深水表层导管在打桩过程中的强度分析

2020-06-29朱国杨玉贵李舒展

天津科技 2020年6期

关键词：隔水深水表层

朱国，杨玉贵，庞达，李舒展

(1. 中国石油大学(北京) 北京102249；2. 中海油研究总院有限责任公司北京102249)

0 引言

水下打桩下表层导管可能会越来越常见。

相对于浅水油气勘探开发，深水领域的作业风险更大、投资更多、安全成本更高，发生事故的后果更难以承受。深水钻井技术和装备的研究、发展是极为重要的，如何安全高效地开展深水钻井作业一直是业界关注的焦点[1]。

随着海洋深水油气田开发的深入，采用水下基盘井口进行开发作业会越来越常见。与传统的钻入法和喷射法相比，水下打桩对土体的扰动小，更适用于基盘井口，下入的导管获得的承载力更大，并且不占用钻机时间，可实现批量下入，节省大量时间。因此，

为了给水下打桩下表层导管施工作业提供一些指导，同时也是出于安全和效率的考虑，依托水上打桩下导管技术的相关理论，本文对水下打桩下表层导管进行了强度分析。

1 表层导管水下打桩下入工艺

水下打桩下入表层导管按工艺可分为顶部打桩和底部打桩，在此仅介绍水下顶部打桩工艺。表层导管水下打桩下入的原理与水上打桩基本一致，通过打桩锤对导管的冲击使导管破开岩土下入至一定深度。因水下打桩受到水深限制，往往不选用蒸气锤或柴油锤，而是通过液电控制装置来获得动力。

表层导管水下打桩下入施工工序主要分为以下几步：

①打桩船定位，下放水下机器人。

②打桩船下放海底导向基盘。

③打桩船牵引导管桩，靠自重沉入海底并进入导向基盘，靠自重下沉稳定。

④打桩船吊起打桩液压锤，放入海底，与导管桩顶部接合。

⑤开启升沉补偿器，开始打桩作业。

⑥导管达到设计入泥深度，解脱液压锤与导管，打桩作业结束。

⑦上提液压锤，回收海底导向基盘，上提水下机器人，移至下一井位。

2 深水表层导管在打桩过程中的强度分析

2.1 打桩力学模型

打桩工程早期的研究大都以能量守恒原理和碰撞原理为基础，推导总结出一系列动力打桩公式，计算桩的静承载力。但因基础理论较为简单，并不能根据实际施工中的复杂情况变化结果，导致许多参数由经验确定，计算结果存在较大误差。实际上，圣维南1865 年就提出了波动方程，20 世纪30 年代才被用于研究打桩问题。1960 年，根据圣维南的一维波传播理论，Smith提出了针对打桩问题的有限差分解答，最终发展成为波动方程分析法[2]。

图1 Smith模型桩土理论图Fig.1 Theoretical drawing of Smith model pile and soil

波动方程分析法构建了一个离散力学模型，用以描述打桩锤、垫层、桩帽、桩和桩周土这一整套系统。对于这些结构单元用质量-弹簧系统来表示，土的阻力则用粘弹塑性模型描述。用一重块 W1表示打桩锤。垫层重量忽略不计，用弹簧K2表示。重块 W2表示桩帽。将桩身分割成若干弹性体小单元，每个小单元用重块加弹簧来模拟。在图1 中，Wm表示桩身每一小单元的重量，m = 3,4,……；Km表示对应弹簧的刚度，m =1,2,……；Rm表示作用在相应单元上的土阻力，R12是作用在桩端的土阻力[3]。

2.1.1 土阻力模型

桩周及桩端土体的静阻力均按如图2 的理想弹塑性模型计算。土体受力后，先发生弹性变形，直至达到最大应变量q；当土体位移d超过位移极限时，将产生塑性流动，这时应力保持不变，称为极限静阻力，用uR 表示[2]。可用下式计算：

图2 土阻力模型Fig.2 Soil resistance model

土体产生塑性流动时，会产生动阻力dR ，假设其服从牛顿粘滞定律，其阻力与质点速度成正比，同时假设其与静阻力也成正比，则动阻力可用下式表示：

式中，J是阻尼系数。

打桩过程中土阻力为静阻力sR 与动阻力dR 之和，可表示为：

由于土的动阻力dR 是瞬时作用的，不会造成静承载力变化。同时，桩侧阻力和桩端阻力模型参数的取值不同，在桩侧土体主要承受剪切变形，而桩端主要是压缩。

2.2 波动方程的数值解法

根据图1 中所示的离散力学模型模拟锤—桩—土系统，然后使用差分法求解波动方程。这样不仅在空间上将桩身分割为若干小单元，在时间上也分成若干小间隔Δt 。假定在每一时间间隔内，位移、速度、力等物理量都是不变的。Smith推导出下列5 个基本方程：

式中：d为位移；v为速度；c为弹簧压缩量；F为弹簧力；R为土阻力；g为重力加速度；n为上标序号，表示时间间隔；m为下标序号，表示各结构单元和对应各单元上的土阻力。

设定初始条件和边界条件，令锤体与垫层接触的瞬间为初始时刻，即t=0 ，因系统之前处于静止，此时刻位移、速度都为零，也没有弹簧作用力和土阻力。可由锤体额定能量计算出锤心处的冲击速度，将其作为边界条件[4]。

对于每一个时间间隔，按照5 个基本方程的顺序进行计算，完成后再进行下一时间间隔Δt 的计算。

根据该方法，可以计算出打桩过程中应力分布及应力传递大小和状态。

3 打桩极限过程中表层导管应力强度分析

由于打桩是个复杂的过程，不仅涉及到几何非线性、材料非线性、边界非线性，并且是个动力过程[2]，应用解析法求解不能考虑到非线性等因素的影响，存在一定偏差，较难求解。而有限元法适合处理非均质、非线性以及复杂边界条件等诸多问题，能够分析各参数的敏感性，故对于打桩问题，有限元法是更为有效的方法。

本文采用有限元软件Abaqus 对极限条件下的打桩应力问题进行模拟分析。

打桩过程中，锤体在打至硬地层时往往会产生拒锤，按API 规范对拒锤的定义：“在连续5 ft(1 ft＝0.304 8 m)打桩的情况下，贯入1 ft 达到的锤击数超过300 锤，或单独贯入1 ft 需要的锤击数超过800 锤”，即每次锤击贯入深度小于1 mm。拒锤会造成作业时间延长甚至停滞，并使桩体产生极大的应力，易造成损伤。在模拟拒锤工况时，可将桩体底部等效考虑为固定，进行建模分析。模型分别使用外径30 in(1 in＝25.4 mm)壁厚1 in，外径36 in 壁厚1 in 以及外径36 in 壁厚1.5 in 的隔水导管进行建模(表1)，顶部依照MHU270T 型液压打桩锤锤击力度进行载荷施加，考虑整体桩管的应力分布及传递，分析模型及结果如图3—图5 所示。