埕岛油田海上自升式平台反复插拔桩对地层的影响*

荆少东 梁晓勇 徐帅陵 侯方

1中石化石油工程设计有限公司

2中国石油集团渤海钻探工程有限公司第二钻井工程分公司

埕岛油田位于黄河入海口处的极浅海区，水深5～25 m，已建成各种固定式采油平台100 多座，配备有11 个自升式移动平台进行井下作业。插桩和拔桩过程是海上移动平台在漂浮状态和海底支撑状态之间转换的过程，对于平台的作业性能和安全性十分重要。插拔桩过程中，土体受到挤压、拖带发生破坏。拔桩后，在海底会留下桩坑。平台插拔桩后，由于受到扰动，坑内土体的强度会降低[1-3]，无论在横向和竖向都变得不均匀。

通过模型试验，掌握反复插拔桩造成的地基土强度丧失与恢复过程，明确自升式平台反复插拔桩前后土体的强度变化和桩坑的影响范围，以及平台插拔桩过程中贯入力和起拔力的变化规律，对确保平台插桩就位的安全至关重要。

1 试验系统组成

研制了自升式平台插拔桩试验系统，主要包括土箱、加载及支撑装置、测量系统、土体强度测量设备和模型桩靴等。

1.1 桩靴模型

桩靴模型按照1∶100 的比例尺进行缩尺制作，如图1 所示。

图1 桩靴模型尺寸Fig.1 Model size of pile shoe

1.2 其他仪器设备与功能模型土箱

考虑边界效应，模型土箱的尺寸为800 mm×800 mm×400 mm，模型箱侧板底部对称设计了2个排水孔，用于抽真空固结以制备模型试验土。插桩与拔桩的过程通过液压千斤顶和反力架配合实现。采用测力传感器测试插桩过程中的压力和拔桩过程中的拉力大小。使用孔隙水压力传感器测量试验过程中土模型内部孔隙水压力变化，以判断插拔桩对土的影响程度及范围。使用便携式十字板剪切仪测试插拔桩前后土层的不排水抗剪强度。

1.3 试验用土制备

图2 真空预压固结模型箱原理图Fig.2 Schematic diagram of vacuum preloading consolidation model box

将取自埕岛油田海域的粉土和粉质黏土进行风干、打散后过筛、充分碾散，搅拌均匀，然后加水制备成饱和泥浆，再将土样分层放进模型箱后进行真空预压固结，使粉土和黏性土充分固结，制成一定强度的饱和土备用[4-6]。制样原理见图2，真空预压装置见图3。

图3 真空预压装置Fig.3 Vacuum preloading device

2 试验方案

2.1 土层分布

试验土层分布为上部20 cm 厚粉质黏土，下部7 cm 厚粉土。试验开始前，实测得到的各土层土体物理力学参数平均值见表1。

2.2 孔隙水压力传感器布置

参考前人研究经验和插拔桩数值分析结果[7-11]，认为插拔桩的影响范围主要在以桩靴中心为圆心1.5D（D为桩靴直径）范围内，进一步考虑模型试验的比尺效应，确定孔压计布置的水平最大距离为1.5D较为合适，可覆盖全部影响范围。

具体布置方式如下：共使用孔压计4 个，分布在桩靴模型两侧。其中距离桩靴中心1D位置沿深度布置2 个，深度分别为10 cm 和20 cm；距离桩靴中心1.5D处位置沿深度布置2 个，深度分别为10 cm 和20 cm，用于监测插拔桩在粉质黏土和变层位置处孔压变化过程。

表1 试验土体参数Tab.1 Test soil parameters

2.3 插拔桩过程设计

考虑到粉土层下为土工织布和砂土，若插桩深度达到粉土层底部，贯入力会激增，即下部排水砂层会对粉土层强度有所影响，因此确定插桩深度为22 cm 左右，即桩靴进入粉土深度为2 cm 左右。

插桩过程采用位移控制，速度均为0.1 mm/s，插桩至既定深度后，静置10 min 后拔桩，待土体完全回流结束10 min 后，再次插桩。重复上述过程，往复两次插拔过程，终止试验。

详细试验方案设计如图4 所示。

图4 具体试验设计示意图Fig.4 Schematic diagram of specific test design

2.4 土体强度测试方案设计

试验前，在模型箱四个角点距离箱侧10 cm 位置处，分别测试沿深度方向土体强度大小，并取平均值作为初始土体强度值。

反复插拔结束后，在距离桩靴 0.75D、1.0D、1.25D、1.5D、1.75D和桩底位置处分别测试土体强度（图5）。

3 试验结果分析

3.1 插拔桩影响范围分析

3.1.1 初次贯入

（1）土层位移变化。由于表层黏性土强度较低，导致初始贯入时土层发生冲切破坏，冲坑周边未发生挤土隆起，反而下沉，桩靴附近表层土体出现裂缝。这是由于随着桩靴贯入深度增加，桩坑内壁土体发生部分程度坍塌，支撑力显著下降，坑外侧主动土压力引起桩坑侧壁土体发生整体移动，而且贯入过程中，桩靴对其周边侧壁土体有向下的牵引作用，导致坑外侧土体向坑内侧倾斜。

图5 土体强度测试位置分布图Fig.5 Distribution map of soil strength test position

（2）孔压变化。图6 为插桩过程中，不同土层位置处孔压监测结果。

图6 初次插桩不同位置处孔压变化Fig.6 Pore pressure changes at different positions of the initial pile in sertion

从图中可以看出，贯入深度达到5 cm 时，2 号孔压计示数开始增加，表明在该深度距离桩靴中心1D处的土体出现压缩变形，导致孔隙水压力增加，峰值达到6 kPa；贯入深度达到7.5 cm 时，1 号孔压计示数开始增加，表明桩靴贯入影响区域已发展至距离桩靴1.5D处，但孔压增加不明显，最终峰值约为0.7 kPa；贯入深度达到7 cm 时，3 号孔压计示数开始增加，且增加趋势明显，峰值达到18 kPa，表明随着贯入深度的增加，桩靴底部附加应力影响范围逐步扩大；贯入深度达到15 cm 时，4 号布置在哪孔压计示数开始增加，但峰值较小。贯入过程结束时，各孔压均维持不变，无消散迹象。

3.1.2 初次拔桩

初始贯入结束后，待孔压消散10 min 后开始拔出桩靴。拔桩速率与插桩速率相同。

拔桩结束后，桩靴带出部分完全扰动土体，该部分土体呈流速状，属于超软土，基本无强度，这主要是由于插桩后桩坑侧壁土体坍塌或回流以及发生桩坑缩孔导致的。桩坑呈现倒锥形，桩坑最大深度为8.5 cm（约为1D），最大直径为12 cm（约为1.3D）。拔出过程中，孔压稍有增加，挤土效应不明显。完全拔出后，由于内部支撑作用更小，导致侧壁向桩坑内部倾斜更严重。

3.1.3 二次插拔

初次完全拔出30 min 后，在相同位置进行二次插桩。

由于初次插拔已形成完整桩坑，二次插桩时，挤土效应不明显，孔压增量相比第一次插桩明显下降。但桩靴拔出后，再次携带出部分完全扰动土体，对邻近桩靴土体进一步产生扰动，导致桩坑深度和直径更大。拔桩后，测量桩坑最大深度为10 cm（1.1D），最大直径为15 cm（1.6D）。二次拔桩后，孔壁坍塌更严重，桩坑侧壁土体向坑内倾斜也更明显，表现为表层土体下沉。

3.2 土体强度影响分析

试验开始前，在距离贯入位置中心2D位置处，选取4 个试验点，沿深度每间隔4 cm 测试一次土体强度，测试深度达到22 cm，至粉土层。

表2 试验前后土体强度对比Tab.2 Comparison of soil strength before and after the test

二次拔出完成后，根据试验影响范围，分别对距离贯入中心0.75D、1D、1.25D、1.5D和1.75D位置处的土体强度进行测量，以分析反复插拔桩对周边土体扰动影响。

图7 为不同深度处，距离桩靴不同距离处的土体受扰动程度分布规律。从图7 可知，距离桩靴0.75D位置处扰动程度最严重，最高可达到40%。随着距离的增加，扰动程度有所降低，距离增加至1.5D至1.75D范围内时，土体基本不受扰动，同时结合超孔隙水压力数据，可以确定插桩影响范围约为距离桩靴中心1.6D范围内。

图7 土体强度受扰动程度（不同深度）Fig.7 Degree of disturbance of soil strength（different depths）

图8 给出了距离桩靴中心不同距离的土体强度受扰动程度沿深度的分布规律。从图8 可知，距离桩靴中心不同位置处，沿深度方向土体的扰动程度在1.8D（16.5 cm）范围内基本不变，随后扰动程度明显降低。

图8 土体强度受扰动程度（距离桩靴中心不同距离）Fig.8 Degree of disturbance of soil strength（different distance from the center of pile shoe）

此外，对桩坑底部中心土体强度进行测量，试验后强度为39.4 kPa，强度约增加40%，这是由于反复插桩对坑底土体有压密作用，同时土体再次发生固结，根据荷载-位移关系可知，固结应力可达到140 kPa。

3.3 插拔桩过程中荷载变化分析

3.3.1 初次插拔桩

初次插拔桩中荷载变化曲线见图9。由于浅表层为软黏性土，因此桩靴初始贯入时地基表现为冲切破坏，桩靴底部黏性土被压密至桩靴底部，很少部分土体从桩靴侧面挤出，桩侧土体由于主动土压力作用向坑内倾斜，桩坑侧壁土体出现坍塌或回流，荷载曲线呈缓慢线性上升，当桩靴接近粉质黏土-粉土变层处时，荷载增加至25 kg，该部分荷载主要由桩靴端部承担，侧壁摩阻力几乎不用考虑。

图9 初次插拔桩过程中荷载变化曲线Fig.9 Load change curve in the first insertion and removal process of piles

进一步贯入桩靴，荷载出现瞬时突变，底部黏性土被进一步压密，粉土层同时发挥抗力作用，贯入结束时荷载峰值达到130 kg。此时，桩靴中心底部出现较为严重的压密区，土体强度有所增加，桩靴边缘形成局部塑性区，土体强度所有降低。

维持桩靴竖向位移不变，待荷载稳定后开始拔桩。该过程中发现，峰值荷载出现明显降低，最终达到稳定值，究其原因可能为桩靴荷载主要由端部土体承担，贯入过程中桩靴与土相互作用表现良好；贯入结束时，桩端压密区土体出现应力松弛，桩靴周围塑性区土体进一步变形，导致桩靴与土相互作用力下降，最终表现为荷载降低。根据试验结果可以看出，初次插桩结束后。

荷载稳定后开始拔桩，起拔力Qb约为20 kg，这主要源于端部土体对桩靴产生的吸力作用，随后荷载明显下降，该部分荷载源于侧壁土阻力。

3.3.2 二次插拔桩

二次插拔桩中荷载变化曲线见图10。二次插拔桩过程中，由于坑内土体受到扰动，强度明显降低，导致桩靴在黏性土中的荷载较小，接近粉土层时，最大荷载约为8 kg。桩靴进一步贯入至粉土层，由于初次插桩对底部土体有压密作用，土体强度增加，导致桩靴贯入荷载增大，峰值荷载达到了140 kg。贯入结束后，维持桩靴竖向位移不变，峰值荷载逐渐降低至稳定值，约为0.78，较初次插桩有所提高，这是由于初次插拔桩后，桩靴中心底部土体已经过一次压密作用，土体强度有所提高，变形能力较弱，导致二次插桩后桩靴与土相互作用弱化效应不明显，最终表现为稳定荷载与峰值荷载比值较高。

图10 二次插拔桩过程中荷载变化曲线Fig.10 Load change curve in the second insertion and removal process of piles

桩端压密区土体出现应力松弛，桩靴周围塑性区土体进一步变形，导致桩靴与土相互作用力下降，最终表现为荷载降低。

荷载稳定后开始拔桩，起拔力Qb约为18 kg，较初次拔桩略有下降归因于端部土体对桩靴产生的吸力作用。

3.3.3 荷载变化规律

两次插拔桩的荷载变化规律相近，整体变化规律如图11 所示。从图11 可以看出：①插桩阶段：初始贯入至黏性土中时，荷载呈缓慢线性增加，接近变层处时，荷载发生突变，并近似呈线性增加至峰值；②维持阶段：荷载逐渐降低至稳定值；③拔桩阶段：瞬时起拔力较大，随后突然降低，最后趋于稳定。

其中，黏性土中的贯入力峰值与起拔力峰值接近。

图11 插拔桩过程中荷载变化规律Fig.11 Load change law during insertion and removal process of piles

4 结论

通过桩靴缩尺模型试验系统在室内进行反复插拔桩的小比尺物理模型试验，得到如下结论：

（1）桩靴贯入至黏土层中发生冲切破坏，初次贯入结束后，侧壁土体发生回流和坍塌，表层土体有明显沉陷；初次拔桩结束后，遗留较大桩坑，呈倒锥形，其深度和直径均大于桩靴直径，反复插拔后遗留桩坑尺寸有所增加，同时拔桩携带出的土体已被完全扰动，呈流塑状态。

（2）通过监测不同位置处孔隙水压力发展规律并测试试验前后土体强度，获得了反复插拔桩对地层的影响范围和影响程度，即：距离桩靴距离越近，扰动越严重，扰动程度最高可达40%，且平面影响范围约为距离桩靴中心1.6D；沿深度方向土体的扰动程度在1.8D深度范围内基本不变，随后扰动程度明显降低。

（3）反复插拔桩使桩坑底部中心土体发生再次固结，土体进一步被压密，强度约增加40%。

（4）采用位移控制方式模拟了插桩、作业和拔桩三个过程，监测到了贯入力的整体变化规律，即：初始贯入至黏性土中时，荷载缓慢增加，接近变层处时，荷载发生显著突变，随后近似呈线性增加至峰值；作业期间，贯入力逐渐降低至某一稳定值；由于土壤附加吸力作用，初始拔桩时的瞬时起拔力较大，随后突然降低，最后趋于稳定；黏性土中的贯入力峰值与最终的起拔力峰值较为接近。

（5）与第一次插拔桩过程相比较，二次插桩在黏性土中的贯入力峰值略有下降，在粉土层中的贯入力峰值略有升高，维持荷载比例有明显升高，初始起拔力略有下降。