为正常压载工况下加载速度减小，底部的土体有更多的时间排水，与静置排水后的土体强度相差不大，故在静置结束时未发生明显的快速下沉现象。这说明，加载时间对人工硬层的产生有影响，延长加载时间有利于消除人工硬层和桩靴快速下沉。

3.3 慢速压载

慢速压载工况下承载力、桩靴入泥深度与时间的关系曲线如图6所示，可以看出，桩靴同样在第1次静置观察结束时发生了快速下沉，在第2次和第3次静置观察结束时承载力均未发生突然增大的现象，说明慢速加载可让桩靴底部的土体有更多的时间排出水分，土体几乎没有发生固结现象，因此桩靴也未发生快速下沉。这进一步说明，越慢的加载速度，越有利于消除人工硬层的形成和减小桩靴快速下沉的风险。

图6 慢速压载工况下承载力、入泥深度与时间的关系曲线

4 结论

1) 自升式钻井平台大桩靴插桩模型试验结果证实了在软黏土地层中非连续压载会造成大桩靴自升式钻井平台发生快速下沉的现象，与南海某平台发生的穿刺现象相吻合。

2) 大桩靴自升式钻井平台发生快速下沉或者“穿刺”现象的本质是因为压载过程来不及排水，导致桩靴下方黏土孔隙水压力增加；在静置观察阶段发生渗流作用，造成孔隙水压力减小，土体颗粒间的有效应力增加，黏土发生固结。靠近桩靴部分的黏土固结程度较高，土体抗剪强度增加，形成了“人工硬壳”。当压载力加大时，桩靴穿过硬壳层，发生了快速下沉。

3) 在静置时间一定的条件下，压载速度对大桩靴自升式钻井平台快速下沉有较大影响，较慢的压载速度使得桩靴下方的土体有足够的时间排水，不容易形成“人工硬层”，从而能够有效降低快速下沉的风险。故工程实际操作过程中可通过降低压载速度来减小发生快速下沉或穿刺的风险。

4) 由于本次试验桩靴插入的深度较小，快速下沉的深度也较小，因此无法准确衡量不同压载速度下快速下沉的深度及严重程度。此外，本次工作是对于新出现的大桩靴黏土层穿刺问题的试验论证，并未涉及到理论研究。