自升式钻井平台插桩对导管架桩腿承载力影响研究

陈树恩

（中海石油（中国）有限公司，北京 100010）

1 理论计算方法

大直径桩靴与导管架桩基础之间的距离较小，桩靴下压和上拔造成浅层土体形成的孔洞会影响桩基的竖向承载力。根据API规范，桩的极限承载力由桩侧摩阻力和桩端总承载力两部分组成：

式中：Qf为桩侧摩阻力；

Qp为桩端总承载力；f为单位桩侧摩阻力；As为桩侧表面积，q为单位桩端承载力，Ap为桩端总面积。

粘土中f与q的计算如下：

式中：c为土体不排水抗剪强度

αá=，ψ=c/p0’，p0’为计算点的有效覆盖土压力。

砂土中粘土中f与q的计算如下：

式中：K为横向地基压力系数；

δ为土和桩壁间的摩擦角；Nq为支撑能力系数。

桩靴下压时一部分土体被挤向两侧，一部分土体随桩靴下沉，土体表面会形成一个沉陷区，据相关研究沉陷区最大直径为桩靴直径的2倍。

以我国南海浅水区域某工程为例，桩靴与桩基间距最小仅3.88 m，桩基础位于沉陷区内，因此在桩靴下压，桩基周围都会存在局部的土体流失，将导致桩基竖向承载力的下降。在运用API规范计算桩基承载力时，将桩身周围的土体考虑成与桩靴相同深度的上覆土层全部流失的极端情况，计算结果如表1所示：

表1 理论计算桩靴下压对桩基承载力的影响

2 有限元分析方法

有限元分析是模拟结构稳定性的重要手段。采用有限元软件ABAQUS进行校核计算。将桩靴、导管架桩腿视为刚体结构，赋予钢材属性。土体采用摩尔-库伦模型，钢管桩采用弹性模型，土体和大直径钢管桩均采用C3D8R单元进行模拟，桩土之间切向为罚接触，法向为硬接触。为了考虑设计最不利情况，当桩靴作用于某一位置时，将桩靴底面以上土体全部挖去，然后对桩顶参考点RP施加竖向位移荷载，提取桩顶反力得到荷载-位移曲线。

图1 有限元模型三维视图

由荷载-位移曲线可知桩靴下压时桩的竖向极限承载力，并计算桩靴作用对竖向承载力的影响，汇总结果见表2。

表2 有限元分析桩靴下压对桩基承载力的影响

3 模拟实验研究

在自升式钻井平台靠导管架插桩的过程中，影响导管架桩腿承载力的因素非常多，往往难以进行正确合理的评价。所以，非常有必要进行海底地层承载力模拟实验，将难以评估的破坏效果量化成可评估的参数，为自升式钻井平台在导管架旁边就位提供实验支持。

3.1 实验原理

自升式钻井平台插桩作业时，桩腿对周围土体产生一定的挤压，土体中的应力会产生一定的变化，模拟实验主要是测量插桩过程中土中应力的变化，做出导管架桩腿周围土的应力变化曲线，根据土应力变化曲线得出自升式钻井平台插桩时对导管架的影响。

3.2 实验方案

实验主要为测量桩腿插入过程中土中应力和导管架平台桩腿应力的变化。如图2实验方案所示，插桩时桩腿的边缘与导管架平台桩腿边缘的距离为18 cm，土压力传感器埋设深度分别为10 cm，20 cm和30 cm。距插桩位置边缘的距离分别为0.5倍、1倍、1.5倍和3倍桩径（即9 cm、18 cm、27 cm和54 cm）。传感器埋设完毕后，然后再选定的插桩位置插桩，插桩深度为35 cm，并记录实验数据。

图2 桩腿与传感器的位置剖面图

3.3 实验过程

按照实验方案，将各个传感器按编号顺序分别接到应变仪上，并将各个传感器的测量值归零。在选定的实验区域挖出一个30 cm土坑，拍平，然后选出埋设传感器的四个点，埋设传感器，再埋10 cm的砂土，拍平重复上述动作，直到所有的传感器埋设完毕。

图3 实验布置

静置2 min，插桩，记录数据。插桩示意图如图4所示。

图4 插桩过程示意图

3.4 实验结果分析

根据实验所得数据作出随插桩深度的增加实际土应力和导管架平台桩腿周围土应力的变化曲线。

图5 传感器埋深10 cm时土压力值变化曲线

图6 传感器埋深20 cm时土压力值变化曲线

由上述曲线可知，随插桩深度的增加，实际土应力值和导管架桩腿周围土应力值均增加后减小，且土应力值在插桩深度为土压力传感器埋设深度的一半时土应力值最大，且自升式钻井平台桩腿对导管架平台桩腿周围土应力的影响要比对实际土体的土应力值影响大。

4 结论

文章在理论研究、有限元分析的基础上，得出了自升式钻井平台插桩对于临近导管架桩腿承载力的影响。在此基础上，设计了一套研究自升式平台插桩对于导管架桩腿影响的模拟实验方案。该模拟实验通过控制传感器的埋深以及距离范围，可以了解到随着插桩深度的增加桩腿的各个部分的应力变化情况。通过模拟实验可以发现，随插桩深度的增加，实际土应力值和导管架桩腿周围土应力值均增加后减小，且两种土应力值均在插桩深度为土压力传感器埋设深度的一半时土应力值最大。