自升式平台拔桩阻力分析及校核

陆淦金 李玉芬 李成福

摘    要：拔桩能力是海上自升式平台的重要性能指标之一，对平台的运营安全有着重大影响。本文分析了海底土壤与浸没结构物间的作用机理，以及影响结构物提升出泥阻力的主要因素，并提出阻力值的估算方法海上平台拔桩能力校核的方法，为平台拔桩能力的校核和升降系统的设计提供参考。

关键词：自升式平台;拔桩阻力;冲桩系统

中图分类号：U674.98                            文献标识码：A

Abstract： Pile extraction capacity is one of the important performance indexes of the offshore jack-up platform， which has a significant impact on the operation safety of the platform. The interaction mechanism of seabed soil and submerged structures is analyzed， the main factors affecting the resistance to extract structures out from sea mud are determined and analyzed， specific evaluation method of the pile extraction resistance and verification method of platform pile extraction capability are summarized and proposed.

Key words： Jack-up platform; Leg extracting resistance; Spudcan jetting

1     前言

自升式海洋平台在移位之前需要把桩腿拔出收回至原位，在桩靴出泥过程中需要克服包含桩腿自重在内的阻力，统称为拔桩阻力。除桩腿自身重量外，拔桩阻力的最主要部分是海床泥土与桩靴之间的吸附力。目前实际工程中大多仍采用经验公式进行估算，对桩靴桩腿结构物形状、泥土性质等因素考虑不充分，估算结果的准确性和稳定性不理想。因此，准确计算预测拔桩吸附力对自升式平台和其他坐底结构物的工程运营具有重要意义。

2     平台拔桩阻力分析

2.1   拔桩阻力的理论基础

平台拔桩过程中需要克服的超过桩腿自重的额外阻力，即海床泥土对桩腿桩靴的吸附力。泥土吸附力的形成机理极其复杂，业界提出过多种理论模型，但均不能很好地解决这个问题。目前较合理的解释是认为由于桩靴底面与海底土长时间保持高压接触，在两者之间形成了一个稳定的力学系统[1]，而破坏这个系统需施加强大的外作用力，即在平台拔起桩腿时海底土对桩腿的吸附作用力。

2.2   泥土的吸附效应

泥土对桩靴等结构物的吸附力主要组成部分有：土体对桩靴结构的粘着力;桩靴结构提升时土体中的负孔隙水压力;土体对桩靴侧面的摩擦力;对完全浸没于底床泥土中的桩靴结构，还需考虑上覆回填土体的重量。

2.2.1泥土的粘着力

泥土对结构物的粘着作用，实际上是泥土颗粒和结构物同时对相同分子产生方向相反的吸引力而形成的。根据结合水理论，土体的含水量对其粘性有重要的影响：当土体水含量较低时，土体中的水大部分是强结合水，强结合水分子无法被结构物分子吸引，因此这时土体的粘性很小;当含水量增加到一定程度时，土体中出现弱结合水，弱结合水可被土体颗粒与结构物吸引，这时土体开始表现出粘性;如果含水量继续增加，土体中将出现自由水，如果自由水多到能把土颗粒与结构物完全隔开，这时土的粘性显著减弱甚至消失。

2.2.2负孔隙水压力

持续承受高压的土体在开始卸载荷的瞬间，水分子来不及进入土中，土体的骨架未发生变形，此时外界卸去的荷载量完全由孔隙水承担，出现负孔隙水压力以抵消荷载，表现为拔桩时海床泥土对桩靴的额外吸附力;在这个瞬间之后，土体的骨架开始膨胀，水分子开始进入土体，负孔隙水压力逐渐消散，原来由孔隙水承担的荷载逐渐转化为由土骨架承担，最终达到新的平衡;负孔隙水压力的消散速度主要取决于土的渗透性，渗透性差的土体会产生明显的负孔隙水压力，并且消散速度慢;而渗透性好的土产生的负孔隙水压力通常较小甚至不产生，并且消散速度快。

2.2.3侧摩擦阻力

側摩擦阻力是桩靴结构被提升的过程中，桩靴侧面与土体之间产生的摩擦力，主要受土体性质、桩靴形状和尺寸、桩靴入泥深度等因素的影响。一般来说，密度越大、强度越高、含水量越低的土体对桩靴侧面的摩擦力越大。有试验证明，在一般粘性土中，侧摩擦阻力等于桩靴周土的不排水抗剪强度;在砂性土中，侧摩擦阻力系数平均值接近于主动压力系数，即与上覆土应力有明显的关联。

2.2.4 回填土重量

如果桩靴入泥深度较大，上部泥土回填将不可避免。如果桩靴的平面投影面积大并且斜度小，其上覆土的重量将是桩腿提升过程中不可忽视的因素。

2.3   冲桩的原理

在前面讨论的作用力中，土的粘着力和提升时产生的负孔隙水压力占据了的最大比例。根据其形成原理可知，增加土体的含水量是削弱这两个作用力的有效手段，自升式平台的冲桩系统就是根据这个原理进行设计的。

冲桩系统的作用和目的是在平台拔桩前和拔桩过程中，通过向桩靴表面（主要指下表面）注入大量高压水来减弱土体对桩靴表面的粘着力和土体中的负孔隙水压力，从而有效减弱拔桩时的阻力，降低拔桩的难度和危险系数。冲桩系统的压力、流量以及喷嘴的数量、布置位置等因素，对冲桩效果有重大影响。[2]

3    平台拔桩能力校核

3.1   拔桩阻力的理论计算方法

3.1.1桩靴上覆土重

海底表层土基本是饱和土，计算土体的重量时应使用土的有效容重，即消除水浮力的影响。当桩靴入泥较深时，如果土质随深度增加有明显的变化，应根据勘探结果将地质数据分层列出以减小误差，泥土重量也应按各层地质数据分别计算：

式中：Fsoil—第i层上覆土重力，kN;

γi—第i层上覆土有效容重，kN/m3;

hi─第i层上覆土厚度，m;

A─桩靴水平投影面积，m2

3.1.2桩腿桩靴侧摩擦阻力

自升式平台桩腿和桩靴的侧摩擦阻力计算，应结合实际情况考虑;对于圆柱形桩腿，应该着重考虑桩腿筒壁的侧摩擦阻力;对于桁架式和类桁架式桩腿，则应着重考虑桩靴侧摩擦阻力。

对比中国、欧洲标准和美国API系列标准，发现中国和欧洲的相关标准文本没有明确给出桩基极限承载力的计算公式，而国内业界目前主要采用的还是工程试验总结的经验公式和美国API标准的计算方法[3]。API 2GEO详细规定了各种形式桩基的极限承载力的计算方法，对各计算公式的适用范围也有比较详细的界定，对公式中主要参数的取值有明确要求[4]：

3.1.3桩靴底面吸附力

对于泥土中结构物提升过程中出现的吸附力的计算，有研究认为可以转化为浸没于介质中的刚体被提升时的塑性极限问题，结合斯肯普顿计算模型、太沙基极限承载理论，可推导出结构物离底的吸附力计算公式。根据验证，在浸深较小的情况下，该公式的计算结果比实验结果大25%左右，误差随结构物的浸深增加而减小。下列计算公式，可应用于计算自升式平台拔桩过程中的桩靴吸附力：

3.2   拔桩能力校核算例

3.2.1计算平台拔桩阻力

平台总拔桩阻力主要由桩腿自重、海床泥土对桩靴的吸附力、桩靴侧摩擦阻力等组成。本文以某自升式大型海上风电安装平台为例，计算其拔桩阻力并校核其拔桩能力。

该平台桩腿和桩靴的结构型式，如图1所示;平台的主尺度和海床泥土地质参数，见表2和表3;假定平台在给定的状态和地质数据下桩腿入泥深度为10 m，单根桩腿的拔桩阻力计算结果见表4。

3.2.2校核平台拔桩能力

该平台最多可装载4套6 MW风机设备，总重量约3 200 t。平台安装完第1套风机后，需拔桩迁移至下一风机安装位，这时平台上仍有3套风机，总重量约2 400 t，从实际作业需要考虑，选定该状态来校核平台的拔桩能力。

拔桩方案一：依靠平台浮力，同时拔起对角2根桩腿;

拔桩方案二：依靠平台浮力，每次拔起1根桩腿。

根据静水力计算书：平台满载吃水约5.1 m、TPC约41.57 t/cm;扣除1套风机设备重量后，吃水约为5.0 m;该平台允许的最大吃水为5.3 m，该状态下平台提供的最大浮力约为1 600 t;平台升降装置最大载荷能力为7752 t。

根据表5所示校核结果，该平台满载时能提供的最大额外浮力为约830 t，低于单根桩腿的最小拔桩阻力1118.0 t，因此满载时平台无法拔出拔腿;在安装完第1套风机设备后，通过冲桩消除桩靴吸附力，平台能提供最大额外浮力约1 600 t，能够完成拔桩任务。

4     结束语

海床泥土的吸附力、对桩靴侧面的摩擦力和桩靴上覆土的重量，是桁架式桩腿自升式平台总拔桩阻力主要组成部分。通过冲桩系统对桩靴上下表面进行冲刷，可以减小土体的粘力和负孔隙水压力，从而有效削减泥土对桩靴的吸附作用。

在自升式平台的设计过程中，应对平台桩腿入泥深度和拔桩能力进行校核计算，从而选择合理的桩靴型式、尺寸，并且应严格控制平台重量，保证平台的拔桩能力。

参考文献

[1]高占峰.坐底结构物吸附力计算模型和方法研究[D].大连理工大学，     2005.

[2]黎剑波.自升式钻井平台冲桩系统优化设计研究[J].石油机械，     2014，42（12）.

[3]吴哲丰，郝风光.欧标及API规范桩基承载力设计[J].水运工程，     2016，521.

[4] API RP 2A-WSD.Recommended Practice for Planning， Designing and       Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design， 22nd       Edition[S].Washington， DC：American Petroleum Institute，2014.

[5] API RP 2GEO. Recommended Practice for Geotechnical and Foundation      Design Considerations， 1st Edition[S].Washington， DC：American Petroleum      Institute，2014.

[6]劉玮.桩侧阻力影响因素分析[J].国外建材科技，2007（2）.