東海三種井口平臺樁基受力特性分析

孫友義，侯金林，劉 明

（中海石油（中國）有限公司北京研究中心，北京100027）①

東海三種井口平臺樁基受力特性分析

孫友義，侯金林，劉 明

（中海石油（中國）有限公司北京研究中心，北京100027）①

4腿8裙樁井口平臺按導管架腿斜度可分為單斜式、雙斜式與斜變直式3種形式。樁基受力特性是平臺的重要性能。以S A CS程序為分析工具，基于非線性土壤／樁基／結(jié)構(gòu)交互分析，研究了這3種形式平臺的樁基受力特性。通過樁基受力影響因素分析，提出了改善樁基受力的措施，可為該類平臺的導管架與樁基設計提供參考。

井口平臺；裙樁套筒；樁基受力特性

4腿8裙樁井口平臺是我國東海海域的常用平臺形式，根據(jù)導管架腿斜度可分為單斜式、雙斜式與斜變直式3種形式。單斜平臺指一側(cè)腿沿“X”或“Y”軸單斜，另一側(cè)腿沿“X”與“Y”軸雙斜的平臺；雙斜平臺指腿均沿“X”與“Y”軸雙斜的平臺；斜變直平臺指腿在導管架下部與裙樁套筒連接部位為垂直段，垂直段以上沿“X”與“Y”軸雙斜的平臺［1-2］。這3種形式平臺各有其優(yōu)缺點。目前，東海井口平臺多以自升式鉆井船實施鉆修井作業(yè)，在鉆井船首次或二次就位時，樁靴與導管架樁之間需留有足夠的安全距離，以免鉆井船插拔樁對平臺樁基承載力造成過大的不利影響。

對于雙斜或斜變直平臺，鉆井船就位時樁靴距導管架樁的間距小，樁基承載力較易受到插拔樁影響；對于單斜平臺，鉆井船在單斜一側(cè)就位，插拔樁不會對樁基承載力造成影響。單斜平臺結(jié)構(gòu)不對稱，受方向性環(huán)境力影響大；雙斜與斜變直平臺結(jié)構(gòu)對稱，抵抗各方向環(huán)境力能力強。對于雙斜與單斜平臺，導管架腿與裙樁套筒的連接形式較為復雜，制造困難；對于斜變直平臺，導管架腿與裙樁套筒的連接形式簡單，制造簡單。與雙斜或單斜平臺相比，斜變直平臺靠近泥面的兩層水平層間距小，導管架重心偏低，吊耳較難布置。

樁基受力特性是平臺的重要性能。本文針對4腿8裙樁井口平臺，以S A CS程序為分析工具，基于樁土非線性靜力分析，研究單斜、雙斜與斜變直3種形式平臺的樁基受力特性，分析樁基受力影響因素，并探討改善樁基受力的措施，可為導管架及樁基設計提供參考。

1 計算模型與分析方法

單斜、雙斜與斜變直3種形式平臺均為4腿8裙樁導管架結(jié)構(gòu)形式，水深為81.8 m，平臺有9個井槽，甲板無修井機，以自升式鉆井船實施鉆修井。導管架工作點標高為8.5 m，工作點尺寸為16 m× 12 m，設有5個水平層。上部組塊有3層甲板，設有10人生活樓及直升機甲板，組塊操作質(zhì)量為4 000 t。3種形式平臺的結(jié)構(gòu)分析模型如圖1所示。

1） 單斜平臺 平臺西側(cè)（“X”軸負向）兩腿沿“Y”軸單斜，斜度為1∶10（水平尺度比垂直尺度）；東側(cè)（“X”軸正向）兩腿沿“X”、“Y”軸雙斜，斜度均為1∶10。

2） 雙斜平臺 4腿均以1∶10的斜度沿“X”、“Y”軸雙斜。

3） 斜變直平臺 自工作點至第4水平層，4腿均以1∶10的斜度沿“X”、“Y”軸雙斜，自第4水平層向下，4腿均變?yōu)榇怪薄?/p>

裙樁套筒是用于固定平臺樁腿的主要結(jié)構(gòu)［3］，通常采用板式連接結(jié)構(gòu)形式，主要由套筒、上翼板、下翼板以及剪切板組成。

對于雙斜或單斜平臺而言，裙樁套筒剪切板與導管架腿的連接形式比較復雜。由于腿相對垂直面有斜度，而剪切板垂直于水平面，剪切板與腿的交線并不與腿軸心線平行。兩剪切板與相應腿軸心線只有一個交點，將該交點所在平面稱為樁腿定位平面。如圖2a所示，如將定位平面放在下翼板標高處，在上翼板標高處，剪切板與腿不易形成連接；如圖2c所示，如將定位平面放在上翼板標高處，在下翼板標高處，剪切板與腿連接位置偏離軸心過大，傳力性能差。為使結(jié)構(gòu)達到較好的傳力性能，通常將定位平面放在上、下翼板中間標高處，如圖2b所示。

圖1 4腿8裙樁井口平臺結(jié)構(gòu)模型

圖2 裙樁套筒與雙斜腿連接關系示意

對于斜變直平臺，剪切板與腿的交線與腿軸心線平行，連接形式較為簡單。

圖3為3種形式平臺的樁基布置示意圖。3種形式平臺的樁徑均為?2.134 m。對于單斜與雙斜平臺，定位平面設在上、下翼板中間標高處。對于3種形式平臺的初步計算模型，兩剪切板均呈垂直布置，樁腿間距為4.50 m，兩樁間距為6.36 m（約為3倍樁徑）。

按百年一遇的風浪流條件極值（波浪最大）計算樁基受力，最大波高為23.1 m，表面流速為2.13 m／s，風速為40.9 m／s。環(huán)境載荷考慮8個作用方向。

以S A CS軟件為分析工具，建立平臺模型輸入文件、環(huán)境載荷輸入文件以及樁土交互作用輸入文件，通過非線性土壤／樁基／結(jié)構(gòu)交互分析計算平臺樁基受力。

圖3 平臺樁基布置示意

2 平臺樁基受力特性對比分析

樁的設計需要考慮壓樁和拔樁2種工況［4］，本文中由于壓樁工況控制樁的入泥深度，因此僅列出樁的受壓樁頭力計算結(jié)果，以下文中樁頭力均指受壓樁頭力。

3種形式平臺的各樁樁頭力計算結(jié)果如表1。單斜、雙斜與斜變直平臺最大樁頭力分別為39 466、32 921與34 231 k N。單斜平臺與斜變直平臺最大樁頭力分別比雙斜平臺大20%與4%。對于樁的設計而言，相比雙斜平臺和斜變直平臺，單斜平臺對樁基承載力要求更高，針對同樣土壤條件所需入泥深度加大，對制造而言，用鋼量增加，對安裝而言，施工時間和難度加大［5］。此外，從各樁之間樁頭力差異上看，與雙斜和斜變直平臺相比，單斜平臺各樁受力的不均衡性最為顯著。單斜、雙斜、斜變直3種形式平臺，最大樁頭力與最小樁頭力之比分別為1.31、1.10與1.10。

表1 3種形式平臺各樁樁頭力計算結(jié)果

下面分析3種形式平臺樁基受力特性存在差異的原因。樁受力由平臺自重力和外界環(huán)境力造成。單斜、雙斜與斜變直平臺的導管架干重（含附屬結(jié)構(gòu)）分別為30 136、30 814與31 082 k N，組塊操作重相同。由此可知，3種形式平臺的自重力大小相當。

3種形式平臺在8個方向上所受水平環(huán)境力如表2。從整體上看，3平臺所受水平環(huán)境力大小相當，且均在方向上存在差異，受45°和225°方向的環(huán)境力影響最大。

表2 3種形式平臺水平環(huán)境力計算結(jié)果

分別計算平臺在自重力或環(huán)境力單獨作用下樁的受力，計算結(jié)果如表3。對于雙斜和斜變直平臺，僅在自重力作用下，各樁受力大小相當；僅在環(huán)境力作用下，各樁受力存在差異，結(jié)合表2結(jié)果可知，這主要是由環(huán)境力大小在方向上存在差異造成的。對于單斜平臺，僅在自重力作用下，平臺西側(cè)樁受力明顯大于東側(cè)樁，西側(cè)樁距重心距離小導致其承受較大自重載荷；僅在環(huán)境力作用下，各樁受力存在較大差異，這是由環(huán)境力方向差異和結(jié)構(gòu)形式不對稱共同造成的。從表3還可看出，對于這3種平臺，環(huán)境力對樁頭力的貢獻均占主導地位。

表3 自重力和環(huán)境力導致樁頭力數(shù)據(jù)

基于以上分析，3種形式平臺所受自重載荷與水平環(huán)境力大小相當，故可推知，平臺最大樁頭力差異由導管架結(jié)構(gòu)形式差異造成。與雙斜平臺相比，斜變直平臺由于底部直腿段的存在，其底盤尺寸比雙斜平臺小，抵抗環(huán)境載荷力矩的抗傾力臂相應較小，導致樁承受壓力比雙斜平臺大。

與雙斜平臺相比，單斜平臺底盤在“X”向跨度小，單斜一側(cè)樁承受較大載荷，對于受力最大的1號樁，由于抗傾力臂小，環(huán)境力對其施加較大載荷，同時還承受較大自重載荷，導致其樁頭力顯著大于雙斜平臺。

3 樁基受力影響因素分析

3.1 剪切板夾角對樁基受力影響分析

對于一腿兩裙樁的裙樁套筒結(jié)構(gòu)，兩剪切板通常呈90°角布置，在這種形式下傳力比較直接，但有時也采用其它角度。下面定量分析剪切板夾角對樁基受力的影響，計算時樁腿間距保持不變。圖4為3種形式平臺最大樁頭力隨剪切板夾角的變化關系曲線。以θ表示剪切板夾角。如圖4所示，3種形式平臺的最大樁頭力均隨θ增大有逐漸增大趨勢，但受θ的影響程度有較大不同。θ＝60°時，單斜、雙斜與斜變直平臺的最大樁頭力分別為38 788、32 546與34 124 k N；θ＝120°時，單斜、雙斜與斜變直平臺的最大樁頭力分別為40 169、34 589與34 586 k N。雙斜平臺最大樁頭力受θ影響顯著，其與θ近似呈拋物線形關系，尤其是在θ大于90°后，最大樁頭力隨θ增大急劇增大。單斜平臺最大樁頭力受θ影響較為顯著，但其與θ近似呈線性關系。斜變直平臺最大樁頭力受θ影響不顯著。

圖4 3種形式平臺最大樁頭力隨剪切板夾角的變化關系曲線

從改善樁基受力的角度出發(fā)，對于這3種形式平臺，θ均不宜超過90°。θ在90°以內(nèi)，對于雙斜平臺，減小θ對于改善樁基受力幫助不大；對于單斜平臺，減小θ可在一定程度上改善樁基受力。對于斜變直平臺而言，通過調(diào)整剪切板夾角來改善樁基受力不是一種有效手段。

3.2 兩樁間距對樁基受力影響分析

考慮到多樁對土壤承載力的不利影響，相鄰兩樁間距通常需不小于2.5倍樁徑。兩樁間距理論上不存在上限，但受翼板屈服強度的限制，兩樁間距不宜過大。對于雙斜與斜變直平臺而言，兩樁間距還可能受到鉆井船插樁安全距離的限制。下面定量分析兩樁間距對樁基受力的影響，計算時兩剪切板呈垂直布置。圖5為3種形式平臺最大樁頭力隨樁間距的變化關系曲線。以L表示相鄰兩樁間距，D表示樁徑。L＝2．5D時，單斜、雙斜與斜變直平臺最大樁頭力分別為40 100、33 735與34 940 k N；L＝4D時，單斜、雙斜與斜變直平臺最大樁頭力分別為38 140、31 823與32 910 k N。隨著樁間距的增大，3種形式平臺的最大樁頭力均呈逐漸減小趨勢，且減幅大致相當。從本質(zhì)上看，增大兩樁間距將導致樁腿間距增大，進而導致樁的抗傾力臂增大。分析表明，增大樁間距可在一定程度上改善樁基受力，或者說，增大樁腿間距可在一定程度上改善樁基受力。

圖5 3種形式平臺最大樁頭力隨樁間距的變化關系曲線

3.3 樁基受力改善措施

結(jié)合以上分析，對于單斜平臺，圖6給出1種裙樁布置方案。如圖6所示，在下翼板標高處，兩套筒與腿軸心的連線相互垂直，定位平面設在上、下翼板中間標高處。與初步計算模型相比，兩樁間距仍為3倍樁徑，但在定位平面內(nèi)，樁腿間距增大，剪切板夾角減小。由計算得出，單斜平臺最大樁頭力為38 132 k N，與初步計算模型相比減小了1 334 k N。分析表明，對于單斜平臺，采用減小剪切板夾角與增大樁腿間距相結(jié)合的方式改善樁基受力效果明顯。

圖6 1種單斜平臺裙樁布置方案

綜合以上分析，對于單斜平臺，可考慮采用減小剪切板夾角與增大樁腿間距相結(jié)合的方式改善樁基受力。對于雙斜與斜變直平臺，兩剪切板呈垂直布置較為合理，可考慮采用增大樁腿間距的方式改善樁基受力。

4 結(jié)論

1） 本文針對4腿8裙樁導管架平臺形式，研究了單斜、雙斜與斜變直3種形式平臺的樁基受力特性。通過樁基受力影響因素分析，提出了改善樁基受力的措施。

2） 從樁基受力性能上看，雙斜平臺最大樁頭力最小，斜變直平臺最大樁頭力略大于雙斜平臺，而單斜平臺最大樁頭力顯著大于雙斜和斜變直平臺；此外，單斜平臺各樁受力的不均衡性也最為顯著。這3種形式平臺的自重及所受環(huán)境力大小相當，樁基受力性能差異主要由導管架結(jié)構(gòu)形式差異造成。

3） 對于樁的設計而言，相比雙斜與斜變直平臺，單斜平臺對樁基承載力的要求有顯著提高，對入泥深度要求更高，進而導致用鋼量增加、施工時間和難度加大。在滿足鉆井船就位時樁靴距樁安全距離的前提下，推薦采用雙斜或斜變直式導管架結(jié)構(gòu)形式。

4） 對于單斜、雙斜與斜變直3種形式平臺，最大樁頭力均有隨剪切板夾角增大而增大的趨勢，但受剪切板夾角影響程度差異很大；從改善樁基受力的角度出發(fā)，這3種形式平臺的剪切板夾角均不宜超過90°。另外，這3種形式平臺的最大樁頭力均有隨樁間距增大而減小的趨勢，且減幅大致相當。對于單斜平臺，可考慮采用減小剪切板夾角與增大樁腿間距相結(jié)合的方式改善樁基受力。對于雙斜與斜變直平臺，可考慮采用增大樁腿間距的方式改善樁基受力。

［1］ 張保軍，于春潔.春曉氣田群井口平臺結(jié)構(gòu)形式研究［J］.中國海上油氣（工程），2003，15（1）：29-31.

［2］ 李健民.導管架樁的布置、尺寸和貫入深度的確定［J］.中國造船，2005，46（增刊）：378-380.

［3］ 馮加果，李新仲，謝彬，等.基于A N S Y S的海洋平臺局部構(gòu)造疲勞壽命評估的網(wǎng)格精度和外推方法研究［J］.石油礦場機械，2011，40（1）：15-20.

［4］ 海洋石油工程設計指南編委會.海洋石油工程平臺結(jié)構(gòu)設計［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2007.

［5］ 陳建民，婁敏，王天霖.海洋石油平臺設計［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2012.

Pile Foundation M echanical Characteristic Analysis for Three Types of W ellhead Platforms in East China Sea

S U N Y ou-yi，H O U Jin-lin，LIUMing
（C N O O C Research Institute，Beijing100027，China）

W ellhead platforms with 4 legs and 8 skirt piles can be classified as three forms including single-batter type，double-batter type and batter-to-vertical type according to the jacket leg batter.The pile foundation mechanical characteristic is an im portant performance of the platform. Pile foundation mechanical characteristics for the three types of platforms were studied，using S A CS software，based on nonlinear soil-pile-structure interaction analysis.Influence factor analysis on pile foundation mechanical characteristics was performed，and measures for im proving the pile foundation bearing capacities were discussed.T he results can provide a reference for jacket and pile foundation design for these types of platforms.

wellhead platform；skirt pile sleeve；mechanical characteristics of pile foundation

T E951

A

10.3969／j .issn.1001-3482.2014.08.004

1001-3482（2014）08-0017-06

2014-01-02

孫友義（1983-），男，山東東營人，博士，2009年畢業(yè)于中國石油大學（華東）機械設計及理論專業(yè)，主要從事海洋工程研究與設計工作，E-mail：sunyy4＠cnooc.co m.cn。