海上自升式钻井平台新型筒型桩靴承载力.pdf

2 O l 1年 4月 石油勘探与开发 PE TR0L EUM EXPLORATI N AND DEVEL PM E NT Vo 1 ． 3 8 No ．2 2 37 文章编号 1 0 0 0 0 7 4 7 2 0 1 1 0 2 0 2 3 7 0 6 海上 自升式钻井平台新型筒型桩靴承载力 张浦 阳 ，丁红岩 1 ．天津 大学建 筑工程学院 ； 2 ．天津大学滨海土木工程结构 与安全教 育部重点实验室 摘要 为 了比较 筒型桩 靴和传统典型桩靴装配平 台的不同受力性能 ， 详细分 析不 同桩 靴型 式对 于桩腿 刚性度和平 台整体 承 载能力的影响。通过 S w i p e和 固定位移 比的加 载方法， 绘制 了复合加 载模 式下筒型桩靴和传统桩靴基础 的垂 向荷 载一 水 平荷 载、 垂 向荷载一 弯矩荷载 、 垂 向荷载一 水平荷 载 弯矩荷 载 受力空 间的破坏 包络 面和循环 荷载条 件下 2种桩 靴基础 的垂 向静荷 载一 垂向循环极限荷载、 垂 向静荷载一 水平循环极 限荷 载受力空间的破坏包络面 。理论研 究表 明， 筒裙 系统可 以增加 基础 的有效埋 置深度 ， 从 而提 高平 台基础的 固定度和平 台整体 刚度 。筒型桩靴可 以把传 统桩靴 的水平和 弯矩承载 能力提 高 1 O 以上， 在动荷载条件 下水 平承载力可 以增长 2 O 以上 ； 在风 浪流 等极 限风暴 动荷载作 用下 ， 典 型的海上 自升 式钻 井平 台在 较硬 黏土 中使 用筒型桩靴整体承载力 比传统桩 靴可提高 4 6 。图 8参 2 6 关键词 筒型桩靴 ；海上 自升 式钻井平 台； 承载 力；数值模拟 ；破坏 包络 面 中图分类号 TU4 1 1 文献标 识码 A Be a r i ng c a pa c i t y o f t he bu c ke t s pu d c a n f o u n da t i o n f o r 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 ms Zha n g Puy a n g ～．Di ng H o ng ya n ’ 1 ． S c h o o l o f Ci v i l En gi n e e r i n g，Ti a n j i n Un i v e r s i t y，Ti a n j i n 3 0 0 0 7 2，Ch i n a；2 ． Ke y La b o r a t o r y o f Co a s t Ci v i l S t r u c t u r e S a f e t y，M i n i s t r y o f Ed u c a t i o n，Ti a n j i n Un i v e r s i t y，Ti a n j i n 3 0 0 0 7 2 ，C h i n a Ab s t r a c t To c omp a r e t he b e a r i n g c a pa c i t i e s o f t he t r a di t i o na l s pu dc a n a nd t h e bu c ke t s p ud c a n．t he e f f e c t s of di f f e r e n t t y pe s p udc an s o n t he r i g i d i t y o f pi l e l e gs a nd t he e nt i r e b e a r i ng c a pa c i t y we r e an a l y z e d i n de t a i l ．Thr ou gh t he l o a di ng m e t h od of S wi p e a n d c o n s t a n t d i s p l a c e me n t ，t h i s p a p e r p l o t s t h e s p a t i a l f a i l u r e e n v e l o p e s o f t h e v e r t i c a l h o r i z o n t a l l o a d ， v e r t i c a l mo me n t l o a d，v e r t i c a l h o r i z o n t a l mo me n t l o a d o f t h e b u c k e t s p u d c a n a n d t r a d i t i o n a l s p u d c a n u n d e r t h e mo d e o f c o mp o s i t e l oa d i n g，a s we l l a s t he s pa t i a l f a i l u r e e n ve l o pe s o f t he v e r t i c a l s t a t i c l o a d v e r t i c a l c yc l i ng l i mi t l oa d．ve r t i c al s t a t i c l oa d h or i z on t a l c yc l i ng l i mi t l o a d b a s e d on t he s e t WO s p ud c a ns u nde r t he mod e o f c yc l i ng l o a di ng ． The o r e t i c a l s t ud y s ho we d t h a t t he s ki r t s ys t e m o f bu c ke t s pu dc a n c a n i nc r e a s e t he e f f e c t i v e e mbe dd e d de p t h， c o ns e q ue n t l y i mpr ov i ng t he f oun da t i on r i g i d i t y a n d e n t i r e s t i f f n e s s o f a j a c k u p d r i l l i n g p l a t f o r m．I t i s f o u n d t h a t t h e b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e h o r i z o n t a l l o a d a n d mo me n t l o a d o f t h e n e w s p u d c a n i s i n c r e a s e d b y a t l e a s t 1 0 t h a n t h a t o f t h e t r a d i t i o n a l s p u d c a n ，e s p e c i a l l y t h e h o r i z o n t a l l o a d b e i n g u p t O 2 0 i n t h e d y a n mi c l o a d c o n d i t i o n ．Un d e r t h e a c t i o n o f l i mi t s t o r m l o a d i n g c o n d i t i o n i n c l u d i n g wi n d ，wa v e a n d f l o w l o a d s ，t h e e n t i r e b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e j a c k u p r i g i n s t i f f c l a y i s i n c r e a s e d b y a b o u t 4 6 wi t h t h e b u c k e t s p u d c a n f ou nda t i on c o mpa r e d t o t he t r a di t i on al o ne ． Ke y wo r d s b u c k e t s p u d c a n f o u n d a t i o n ；o f f s h o r e j a c k u p r i g；b e a r i n g c a p a c i t y ；n u me r i c a l s i mu l a t i o n；f a i l u r e e n v e l o p e s 随着海 上 自升式 钻 井平 台应 用 范 围的扩 大 ， 传 统 桩 靴 抵 抗 海 上 极 限 风 浪 流 环 境 荷 载 的能 力 受 到 了 挑 战 。筒 型 基 础 是 近 年 来 研 发 的 新 的 桩 靴 型 式 ， 能 使海上 自升 式钻 井 平 台承受 更 大 的弯 矩 和水 平 荷 载 。海 上 自升 式 钻 井 平 台 安 装 过 程 中 桩 靴 主要 承 受 垂 向荷载 ， 风暴 、 波浪和水流等水 平荷载和弯矩 作用 在 自升式 平 台基 础 上 时 ， 垂 向荷 载 也将 发 生 改 变 。 认识垂 向荷载 、 水 平荷 载 和弯矩 共 同作 用下 的基 础 性状 ， 在 自升式平 台的分 析 中尤 为重 要 。本 文着 重 探讨筒 型桩靴的极 限承载力及 其作为海 上 自升式 钻 井 平 台基 础 的 优 势 。 1传统桩靴和筒型桩靴极限承载力比较 1 ． 1数值 模 型 的建立 传统桩靴和筒 型桩靴的几何尺寸参 见图 1 。由图 可见 ， 2种 型式 桩 靴 的水 平 截 面 均 为 圆形 ， 直径 D 均 为 1 0 m， 桩靴高 L 5 m， D／ L值均为 2 。土质 黏土 参数为 C ／ y D 一0 ． 1 5 ； 忌 D／ c 一0 。 桩靴极 限承载力 的加载采用位 移加载控制方式 。 桩靴承载力包络图采用 S wi p e加载方式 和固定位移比 加载方 式I 】 ] ， 加 载 过 程 中 桩 靴水 平 位移 增 量 和 垂 向位移增量 比 ／ 取0 、 0 ． 2 5 、 1 、 4 和c o ； 桩靴弯 2 4 2 石油勘探 与开发 石油工程 V o l | 3 8 N o ． 2 符号注释 c 海底 土体 的不排水剪切 强度 ， k P a ； 土体容 重 ， k N ／ m。 ； c 随深 度变 化 的增长 率 ， k P a ／ m； V 垂 向静 荷 载 ， MN； V 。 极 限 垂 向静 荷 载 ， MN； H 水 平 静 荷 载 ， MN； H 极 限水平静 荷载 ， MN； h 。 水 平荷 载和垂 向荷 载 的转换 系数 ； M弯 矩荷载 ， MN m； Mo 极 限弯矩荷 载 ， MN m； m。 弯 矩 调 整 系 数 ； D 桩 靴 直 径 ， r n ； M 参考点的弯矩值 ， MNr n ； 础 基 础达到荷 载参考 点 的高度 ， m； a ， 。 ， 相 关 系数 ； p l ， 垂 向荷 载调 整 系 数 和 e 垂 向荷载影 响 系数 ； a ， b ， c ， d 椭 圆曲线 方程 系数 ； V 。 垂向循环极 限承 载力 ， MN； H 水平循 环 极限 承载 力 ， MN； K 地 基 的旋转 刚度 ， MN m／ r a d ； E 卜一 桩 腿 的抗弯刚度 ， MN i n 。 参 考文献 [ 1 ] 赵少飞．复合加载 条件下海 洋地基 承载力 特性数 值分析 方法及 其应用 [ D] ．大连 大连理工大学 ， 2 0 0 5 ． Zh a o S h a o f e i ． A s t u d y o n nu me r i c a l m e t h o d s f o r a na l y s e s o f b e a r ing c a p a c i t y b e h a v i o u r o f o f f s h o r e f o u n d a t i o n u n d e r c o m b i n e d l o a d i n g E D ] ．Da l i a n Da l i a n Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，2 0 0 5 ． E e l Ta n F S ．C e n t r i f u g e a n d t h e o r e t i c a l mo d e l i n g o f c o n i c a l f o o t i n g s o n s a n d[ D ] ．Ca mb r i d g e Un i v e r s i t y o f C a mb r i d g e ，1 9 9 0 ． E 3 ] Go u r v e n e c S ， R a n d o l p h M． E f f e c t o f s t r e n g t h n o n - h o mo g e n e i t y o n t h e s h a p e o f f a i l u r e e n v e l o p e s f o r c o mb in e d l o a d i n g o f s t r i p a n d c i r c u l a r f o u n d a t i o n s o n c l a y[ J ] ．G e o t e c h n i q u e ， 2 0 0 3 ，5 3 6 5 7 5 5 8 6 ． [ 4 ] S u p a c h a wa r o t e C，Ra n d o l p h M，Go u r v e n e c S ．I n c l i n e d p u l l o u t c a p a c i t y o f s u c t i o n c a i s s o n s[ C] ／ ／ Th e I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y o f Of f s h o r e a nd Po l a r En g i n e e r s ．Pr o c e e d i n g s o f t h e 1 4 t h I n t e r n a t i o n a l C f f s ho r e a nd Po l a r En g i n e e r i n g Con f e r e n c e ． To u l onTh e S o c i e t y o f l OPE，2 0 0 4． [ 5 ] S e n d e r s M，Ka y S ．Ge o t e c h n i c a l s u c t i o n p i l e a n c h o r d e s i g n i n d e e p wa t e r s o f t c l a y s[ C ] ／ ／ Th e S o c i e t y o f DR MA．P r o c e e d i n g s o f De e p wa t e r Ri s e r s M o o r i n g a n d An c h o r i n g Co n f e r e nc e ． Lo n d o nThe S o c i e t y o f DRM A ，2 0 0 2 ． [ 6 ] B r a n s b y M F ． F a i l u r e e n v e l o p e s a n d p l a s t i c p o t e n t i a l s f o r e c c e n t r i c a l l y l o a d e d s u r f a c e f o o t i n g s o n u n d r a i n e d s o i l[ J] ． I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l f o r Nu me r i c a l a n d An a l y t i c a l M e t h o d s i n Ge o m e c h a n i c s ，2 00 1 ，2 53 2 9 3 4 6 ． [ 7 ] Gr e e n A P ． Th e p l a s t i c y i e l d i n g o f me t a l j u n c t i o n s d u e t o c o mb i n e d s h e a r a n d p r e s s u r e[ J ] ．J o u r n a l o f t h e Me c h a n i c s a n d Ph ys i c s o f S o l i d s ，1 9 5 4，2 3 1 9 7 2 1 1 ． E 8 ] 郑 大同．地基极 限承载力的计算[ M] ．北京 中国建筑工业 出版 社 ，I 9 7 9 ． Z h e n g D a t o n g ．Ul t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y o f s o il f o u n d a t i o n[ M] ． B e ij i n g C h i n a Bu i l d i n g I n d u s t r y P r e s s ，1 9 7 9 ． [ 9 ] B r a n s b y M F ，Ra n d o l p h M F ． C o mb i n e d l o a d i n g o f s k ir t e d f o u n d a t i o n s[ J ] ．Ge o t e e h n i q u e ，1 9 9 8 ， 4 8 5 6 3 7 6 5 5 ． [ 1 0 ] T a i e b a t H，C a r t e r J P ．Nu me r i c a l s t u d i e s o f t h e b e a r i n g c a p a c it y o f s h a l l o w f o o t i n g s o n c o h e s i v e s o i l s u b j e c t e d t o c o mb i n e d l o a d i n g E J ] ．G e o t e c h n i q u e ，2 0 0 0 ，5 0 4 4 0 9 4 1 8 ． [ 1 1 ] Ma r t i n C M． P h y s i c a l a n d n u me r i c a l mo d e l i n g o f o f f s h o r e f o u n d a t i o n s u n d e r c o mb i n e d l o a d s r D] ．Ox f o r d Un i v e r s i t y o f Ox f o r d ，1 9 9 4 ． [ 1 2 ] Ma r t i n C M，Ho u l s b y G T ．J a c k u p u n i t s o n c l a y S t r u c t u r a l a n a l y s i s wi t h r e a l i s t i c mo d e l i n g o f s p u d e a n b e h a v i o r[ c ] ／ ／ OTC ． Pr o c e e d i n g o f 3 1 s t Of f s h o r e Te c h no l o g y Co n f e r e n c e ． Hou 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 9 9 ． [ 1 3 ] Ma 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 u l a r [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] [ 1 7 ] [ 1 8 ] [ 1 9 ] [ 2 o ] [ 2 1 ] [ 2 2 ] E 2 3 ] E 2 4 ] [- 2 5 3 [ 2 6 ] f o u n d a t i o n s o n Tr e s c a s o i l[ c] ／ ／ I n t e r n a t i o n a 1 S o c i e t y f o r S o i l M e c h a n i c s a nd F ou n d a t i o n Eng i n e e r i n g ．Pr o c e e d i n g o f I n t e r n a t ion a I Co n f e r e n c e o n So i l M e c ha n i c s Ge o t e c h n i c a l En g i n e e r i n g．I s t a n b ul I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y f o r S o i l M e c h a ni c s a n d Fo u n d a t i o n Eng i n e e r i n g，2 0 01 ． M a r t i n C M ， Ho u l s b y G T． Co mb i n e d l o a d i n g 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 yNu me r i c a l mo d e l i n g[ J ] ． Ge o t e c h n i q u e ， 2 0 0 1，5 1 86 8 7 7 0 0． 栾茂 田，林皋 ，郭 莹．土体 稳定 分析 的改进 滑楔 模型及 其应 用 [ J ] ．岩土工程学报 ，1 9 9 5 ，1 7 4 1 - 9 ． L u a n Ma o t ia n ， Li n Ga o， Gu o Yi n g ． Ge n e r a l i z e d s l i d in g - we d g e me t h o d a n d it s a p p l i c a t i o n t o s t a b i l i t y a n a l y s is i n s o i l me c h a n i c s[ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Ge o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g ，1 9 9 5，1 7 4 1 9 ． Vl a h o s G，Ca s s id y M J ，Kn o wl e s B．A c o mp a r a t i v e a s s e s s me n t o f t h e u s e o f s p u d c a n s a n d c a i s s o n s a s t h e f o u n d a t i o n s o f ja c k - u p s t r u c t u r e s [ c] ／ ／ P r 0 c e e d i n g s o f 2 4 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f 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 n e e r i n g ． Ha l k i d i k i ASM E，2 0 0 5 ． Bo n i n J P ． Fo u n d a t i o n a na l y s i s o f ma r i ne g r a v i t y s t r u c t u r e s s u b mi t t e d t o c y c l i c l o a d in g[ c] ／ ／ P r 0 c e e d i n g s o f t h e 8 t h An n u a l Of f s ho r e Te c h n o l o g y Con f e r e n c e ． H o u s t o n Th e I nt e r n a t i o n a l S o c i e t y o f 0TC，1 9 7 6． Fr a n c i s D 。Ke n ne t h I I ．Cy c l i c mo v e me n t s o f o f f s h o r e s t r uc t u r e s o n c l a y[ J ] ．J o u r n a l o f t h e Ge o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g D i v i s i o n ， 1 9 8 0，1 0 6 8 8 7 7 - 8 9 7 ． I e f e b v r e G ， Pf e n d l e r P． S t r a i n r a t e a n d s h e a r e f f e c t s i n c y c l i c r e s i s t a n c e o f s o f t c l a y[ J ] ．J o u r n a l o f Ge o t e c h n i c a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 6 ，1 2 2 1 2 1 2 6 ． An d e r s e n K H ，Kl e v e n A ，H e i e n D．Cy c l i c s o i l d a t a f o r d e s i g n o f g r a v i t y s t r u c t u r e s[ J ] ． J o u r n a l o f Ge o t e c h n i c a l En g i n e e r i n g ， 1 9 8 8，1 4 5 5 1 7 ． J o s t a d H P，Na d i m F，An de r s e n K H．A c o mp u t a t i o n a l mo d e l f o r f i x i t y o f s p u d c a n s o n s t i f f c l a y E C ] ／ ／ B OS S ．P r o c e e d i n g s o f t h e 7 t h I n t e r n a t i 0 n a l Co n f e r e n c e o n t h e Be ha v i o u r o f Of f s h o r e S t r u c t ur e s ． M a s s a c h us e t t s BOSS，1 9 9 4． 畅元江 ，陈国明，许亮斌 ， 等．超深水钻井 隔水管设计 影响 因素 [ J ] ．石油勘探与开发，2 0 0 9 ，3 6 4 5 2 3 5 2 8 ． C h a n g Yu a n j i a n g ， C h e n Gu o min g ， X u I i a n g b i n ， e t a 1 ．I n f l u e n t i a l f a c t o r s f o r t h e d e s i g n o f u l t r a d e e p wa t e r d r i l l i n g r i s e r s[ J ] ． Pe t r o l e u m Ex p l o r a t i o n a n d De v e l o p me nt ，2 O O 9，3 6 4 5 2 3 5 2 8 ． 龚 闽．自升 自航 式船与地基 土的相互作 用研究 [ D ] ．上海 上海 交通大学 ，2 0 0 5 ． Go n g M i n ． S t u d y o n i nt e r a c t i o n o f l i f e b o a t s ’ s p u d c a n a nd s o i l [ D] ．S h a n g h a i S h a n g h a i J i a o To n g Un i v e r s i t y ， 2 0 0 5 ． Te mp e r t o n I ，St o n o r R W P，Sp r i n g e t t C N． M e a s u r e d s p u d c a n f i x i t y Ana l y s i s o f i n s t r u m e n t a t i o n d a t a f r o m t h r e e No r t h S e a j a c k u p u n i t s a n d c o r r e l a t i o n t o s i t e a s s e s s me n t p r o c e d u r e s[ J ] ． Ma r i ne S t r u c t u r e s ，1 9 9 9，1 2 4 ／ 5 2 7 7 3 0 9 ． Ne l s o n K ，S t o n o r R W P，Ve r s a v e l T． M e a s u r e me nt s of s e a b e d f i x i t y a n d d y n a mi c b e h a v i o r o f t h e S a n t a F e Ma g e l l a n j a c k u p[ J ] ． Ma r i n e S t r u c t u r e s ，2 0 0 1 ，1 4 4 ／ 5 4 5 1 4 8 3 ． Ca s s i d y M J ，By r n e B W ，Ra n d o l p h M F ． A c o mp a r i s o n o f t h e c o mb i n e d l o a d b e h a v i o u r o f s p u d c a n a n d c a i s s o n f o u n d a t i o n o n s o f t n o r ma l l y c o n s o l i d a t e d c l a y[ J ] ．Ge o t e c h n i q u e ， 2 0 0 4 ， 5 4 2 9 1 1 0 6 ． 第一作者简介 张浦阳 1 9 7 8 一 ， 男， 河南濮 阳人 ， 博 士， 天津大学建 工 学院讲师， 从事海洋结构设计研 究与教学工作。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 - ma i l z p y _ t d 1 6 3 ． c o m 收稿 日期 2 0 1 0 0 2 2 4 修 回日期 2 0 1 卜0 1 - 1 2 编辑唐金华 绘图 李秀贤