海上自升式钻井平台插桩阶段桩靴承载力计算.pdf

2 0 1 1年 1 0月 石油勘探与开发 PETROLEUM EXPL0RAT1 0N AND DEVELOPM ENT Vo1 ． 3 8 No． 5 61 3 文章编号1 0 0 0 - 0 7 4 7 2 0 1 1 0 5 0 6 1 3 0 7 海上 自升式钻井平台插桩阶段桩靴承载力计算 张浦阳 1 ,2 于晓洋 ，丁红岩 ，2 1 ． 天津大学建筑工程学院；2 ． 滨海土木X - 程结构与安全教育部重点实验室 天津大学 ；3 ． 国核 电力规划设计研 究院 摘要为了准确预测海上 自升式钻 井平台插桩 阶段贯入深度，5 l 入流一 固耦合理论，建立了饱和黏土条件下土一 桩靴系 统的有限元模型，利用该模型对桩靴贯入均质与非均质黏土时的桩靴承载力系数进行 了数值计算。结果表明，桩靴 承载力系数的大小主要取决于土体强度和桩靴贯入深度对土体 强度非均匀系数较低的土体 ，桩靴承载力系数与桩 靴贯入深度正相关，而土体 强度 非均匀系数较大的土体桩靴承载力系数与桩 靴贯入深度呈负相关；当桩靴贯入深度 为 2 0 m 左右时，桩靴的极限承载力系数为 1 0 ． 3 0 不考虑土体 回流作用 和 1 2 ． 2 5 考虑土体回流作用 。给出了插 桩过程中桩靴承载力的计算方法，并利用此方法计算了渤海 5号平台在特定土质条件下桩靴的贯入深度，提 出的计 算方法 由于考虑 了整个插桩过程 中土一 桩靴相互作用 、 土体的非线性特性、 桩靴底面的端阻力和桩靴侧面阻力等影响， 预测的桩靴贯入深度更为合理，与传统计算方法的结果相差 2 0 ％左右。图 9 表 2 参 2 5 关键词海上 自升式钻井平 台；桩靴；承载力；土体回流；孔穴高度 中图分类号T U4 1 1 文献标识码A S p u d c a n b e a r i n g c a p a c i t y c a l c u l a t i o n o f t h e o f f s h o r e j a c k - u p d r i l l i ng pl a t f o r m d ur i ng t he p r e l o a d i ng p r o c e s s Zha n g Pu y a n g ， Yu Xi a o ya n g ， Di ng Ho ng y a n ， 1 ． S c h o o l o fC i v i l E n g i n e e r i n g ， Ea n j i n U n i v e r s i t y ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a ； 2 ． Ke y L a b o r a t o r y o fC o a s t Ci v i l S t r u c t u r e S a f e t y T i a i n U n i v e r s i t y ， Mi n i s t ry o yE d u c a t i o n ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a ； 3 ． S t a t e Nu c l e a r E l e c t r i c P o we r P l a n n i n g De s i g n＆R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e ij i n g 1 0 0 0 9 4 ， C h i n a Ab s t r a c t T o p r e d i c t t h e p e n e t r a t i o n d e p t h o f t h e o ff s h o r e j a c k u p d r i l l i n g p l a t f o r m d u r i n g t h e p r e l o a d i n g p r o c e s s ， t h e fl u i d - s o l i d c o up l i n g t he o r y wa s i n t r od u c e d t o e s t a bl i s h t h e fin i t e e l e me n t mo d e l o f t he s o i l s pu d c a n s ys t e m i n s a t u r a t e d c l a y ．Wi t h t hi s mo d e l ， t he s p u dc a n be a ting c a pa c i t y f a c t o r wa s n u me r i c a l l y c a l c u l a t e d wh e n s p ud c a n s p e n e t r a t e d i n t o ho mo g e n e o us a nd h e t e r o g e n e o us c l a y ． The r e s u l t s s h o w t h a t ， t h e s p u d c a n b e a ti n g c a p a c i ty f a c t o r i s ma i n l y d e c i d e d b y s o i l s t r e n g t h a n d s p u d c a n p e n e tr a t i o n d e p t h f o r s o i l wi t h l o we r s tre n g t h he t e r og e n e o u s c o e ffi c i e n t ， t h e s p u d c a n be a ring f a c t o r h a s a po s i t i ve c o r r e l a t i o n wi t h t he s p u dc a n p e n e t r a t i o n d e pt h， wh i l e f o r s o i l wi t h hi g h e r s tre n g t h h e t e r o g e n e o us c oe ffi c i e n t s ，t h e c o r r e l a t i o n i s ne ga t i v e． W h e n t he s pu d c a n pe ne t r a t i o n de pt h i s a b o ut 2 0 m， th e ma x i m u m b e a r i n g c a p a c i ty f a c t o r o f s p u d c a n i s 1 0 ． 3 0 n o t c o n s i d e r s o i l b a c k fl o w a n d 1 2 ． 2 5 c o n s i d e r s o i l b a c k f l o w ， r e s p e c t i v e l y ． Th e c a l c u l a t i o n me t ho d for s p u dc a n be a tin g c a p a c i t y d u r i ng t he p r e l o a d i ng p r oc e s s wa s g i v e n． W i t h t h i s me t ho d ，t h e pe n e t r a t i o n d e pt h o f s p ud c a n u nd e r c e r t a i n s oi l c on d i t i o n f o r t he Bo ha i No． 5 pl a t f o r m wa s c a l c ul a t e d ． Be c a us e t he pr o p os e d c a l c ul a t i o n me t h od c o ns i de r s t h e i nfl ue n c e s of r e a c t i o n be twe e n s oi l a nd s p u dc a n，the no n l i n e a r p r o p e r t y o f s o i l ，e n d r e s i s t a nc e a t t he b ot t o m of s p ud c a n，a n d l a t e r a l r e s i s t a n c e o f s pu d c a n d urin g t h e who l e p r e l oa d i n g p r o c e s s ， t h e p r e d i c t e d s p u d c a n p e ne tra t i o n d e p t h i s mo r e r e a s o n a bl e an d h a s a d i ffe r e n c e o fa b o u t 20 ％ f r o m the r e s ul t o ftra d i t i o na l c a l c ul a t i o n me t ho d s ． Ke y wo r d s o ff s h o r e j a c k u p d r i l l i n g p l a t f o r m； s p u d c a n ； b e a ti n g c a p a c i ty； s o i l b a c k fl o w； c a v i ty h e i g h t 1研究背景 由于海洋地质情况复杂 ，海上 自升式钻井平 台桩 靴贯入深度的准确预测一直是海洋工程界急需解决的 问题。平台桩靴贯入深度过大会对平台造成巨大危害， 国内海洋工程界对这一情况缺乏系统论证研究 ，实际 操作时通常采取尽量保证平台桩靴贯入深度不超过极 限值 基于经验公式给出的预测值 的做法 ，但桩靴 贯入深度过大 的现象仍无法避免。本文针对这一问题 开展 研究 。 研究表明 ，海上 自升式钻井平台的桩靴在整个贯 人过程中，其承载力变化与 3个因素有关 ①土体强 度 C ；②地基承载力 系数 Ⅳ c ；③桩靴上部土体回 流引起的有效上覆土压力 P o o 关于 C 的取值问题 ，文献【 1 _ 4 ] 推荐选取海底泥面 以下 0 ． 5 ～1 ． 0倍桩靴直径深度的土体层不排水抗剪强 6 1 8 石油勘探与开发 石油工程 V l0 1 ． 3 8 No ． 5 靴与土体之问的相互作用及土体的非线性特性 ，而且 同时考虑了桩靴底面的端阻力和桩靴侧面阻力 ，因而 ， 得到的结果更接近实际情况。笔者认为 ，用本文方法 指导工程实践更为合理。 5结论 采用流． 固耦合理论和有限元方法，对不同土质条 件下桩靴的承载力特性进行了数值模拟 ，以准确预测 海上 自升式钻井平台桩腿贯人深度。 在桩靴尺寸和土体有效重度一定时 ，桩靴上部孑 L 穴高度随着 C a m ／ y D值和 值 的增大而增大。 桩靴上部孔穴高度还未完全形成 的条件下 ，对于 k D／ c 。 值较小的土质条件 ， Ⅳ c 值随着桩靴贯入深度增加 而增大。相反 ，对 k D／ c o 值较大的土质条件 ，Ⅳ c 随着 桩靴贯人深度增大而减少。不 同土质条件下的 Ⅳc 极限 解集 中分布在 d ／ D为 1 ． 5 ～2 ． 0的范 围内； 当 d ／ D2时， 数值模拟的 Ⅳc 值收敛于 1 0 ． 2 7 ～1 0 ． 3 8 。 考虑土体 回流对桩靴承载力 的影响时 ，随着贯人 深度的增大 ，k D／ c 。变化对 Ⅳc 的影响开始变小 ，d ／ D 为 2 ． 0左右时 ，Ⅳc 收敛于 1 2 ． 2 2 ～1 2 ． 2 7 。 由于本文数值模拟过程全面考虑了桩靴贯人过程 中的相关影 响因素和桩靴与土体之间的相互作用及土 体的非线性特性 ，同时考虑了桩靴底面的端阻力和桩 靴侧面阻力 ，用本文方法求得 的桩靴最终贯人深度较 传统方法求得 的结果更为接近实际情况 。 符 号注 释 c 土体强度，k P a ； Ⅳc 地基承载力系数 ； C u 0 所在位置土体的实际强度， k P a ； 土体强度梯度 ， k P a ／ m； D 桩靴最大截面处直径 ，n l ； 一桩靴的贯入深度，m； C u m 海底表层土体强度 ， k P a ； y ，_土体有效重度， k N／ m ； 一 桩靴锥角， 。 ； 桩靴平均高度，m；h i 桩靴厚 度 ，m； 孔穴高度，m；C u I-I 土体回流开始深度的 土体抗剪切强度 ，k P a ；卜土体深度，m；Q 1 浅贯入 时的桩靴承载力 ，k N； 埋置在土体中桩靴和桩腿的体 积 ，n l ； 桩靴最大横截面积 ，1T I 。 参考文献 [ 1 ]T h e S o c i e t y o f Na v a l Ar c h i t e c t s a n d Ma r i n e E n g i n e e r s ． R e c o mme n d e d p r a c t i c e f o r s i t e s p e c i fi c a s s e s s me n t o f mo b i l e j a c k - u p u n i t s T e c h n i c a l a n d r e s e a r c h b u l l e t i n 5 - 5 A[ S ] ．Ne w J e r s e y T h e S o c i e t y o f Na v a l Ar c h i t e c t s a nd M a r i n e E n g i ne e r s ， 1 9 97 ． [ 2 ] S k e mp t o n A T h e b e a r i n g c a p a c i t y o f c l a y s [ M]L o n d o n B u i l d i n g Re s e a r c h Co n g r e s s ， 1 9 5 1 1 8 0 - I 8 9． [ 3 ] Ge me i n h a r d t J P F o c h t J A． T h e o r e t i c a l a n d o b s e r v e d p e r f o r ma n c e o f [ 4 ] 【 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 【 1 0 】 [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ I 6 ] [ 1 7 ] mo b i l e r i g f o o t i n g s o n c l a y [ C] ／ ／ T h e I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y o f OT C ． Th e p r o c e e d i n g s o f Of f s h o r e T e c h n o l og y Co n f e r e n c e ．Ho u s t o nT h e I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y of OTC， 1 9 7 0 5 4 9 5 5 8 ． Ke e R． I ms B Ge o t e c h n i c a l h a z a r d s a s s o c i a t e d wi t h l e g p e n e t r a t i o n o f j a c k - u p r i g s [ M] ．L o n d o n S e a b e d Me c h a n i c s P r e s s ， 1 9 8 4 1 6 9 ． 1 7 4． Ta n i K， Cr a i g W H． Be a r i ng c a p a c i t y o f c i r c u l a r f o u n d a t i o n s o n s o ft c l a y o f s t r e n g t h i n c r e a s i n g wi t h d e p t h [ J ] ．S o i l s a n d F o u n d a t i o n s ， 1 9 9 5 ， 3 5 4 2 1 3 5 ． M a r t i n C M ． Ve r t i c a l b e a r i n g c a p a c i t y o f s k i r t e d c i r c ul a r f o u n d a t i o n s o n T r e s c a s o i l [ C ] ／ ／ T h e I n t e rna t i o n a l S o c i e t y o f S MG E ． T h e p r o c e e d i n g s o f t h e 1 5 t h I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n S o i l M e c ha n i c s a n d Ge o t e c h n i c a l E ng i n e e r i n g ． I s t a n bu l T h e I n t e m a t i o n a l S o c i e t y o f S M GE， 2 0 01 7 43 - 7 4 6． Ra n d o l p h M F， Ho p e S ．Ef f e c t of c o n e v e l o c i t y o n c o n e r e s i s t a n c e a n d e x c e s s p o r e p r e s s u r e s [ C ] ／ ／ T h e I n t e rna t i o n a l S o c i e t y o f E P P S P ． T h e p r o c e e d i n g s o f I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n En g i n e e r i n g P r a c t i c e a n d P e r f o r ma n c e o f S o f t De p o s i t s ． Os a k a T h e I n t e rn a t i o na l S o c i e t y of EP PS P , 2 0 0 4 2 0 7 2 40 ． E n d l e y S N， R a p o p o r t T h o mp s o n P J ， e t a 1 ． P r e d i c t i o n o f j a c k u p r i g f o o t i n g p e n e t r a t i o n [ C ] ／ ／ T h e I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y o f O T C． T h e p r o c e e d i n g s o f Of f s h o r e T e c h n o l o g y Co n f e r e n c e ．Ho u s t o n Th e I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y o f OTC，1 9 8 1 2 8 5 2 9 6 ． Cr a i g W H．Ch u a K．De e p p e n e t r a t i o n of s p u d c a n f o u n d a t i o n s o n s and a n d c l a y [ J ]G e o t e c h n i q u e ， 1 9 9 0 ， 4 0 4 5 4 1 - 5 5 6 ． Ho s s a i n M S，Hu Ra n d o l p h M F ．Be a r i n g be h a v i o r o f s p u d c a n f o u n d a t i o n o n u n i f o r m c l a y d u r i n g d e e p p e n e t r a t i o n [ C ] ／ ／ T h e I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y o f OM AE．Th e p r o c e e d i n g s o f I n t e r n a t i o na l Co n f e r e n c e o n Of f s h o r e M e c h a ni c s a n d Ar c t i c En g i n e e r i n g． V a n c o u v e r T he I n t e rn a t i o n a l S o c i e t y o fOM AE， 2 0 0 4 1 0 7 1 2 2 Ho s s a i n M S， Hu Ra n d olph M F ，e t a 1 ．Li mi t i n g c a v i t y d e p t h fo r s p u d c a n f o u n d a t i o n s p e n e t r a t i n g c l a y [ J ] ． G e o t e c h n i q u e ， 2 0 0 5 ， 5 5 9 6 7 9 ． 69 0． T h e S oc i e t y o f Na v a l Ar c h i t e c t s a n d M a r i n e E n g i ne e r s ．Gu i d e l i n e s for s i t e s p e c i fi c a s s e s s me n t o f mo b i l e j a c k u p u n i t s T e c h n i c a l a n d r e s e a r c h b u l l e t i n 5 - 5 A[ S ] ．Ne w J e r s e y T h e S o c i e t y o f Na v a l Ar c h i t e c t s a n d M a r i ne En g i n e e r s ， 2 0 0 2 ． I S O． Pe t r o l e u m a n d n a t u r a l g a s i n d u s t r i e s S pe c i fic r e q u i r e me n t s f o r o f f s h o r e s t r u c t u r e s P a rt 4 Ge o t e c h n i c a l a n d f o u n da t i o n d e s i g n c 0 n s i d e r a t i o n s 【 S ] ． S wi t z e r l a n d Ge n e v a I S O ， 2 0 0 3 1 4 ． Da v i s E H， Bo o k e r J R．T h e e f f e c t o f i n c r e a s i n g s t r e n g t h wi t h d e p t h o n t h e b e a r i n g c a p a c i t y o f c l a y s [ J ] ．Ge o t e c h n i q u e ，1 9 7 3 ，2 3 4 5 5 1 5 6 3 ． Ra nd o l p h M J a mi o l k o ws k i M B，Zd r a v k o vi c L．Lo a d c a r r y i n g c a p a c i t y o f f 0 u n d a t i o n s [ C ] ／ ／ T h e I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y o f S MC ．T h e p r o c e e d i n gs of S ke mp t o n M e mo r i a l Co n f e r e n c e ． Lo n d o n Th e I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y o f S M C， 2 0 0 4 2 0 7 2 4 0 ． Ho u l s b y G T ， W r o t h C P ． Ca l c u l a t i o n o f s t r e s s e s o n s ha l l o w p e n e t r o me t e r s a n d f 0 o t i n g s [ C 】 ／ ／ T h e I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y o f 1 U T AM． T h e p r o c e e d i n g s o f I UT AM／ I UGG S e a b e d M e c h a n i c s ．Ne wc a s t l e Th e I n t e rn a t i o n a l S o c i e t y o f I UT AM ．1 9 8 3 1 0 7 ． 1 1 2 ． C a s s i d y M J ， Ho u l s b y G L Ho y l e M， e t a 1 ． De t e r mi n i n g a p p r o p r i a t e s t i f f n e s s l e v e l s f o r s p u d c a n f o u n d a t i o n s u s i n g j a c k u p c a s e 2 0 1 1 年 1 O月 张浦 阳 等 海上 自升式钻井平 台插桩 阶段桩靴承载力计算 6 1 9 [ 1 8 】 [ 1 9 ] [ 2 0 ] [ 2 1 ] r e c o r d s [ C] ／ ／ T h e I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y o f O MAE ． T h e p r o c e e d i n g s o f I n t e r na t i o n a l Co nf e r e n c e o n Of f s h o r e M e c h a n i c s a n d Ar c t i c E n g i ne e r i n g ． Os l o Th e I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y o f OMAE， 2 0 0 2 2 8 0 ． 28 5． 褚卫江 ，徐卫亚，苏静 波．变形 多孔 介质流 固耦合模型及数值模 拟研究[ J ] ． 工程力学， 2 0 0 7 ， 2 4 9 5 6 6 4 C h u We O i a n g ，X u We i y a ， S u J i n g b o ．S t u d y o n s o l i d fl u i d c o u p l e d mo d e l a n d n u me r i c a l s i mu l a t i o n f o r d e f o r ma t i o n p o r o u s me d i a [ J ] ． E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s ， 2 0 0 7 ， 2 4 9 5 6 - 6 4 ． 付丽娜．自升式钻 井船桩靴承 载能力研究 [ D ] 天津 天津 大学， 2 0 0 8 ． F u Li ’ n a ．Re s e a r c h o n be a r i n g c a p a c i t y o f s p u d f o u n da t i o n for j a c k u p s e l f - e l e v a t i n g d r i l l i n g p l a t f o r m[ D] ． T i a n j i n T i a n j i n Un i v e r s i t 2 0 0 8 ． 张浦 阳，丁红岩．新型筒型桩靴作为海上 自升式钻 井平 台基础的 承载力分析[ J 】 l石油勘探与开发， 2 0 1 1 ， 3 8 2 2 3 7 - 2 4 2 ． Zh a n g Pu ya n g ， Di n g Ho n g y a n ． Be a r i n g c a p a c i t y o f t h e b u c k e t s p u d c a n f o u n d a t i o n for o f f s h o r e j a c k u p d r i l l i n g p l a t f o r m[ J ] ． P e t r o l e u m E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t ， 2 0 1 1 ， 3 8 2 2 3 7 - 2 4 2 ． Cr a i g W H， C h u a K． L a r g e d i s p l a c e me n t p e r f o r ma n c e o f j a c k u p s p u d c a n s [ C】 ／ ／ T h e I n t e rna t i o n a l S o c i e t y o f I C C ． T h e p r o c e e d i n g s o f t h e I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e Ce n t r i f ug e ．Ro t t e r d a m Ba l k e m a Th e I n t e rn a t i o n a l S o c i e t y o f I CC，1 9 91 1 3 9 - 1 4 4 ． [ 2 2 】 Ho s s a i n M S ， R a n d o l p h M F ， H u Y e t a 1 ． C a v it y s t a b i l i t y a n d b e a r i n g c a p a c i t y o f s p u d c a n f o u n d a t i o n s o n c l a y [ C ] ／ ／ T h e I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y o f OTC． Th e p r o c e e d i n g s o f Of f s h o r e Te c h n o l o g y Co nf e r e n c e ． Ho u s t o n I n t e rn a t i o n a l S o c i e t y o fOT C， 2 0 06 1 7 0 1 77 ． [ 2 3 ] Ma r t i n C M， Ra n d o l p h M F ． Ap p l i c a t i o n s o f t h e l o w e r a n d u p p e r bo u n d t h e o r e ms o f p l a s t i c i t y t o c ol l a ps e o f c i r c ul a r f 0 u n d a t i 0 n s [ C 】 ／ ／ T h e I n t e rna t i o n a l S o c i e t y o f I AC MA G ． T h e p r o c e e d i n g s o f t h e 1 0 t h I ACM AG Co n f e r e n c e ． Tu c s o n Th e I n t e rn a t i o n a l S o c i e t y o f I ACMAG 2 0 0 1 1 41 7 - 1 4 28 ． [ 2 4 ] 新开工程技 术服务有限公 司．渤海五号 中文操船手册 [ M] 北京 新开工程技术服务有限公司， 2 0 0 2 ． Xi n k a i E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y S e r v i c e Co mp a n y L t d ．Bo ha i 5 s hi p ma n u a l [ M] ． B e ij i n g Xi n k a i E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y S e r v i c e Co mpa n y L t d ， 2 0 0 2 ． [ 2 5 ] 陈希哲．土力学地基基础[ M] ．北京 清华大学出版社， 2 0 0 4 ． C h e n Xi z h e ． S o i l me c h a n i c s a n d f o u n d a t i o n [ M] ． B e ij i n g T s i n g h u a Un i v e r s i t y Pr e s s ， 2 0 0 4 ． 第一作者简介张浦 1 9 7 8 一 ，男，河南濮阳人 ，博士，天津大学建 _T - 学院讲师，从事海洋结构设计研究工作。地址天津市南开 区天津大学 建筑工程学院土木 系，邮政编码3 0 0 0 7 2 。E m a i l z p y _t d 1 6 3 ． c o rn 收稿 日期2 0 1 0 0 4 ． 0 1 修回日期 2 0 1 1 - 0 4 2 1 编辑唐金华 绘 图 徐华丽 唣 ， 喈电 唣 ． 唣 ． 喈 唣 ． 唣 ． 唣 ． 唣 ． 唣 ． 喈 电 唣 ． 唣 ． 2 0 2 0年中国非常规油气产量有望达千亿立方米 以页岩气、煤层气等为代表的非常规能源正引起人们越来越多的关注，专家表示，今后几年，非常规油气资源勘 探开发将迎来发展新 热潮。如果能有政策支持 、 克服技术瓶颈，