自升式钻井平台重复就位滑移风险分析及对策研究

靳 嵩

大港油田公司对外合作项目部（赵东作业分公司），天津 300280

自升式钻井平台重复就位过程中，遗留桩坑可能导致桩靴滑移，甚至造成桩腿与平台卡住，发生大变形，严重影响平台结构安全。据Berg[1]的统计数据显示：登记在数据库中的桩靴脚印信息越来越多，其中欧洲壳牌公司作业留下的脚印就有1 200个，且每年仍有80个脚印信息增加到该数据库中。约三分之一的插拔桩事故与地基有关，而其中的15%源于遗留桩坑[2]。

平台重复就位的过程十分复杂，涉及多种影响因素。目前，关于平台重复就位的现场数据较少，研究主要集中在离心机试验及数值模拟方面。平台重复就位过程中插桩稳定性的影响因素包括：桩坑和桩靴几何形状、中心距β（遗留桩坑中心到桩靴中心的距离）、桩坑内土体（插拔桩扰动后） 的强度及固结时间、平台结构特性等。Jardine等[3]提到一个现场实测的5 m深的脚印，由直径18.18 m的桩靴拔出后产生。一些离心机试验测量了插拔桩后脚印的尺寸。Cassidy等[4]比较了不同预压荷载下脚印的几何形状，脚印呈倒锥形，探究了桩靴形状、中心距、预压荷载、桩腿刚度对重复就位时水平力和弯矩的影响，结果表明，平台重复就位时的最危险距离为0.5D（D为桩靴直径），改变桩腿刚度对水平力和弯矩影响不大。Gan等[5]分别对正常固结土和超固结土插拔桩之后，脚印内外土体强度变化进行了探究，结果表明，扰动土强度与土初始强度的比值最低可达0.2，距离插桩位置越远，土的扰动越小，随着孔隙水压力消散，土体发生重固结，插拔桩靴过程产生的超孔隙水压力在休止期为1年时消散了14%～25%，完全消散需要30年时间，且插桩桩靴的影响范围约为1.5D。Kong等[6-7]为了单独考虑桩坑形状的影响，人为制造锥形桩坑，然后进行“踩脚印”试验，在离心机试验中将桩坑形状简化为倒锥形，将桩靴简化为与其最大横截面积相等的圆盘模型，结果表明，最危险的插桩距离为1D。

本文基于欧拉-拉格朗日耦合理论（CEL），利用有限元软件ABAQUS建立平台重复就位插桩过程的三维模型[8]并进行验证，充分考虑插拔桩后土体强度受到不同程度的扰动，模拟桩靴和土体之间的相互作用，研究桩靴在踩脚印过程中所受到的水平滑移力，分析不同就位距离对滑移的影响，确定重复就位的安全距离，最后提出了试踩对策，可作为自升式钻井平台二次就位“踩脚印”时设计的参考。

1 二次就位有限元计算模型

有限元计算模型直径取8D（144 m），深度取4D（72 m），空穴高度10 m。距离桩靴中心1.5D范围内网格加密，网格平均尺寸为0.075D，加密区深度为30 m，网格宽度为0.5 m。其余范围内网格按个数对边进行布设，距离中心越远，网格越稀疏。同样，深度方向网格尺寸大小为0.1D。采用扫掠方式对距离中心1.5D的区域进行网格划分，如图1所示。

图1 模型网格划分

土的应力-应变关系采用理想弹塑性模型来描述，遵循摩尔-库伦（Mohr-Coulomb）强度准则。黏土的密度ρ=682 kg/m3，土体泊松比ν=0.495，内摩擦角φ=0°，剪胀角Ψ=0°，弹性模量E取500 Su（Su为土剪切强度）。土体竖向边界施加水平向速度约束，水平边界施加竖直向的速度约束，并设置吸收边界（欧拉边界），以消除由于计算模型尺寸选取导致的边界效应，减小计算结果的振荡。桩靴密度ρ=7 850 kg/m3，弹性模量E=2.1×1011Pa，泊松比ν=0.3，对桩靴进行刚体约束。桩靴与土体之间为广义接触（GeneralContact），在插桩过程中，假定桩靴表面是光滑的，即桩靴与土层之间的摩擦系数为0。计算时，采用位移控制的方式设定桩靴贯入及拔出的速度。

为了对模型进行验证，根据Cassidy离心机试验测得的桩坑形状建立有限元模型，试验测得的插拔桩后脚印形状如图2所示，图中红实线为本试验的桩坑形状，黑虚线为国外离心机试验的桩坑形状。

图2 Cassidy离心机试验模型的脚印尺寸

考虑到对称性，为了提高计算效率，取试验模型的1/2建立有限元模型。按照图2右侧的脚印形状进行了简化：桩坑直径为22 m，深度为1.5 m。为了给插桩时桩靴周围土体向上隆起的空间，需要在土体上方设置一定尺寸的空穴，即不包括任何材料的空单元，使得桩靴边缘一定范围内的土体材料可以向上方运动进入空穴。土体采用欧拉单元EC3D8R，土体模型如图3所示。

图3 带脚印的土体模型

桩靴产生弯矩的一个原因是拔桩后脚印周围的土体发生重塑，强度分布不均，假定拔桩之后土体强度分布如图4所示。图4中，B、h为脚印的宽度和深度，D为桩靴直径，d为插桩深度。区域1为插桩范围，该范围内土体受桩靴插拔的影响而发生严重重塑，假定区域3是不受扰动的区域，区域2是过渡区域。Leung等[9]、Cassidy等[4]及Gan等[5]的离心机试验结果均表明，插拔桩靴对土的扰动半径为1.5D，因此，认为区域2的宽度范围是0.5D～1.5D。在模型中对区域1的土体进行折减：泥面以下至3 m深处的土体强度折减80%，3 m深处至插桩深度位置的土体强度折减60%，假设插桩前土体剪切强度Su=7.5+2z（kPa）（z为深度，m）。另外，由于区域2的强度缺乏研究，本文对区域2的土体强度进行了以下假设：其一，主要考虑桩靴插拔范围内土的扰动，对区域2强度不进行折减；其二，对区域2强度折减20%，即强度变为非扰动土强度的80%；其三，区域2强度折减系数沿水平方向由55%过渡到5%。在此假设基础上分别建立模型。

图4 拔桩之后土体强度分布假定

利用上述建模方法计算得到桩靴在重复就位过程中水平力以及弯矩随深度的变化趋势，与Cassidy等的离心机试验结果进行对比，如图5所示。结果表明，不对区域2进行强度折减的情况下，数值模拟结果与试验结果吻合良好，因此模型决定只考虑插桩范围内土体的扰动，不对区域2的土体进行折减。

图5 试验与数值模拟结果对比

2 遗留桩坑对桩靴滑移的影响

2.1 二次就位桩靴对土的破坏过程

由插桩过程土体速度矢量图（见图6）可知，当桩靴贯入深度较小时，桩靴右侧底面的土体被排开，沿桩靴底部向外侧运动并产生微小隆起；随着贯入深度增大，左下方土体与桩靴接触并产生反力，土体向内侧流动，出现桩靴左侧以及右侧土体的回淤；当桩靴完全入土后回淤基本完成，此时桩靴下方土体处于稳定的全流动状态。

图6 插桩过程土体速度矢量图

由插桩过程土体等效塑性应变云图（见图7）可知，随着桩靴重复就位的进行，在桩靴底部的锥尖附近首先出现塑性区，如图7（a） 所示；当贯入一定深度时，在桩靴左侧土体中出现了连续滑裂面；随着贯入深度的进一步增加，桩靴左右两侧的土体发生回淤，此时的回淤土体都处于流动的塑性状态，并且由于土性的差异，左侧土体中的塑性区明显大于右侧的，如图7（b）所示。

图7 插桩过程土体等效塑性应变云图

2.2 桩靴与遗留桩坑中心距对桩腿滑移的影响分析

图8为不同中心距β时水平滑移力随深度变化曲线，图9为最大水平滑移力随β/D值变化曲线。

图8 不同中心距时桩靴所受水平力随深度变化曲线

图9 最大水平滑移力随β/D值变化曲线

由图可知，随着深度增加，水平滑移力呈先增大后减小。中心距β为0.1D和0.25D时，曲线在贯入深度约2.5 m处出现明显拐点；β=0.5D时，水平滑移力达到峰值；当0.25D＜β≤1D时，水平滑移力先增大后变化不大，最后开始减小；β＞1.25D时，水平滑移力随深度变化不大；β=1.75D时，水平力接近于0。

桩靴受到不均匀的土反力，进而产生了弯矩，图10、图11分别给出了不同中心距下桩腿所受弯矩随深度的变化曲线以及最大弯矩值随β/D值变化曲线。

图10 桩腿所受弯矩随深度变化曲线

图11 最大弯矩值随β/D值变化曲线

由图可知，中心距β＞1.25D时，弯矩基本上变化不大，在0附近波动。综合可以确定，平台重复就位的安全距离应＞1.25D。

3 踩脚印问题对策

针对“踩脚印”问题，本文提出“试踩”的对策。所谓“试踩”是指自升式平台在最终位置插桩前，在距遗留桩坑适当距离处，按照一定的深度先进行预压载，以使部分桩基土体滑进遗留桩坑，从而减小水平滑移力。

以上文计算工况为例，β≥1.5D视为平台重复就位的安全距离，若桩靴就位时由于井口位置等原因不得不小于该距离就位时，则需要进行“试踩”。假设最危险的情况（β=0.5D） 作为最终插桩位置，以距离桩坑中心0.75D、1D、1.25D、1.5D分别进行“试踩”。

图12为在桩坑不同中心距处进行试踩，桩靴在最终位置插桩时的水平滑移力随深度变化曲线。由图12可以看出，在距离桩坑中心1D处试踩时，水平滑移力最小。建议：在距桩坑中心1D处进行“试踩”。

图12 水平滑移力随深度变化曲线

中心距为1D处，不同深度试踩后的水平滑移力如图13所示。在最终位置就位时的水平滑移力，由图可知，当试踩深度为3 m时，桩靴所受水平力最小；因此，建议距离桩坑中心1D处进行试踩时，试踩深度取3 m。

图13 不同深度试踩后的水平滑移力（β=1D）

4 结论

本文采用CEL的方法对平台重复就位进行了数值模拟，并采用离心模型试验结果对模型进行了验证，得出如下结论：

（1）随着桩靴-遗留桩坑中心距的增大，桩靴所受水平滑移力先增大再逐渐减小，直至水平滑移力趋近于0。分析得到平台重复就位的安全距离应≥1.5D，并提出了“踩脚印”问题的试踩距离及试踩深度。

（2）土体强度折减对桩靴二次就位时所受水平力和弯矩的影响较大；桩靴所受的弯矩和水平力与区域1的土体强度恢复有很大关系；强度恢复越大，桩靴所受的弯矩和水平力越小，桩靴稳定性越高，即重复就位时间距离上次拔桩时间越长，桩靴进行重复就位越偏于安全。

（3）以上分析基于有限元模型，在实际工程中，应尽可能通过物探方式探测遗留桩坑的形状和尺寸，并通过原位测试获取坑内土体的强度，为安全距离的计算求取较为准确的土体参数。