大比尺自升式平臺插拔樁試驗系統(tǒng)研制及驗證*

高 攀 段夢蘭 趙良美 宋林松 黎劍波

(1. 上海海事大學海洋科學與工程學院 上海 201306； 2. 中國石油大學(北京)海洋油氣研究中心 北京 102249；3. 中海油田服務股份有限公司 河北三河 065201)

大比尺自升式平臺插拔樁試驗系統(tǒng)研制及驗證*

高 攀1段夢蘭2趙良美2宋林松3黎劍波3

(1. 上海海事大學海洋科學與工程學院 上海 201306； 2. 中國石油大學(北京)海洋油氣研究中心 北京 102249；3. 中海油田服務股份有限公司 河北三河 065201)

高攀，段夢蘭，趙良美，等.大比尺自升式平臺插拔樁試驗系統(tǒng)研制及驗證[J].中國海上油氣，2016,28(6)：108-114.

Gao Pan，Duan Menglan，Zhao Liangmei,et al.Development and validation of a large-scale model test system for spudcan penetration and extraction[J].China Offshore Oil and Gas,2016,28(6):108-114.

自升式平臺順利插拔樁對其安全作業(yè)具有至關重要的作用。根據(jù)插拔樁問題主要控制方程的相似，推導了1倍重力加速度模型主要物理量的相似系數(shù),建立了主要由土池、加載裝置、原位測量裝置、沖樁系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成的大比尺自升式平臺插拔樁試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以模擬自升式平臺插樁、沖樁和拔樁，能夠測量插拔樁深度和阻力，監(jiān)測樁靴底部孔隙水壓力的變化。運用該系統(tǒng)進行了初步插樁試驗和邊沖邊拔的拔樁試驗，將插拔樁阻力與規(guī)范和相關經(jīng)驗公式進行了對比，驗證了系統(tǒng)的有效性和準確性，研究了樁靴底部孔壓的分布規(guī)律以及孔壓和插樁阻力的變化關系，證實了沖樁可以減小拔樁阻力的顯著效果。本文研制的大比尺自升式平臺插拔樁試驗系統(tǒng)為進一步研究自升式鉆井平臺的插拔樁阻力和沖樁效果提供了基礎，有利于保障自升式鉆井平臺的作業(yè)安全。

大比尺；自升式平臺；1倍重力加速度模型；插拔樁；沖樁；孔壓監(jiān)測

自升式平臺在就位時需要將樁靴和樁腿插入泥中，而撤離則需要將樁靴和樁腿從泥中拔起。目前，在自升式平臺進行作業(yè)前，通常根據(jù)SNAME、ISO等標準[1-2]進行插樁深度和拔樁阻力的計算。然而，自升式鉆井平臺的插拔樁過程仍然面臨各種各樣的挑戰(zhàn)，穿刺和拔不起等事故時有發(fā)生。為了解決這些問題，試驗研究是最可靠、最常用的方法，因此，建立一套用于自升式平臺插拔樁模擬的試驗系統(tǒng)是非常有意義的。

對于自升式平臺插拔樁問題，國內(nèi)外很多科研院校做過相關離心機模型試驗，包括西澳大學、新加坡國立大學和大連理工大學等。對于插樁問題，Craig等[3]對均勻砂、黏土和砂覆黏土中的插樁進行了離心機試驗，初步探索了砂覆黏土中的破壞機理；Teh[4]對砂覆黏土中的插樁進行了離心機試驗，進一步揭示了砂覆黏土中的破壞機理；Hossian等[5]對上硬下軟黏土層中的插樁進行了離心機試驗，得到了上下層土體強度比、硬土層厚度和下層土不均勻度對于插樁阻力的影響規(guī)律。對于拔樁問題，Martin等[6]對黏土層中的拔樁問題進行了研究，并與1倍重力加速度下的試驗進行了對比；Purwana[7]進行了軟黏土中拔樁的離心機試驗，發(fā)現(xiàn)平臺作業(yè)時間對于樁底吸附力的影響顯著；Kohan等[8]通過離心機試驗進一步解釋了樁靴基礎拔樁過程中的破壞機理及影響因素，遺憾的是該試驗中樁靴模型底部僅安裝了一個孔壓傳感器，導致無法有效監(jiān)測樁靴底部孔隙水壓力分布。目前大部分試驗研究多集中在插拔樁阻力的研究上，關于沖樁對于減小拔樁阻力作用的試驗研究則非常有限。Gaudin和Bienen等[9-10]相繼就沖樁對于減小拔樁阻力的效果進行了離心機試驗研究，對不同排量、壓力情況下的沖樁效果進行了比較，結(jié)果表明沖樁對于減小拔樁阻力的效果顯著。但由于該離心機試驗中模型尺度較小，樁靴底部僅布置了一個噴嘴，因此難以進一步研究沖樁噴嘴布局等因素對于沖樁效果的影響，難以對實際設計和工程作業(yè)提供指導。張海洋[11]研制了一套樁靴噴沖試驗系統(tǒng)，研究了噴沖對于減小拔樁阻力的作用效果。但該系統(tǒng)中土體厚度小，樁靴入泥深度較淺；而且僅能測試拔樁阻力，不能有效監(jiān)測樁靴下部土體中的孔壓變化。

盡管離心機試驗與1倍重力加速度試驗相比具有很多優(yōu)點，但它也存在不少缺點。由于離心機負載能力有限，離心機試驗的比尺通常是1∶100甚至更小，這種條件下限制了沖樁系統(tǒng)等結(jié)構的幾何相似，而且模型上能夠安裝的傳感器數(shù)量有限，也限制了試驗的數(shù)據(jù)信息采集量。另外，離心機試驗成本高昂，一臺中型離心機及配套試驗系統(tǒng)的造價通常在1 000萬元人民幣以上，而且離心機試驗中土樣的配置難度很大，尤其是黏性土的配置。

綜上所述，目前自升式平臺插拔樁問題的試驗研究以離心機模型試驗和常規(guī)模型試驗為主，但離心機試驗尺度過小，試驗成本高昂，配土難度大，而現(xiàn)有常規(guī)模型試驗設計簡單，不能滿足深入研究的要求。本文研制了一套1∶30的大比尺自升式平臺插拔樁試驗系統(tǒng)，用于模擬自升式平臺樁靴的插拔過程，監(jiān)測插拔樁阻力、孔壓變化，并模擬沖樁過程。應用該系統(tǒng)進行了常規(guī)的插拔樁和沖樁試驗，驗證了系統(tǒng)的有效性。該系統(tǒng)對于研究插拔樁過程中的穿刺、滑移等問題[12]，確保自升式平臺安全作業(yè)具有重要的意義。

1 試驗系統(tǒng)研制

1.1 系統(tǒng)相似性分析

插拔樁過程中土體變形場和滲流場相互耦合，因此，該問題的基本控制方程應包括平衡方程、幾何方程、本構方程和滲流連續(xù)方程[13]，分別如式(1)～(4)所示。

平衡方程

(1)

幾何方程

(2)

式(2)中:εij為土體的應變張量；ui，j、uj,i為位移對坐標的一階偏導數(shù)。

本構方程

(3)

滲流連續(xù)方程

(4)

定義原型與模型物理量之比為相似常數(shù)，以C表示。若以Cl、Cδ、CH、Cγ、Cσ、Cε、CDep、CK、Ct分別表示長度、位移、水頭、重度、應力、應變、本構關系、滲透系數(shù)和時間的相似常數(shù)，則原型土體的平衡方程、幾何方程、本構方程和水流連續(xù)方程分別為

(5)

(6)

(7)

(8)

在本模型中，Cl=Cδ=CH=N。由于模型土體的密度與原型相同，所以在1倍重力加速度環(huán)境下，Ct=1。由于土體滲透系數(shù)表達式為K=γwd2/Caμ(Ca為形狀系數(shù)，d為土體特征空隙尺寸，μ為土中流體動力黏滯系數(shù))，因此CK=1。 很顯然，若要式(5)～(8)同時得到相似，這些相似常數(shù)不能任選，須滿足如下關系才能使模型與原型保持相似，即Cσ/(ClCγ)=1，Cε=1，Cσ/CDep=1，CKCt/Cl=1，這時可以求得Cσ=CDep=N,Ct=N。這說明模型土體本構縮比N倍時即可使得模型和原型相似，此時模型應力為原型應力的1/N，模型中滲流時間為原型的1/N，可以得到1倍重力加速度環(huán)境下模型試驗各物理量的相似系數(shù)，如表 1所示。根據(jù)各物理量的相似規(guī)律，模型試驗結(jié)果即可以被推廣至實際工況。

表1 模型主要物理量相似系數(shù)

1.2 系統(tǒng)組成設計

為了實現(xiàn)插拔樁和沖樁試驗功能，研制的自升式平臺插拔樁試驗系統(tǒng)主要包括土池、加載及支撐裝置、測量系統(tǒng)、沖樁系統(tǒng)和模型樁靴等設備，具體原理圖如圖1a所示。土池尺寸為6 000 mm×5 000 mm×3 500 mm，可根據(jù)試驗需要配置單層、雙層或多層土。

土池外固定有用于支撐加載系統(tǒng)的桁架結(jié)構，加載系統(tǒng)可以對樁靴模型施加插樁和拔樁載荷。沖樁系統(tǒng)與模型樁靴上的沖樁管路相連接，供給沖樁水。樁靴模型根據(jù)試驗原型進行縮比設計制造。制造安裝完成后的試驗系統(tǒng)如圖1b所示。

圖1 大比尺自升式平臺插拔樁試驗系統(tǒng)示意圖

該試驗系統(tǒng)可以完全模擬自升式平臺海上插樁—作業(yè)(維持作業(yè)載荷)—拔樁的全過程，其中插樁和拔樁階段加載系統(tǒng)的動作機構與李志剛 等[14]研制的導管架平臺樁-土相互作用試驗系統(tǒng)一樣,如圖2a所示。另外，通過壓載結(jié)構模擬作業(yè)載荷，壓載平臺上可以根據(jù)實際需要放置配重模擬作業(yè)載荷，如圖2b所示。

樁靴模型根據(jù)試驗對象縮比設計，如有沖樁需要則須設計沖樁管路。本文以CJ50船型的樁靴為研究對象，該樁靴為方形，尺寸為22 500 mm×17 700 mm×3 690 mm，其外部輪廓及底部噴嘴布局如圖3a所示。設計了1∶30(模型∶原型)的試驗模型，模型尺寸為747 mm×590 mm×123 mm，其內(nèi)部設計有沖樁管路，可以通過沖樁系統(tǒng)供水進行沖樁，如圖3b所示。該樁靴模型上下表面均設計有沖樁噴嘴，每個噴嘴處設計為螺紋孔，可以更換不同內(nèi)徑的噴嘴或者對噴嘴進行封堵。

圖2 大比尺自升式平臺插拔樁試驗系統(tǒng)加載裝置

圖3 CJ50樁靴模型

沖樁系統(tǒng)由DFK S4-1V變頻控制柜、LG-B立式多級泵、壓力變送器和電磁流量計組成，供水流量為0～4.2 m3/h，壓力范圍為0～1 MPa，使用時可單獨控制流量或壓力，使用的傳感器有力傳感器、位移傳感器和孔壓傳感器，其中孔壓傳感器布置于樁靴底部，如圖4所示。所有傳感器均采用DH5923動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)采集，該采集儀共有32個數(shù)據(jù)通道，采集速度快，抗干擾能力強，能夠全程記錄靜動態(tài)數(shù)據(jù)的實時變化。原位測量系統(tǒng)則采用意大利Machetti公司生產(chǎn)的扁鏟側(cè)脹儀(DMT)，該系統(tǒng)主要由控制箱、扁鏟、貫入裝置和氣源組成，可廣泛用于測量軟至硬黏土和砂土[15]。

圖4 孔壓傳感器布局圖

1.3 試驗模型設計

本試驗系統(tǒng)樁靴模型底部噴嘴24個，頂部噴嘴18個，噴嘴直徑為6 mm。本次試驗配置了單層黏土，試驗黏土物理和力學參數(shù)如表2所示。為保證試驗結(jié)果的準確性，在攪拌填埋之前對試驗用土進行晾曬一周處理，并對直徑超過20 mm的土粒進行碾壓。然后，將試驗用土倒入試驗土池中，同時控制注水量，逐層攪拌填埋，每層厚度為300 mm。填埋完成后，對土池靜置固結(jié)30 d，然后進行試驗。試驗前，使用DMT系統(tǒng)對不同點位的原位土進行了測試，土體不排水抗剪強度的測試結(jié)果如圖5所示。

表2 試驗黏土主要參數(shù)

圖5 本次模擬試驗實測不排水抗剪強度曲線

2 試驗系統(tǒng)驗證

2.1 插拔樁阻力模擬

首先插樁至目標深度，測得最大插樁阻力約6 600 N，將實測的插樁阻力曲線與SNAME(2008)推薦方法[1](取完全回填和不回填2種極端條件)的結(jié)果進行了對比，如圖6所示，從圖6可以看出，在入泥較淺時，實測插樁阻力與不考慮回填計算出的插樁阻力接近，但入泥超過300 mm(0.4D)時，實測插樁阻力更接近考慮回填計算出的插樁阻力。在入泥較深時，實測插樁阻力值比規(guī)范預測的值要小，這可能是由于實際過程中入泥較深時樁靴下部土體發(fā)生了明顯的軟化。

維持作業(yè)載荷為壓載量的90%，即6 000 N，持續(xù)0.5 d；最后拔起樁靴，并記錄拔樁阻力，將實測最大拔樁阻力與根據(jù)張海洋的方法[11]進行計算的結(jié)果進行了對比。需要指出的是，樁靴底部吸附力缺乏可靠的計算公式，本文根據(jù)經(jīng)驗取作業(yè)載荷的35%。通過計算得到最大拔樁阻力為4 600 N，而試驗測得的最大拔樁阻力僅為約3 600 N。分析認為，這可能是兩方面的原因造成的：一是實際拔樁時計算公式中最大拔樁阻力的4個分項難以同時達到最大值，因而理論計算結(jié)果偏大；二是隨著作業(yè)時間增長，樁靴周圍土體逐漸固結(jié)，不排水抗剪強度得到一定程度的恢復，同時樁靴底部的超孔壓在作業(yè)期間逐漸耗散，拔樁時的吸附力會隨著作業(yè)時間的增長而增大，因此實際拔樁時的阻力會比理論最大值偏小。

圖6 實測插樁阻力與規(guī)范對比

2.2 孔壓監(jiān)測

圖7為插樁過程中樁靴底部的孔壓變化，可以看出最靠近樁靴中心的P1點孔壓最大，而遠離樁靴中心的P2和P3點孔壓較小。盡管P3點比P2點更遠離樁靴中心，但它們的大小相差不大，這說明方形樁靴底部孔壓的分布并不是中心對稱的。

圖8為插拔樁過程中超孔壓和阻力的變化對比，可以看出：在插樁過程中，超孔壓和阻力同時隨插樁深度的增加而增加。在拔樁過程中，超孔壓隨著樁靴深度的減小而減小，并出現(xiàn)了負超孔壓。拔樁開始時，拔樁阻力迅速增大，然后隨著樁靴深度的減小，樁靴下部形成了孔穴，拔樁阻力緩慢增加，樁靴底部孔壓逐漸減小并出現(xiàn)了負超孔壓。當樁靴拔起約330 mm時，樁靴下部孔穴發(fā)生了坍塌回填，拔樁阻力迅速減小，孔壓也迅速增大。

在維持作業(yè)載荷期間，樁靴底部孔壓會隨時間變化，如圖9所示。從圖9可以看出，超孔壓隨時間不斷耗散，但耗散速度逐漸減小，在模擬作業(yè)約17.5 h后超孔隙水壓力幾乎完全耗散，趨近于0。

圖7 插樁過程中不同位置處孔隙水壓力變化

圖8 插拔樁過程中超孔隙水壓力和插拔樁阻力的對比

圖9 作業(yè)期間超孔隙水壓力耗散

2.3 沖樁有效性驗證

對比未沖樁的拔樁試驗，應用該試驗系統(tǒng)進行了樁靴底部邊沖邊拔的拔樁試驗。拔樁速率為1.0 mm/s，沖樁壓力為75 kPa，根據(jù)Bienen等[10]的試驗結(jié)論，確定沖樁流量為1.4 m3/s。試驗得到有無沖樁時的拔樁阻力對比如圖10中的拔樁阻力曲線所示，可以看出，邊沖邊拔時的拔樁阻力在初始階段明顯減小，拔樁阻力峰值減小50%左右，說明沖樁對于減小拔樁阻力具有很好的作用。另外，試驗過程中吸附力基本消除，這與Bienen等[10]的試驗結(jié)果一致。

圖10 有無沖樁時的拔樁阻力對比

3 結(jié)論

基于基本控制方程相似，推導建立了插拔樁試驗的相似模型系統(tǒng)，通過對材料本構進行縮比得到了1倍重力加速度條件下的相似模型，研制了由土池、加載裝置、原位測量裝置、沖樁系統(tǒng)和測量系統(tǒng)組成的大比尺自升式平臺插拔樁試驗系統(tǒng)，并通過試驗驗證了該試驗系統(tǒng)的有效性和準確性。本文研制的大比尺自升式平臺插拔樁試驗系統(tǒng)為進一步研究自升式平臺插樁過程中的穿刺、滑移和拔樁過程中的沖樁效果等問題提供了試驗基礎，對于保障自升式平臺的安全作業(yè)具有重要的意義。

[1] SNAME. Guidelines for site specific assessment of mobile jack-up units,technical and research bulletin 5-5A[S].New Jersey:SONA Engineers,2008:64.

[2] ISO-19905-1.Petroleum and natural gas industries-Site specific assessment of mobile offshore units-Part 1:Jack-ups,provides detailed information on various failure modes[S].Switzerland:International Organization for Standardization,2012:36-39.

[3] CRAIG W H,CHUA K.Deep penetration of spudcan foundations on sand and clay[J].Géotechnique,1990,40(4):541-556.

[4] TEH K L.Punch-through of spudcan foundation in sand overlying clay[D].Singapore:National University of Singapore,2007.

[5] HOSSIAN M S,RANDOLPH M F.Deep-penetrating spudcan foundations on layered clays:centriuge tests[J].Géotechnique,2010,60(3):157-170.

[6] MARTIN C M,HOULSBY G T.Combined loading of spudcan foundations on clay:laboratory test[J].Géotechnique,2000,50(4):325-338.

[7] PURWANA O A.Centrifuge model study on spudcan extraction in soft clay[D].Singapore:National University of Singapore,2006.

[8] KOHAN O,GAUDIN C,CASSIDY M J,et al.Spudcan extractinon from deep embedment in soft clay[J].Applied Ocean Research,2014(48):126-136.

[9] GAUDIN C,BIENEN B,CASSIDY M J.Investigation of the potential of Bottom water jetting to ease spudcan extraction in soft clay[J].Géotechnique,2011,60(12):1043-1054.

[10] BIENEN B,GAUDIN C,CASSIDY M J.The influence of pull-out load on the efficiency of jetting during spudcan extraction[J].Applied Ocean Research,2009(31):202-211.

[11] 張海洋．噴沖系統(tǒng)降低自升式平臺拔樁阻力的試驗研究[D]．青島：中國海洋大學，2014：38-41． Zhang Haiyang.Experimental study of water jetting system for reducing pull-out force of jack-up platform[D].Qingdao:Ocean University of China,2014:38-41.

[12] 趙軍，段夢蘭，宋林松，等．自升式鉆井平臺就位時老腳印對樁靴性能的影響分析[J]．中國海上油氣，2014,26(5)：104-108,115． Zhao Jun,Duan Menglan,Song Linsong,et al.Effect of the footprint on the structure behavior of spud can during jackup emplacement[J].China Offshore Oil and Gas,2014,26(5):104-108,115.

[13] 杜延齡，韓連兵．土工離心模型試驗技術[M]．北京：中國水利水電出版社，2010． Du Yanling,Han Lianbing.Geotechnical centrifuge test technique[M].Beijing:China Water & Power Press ,2010.

[14] 李志剛，袁志林，段夢蘭，等．導管架平臺樁-土相互作用試驗系統(tǒng)研制及應用[J]．巖土力學，2012,33(12)：3833-3840． Li Zhigang,Yuan Zhilin,Duan Menglan,et al.Development of pile-soil interaction test system for jacket platform and its application[J].Rock and Soil Mechanics,2012,33(12):3833-3840.

[15] MARCHETTI S,MONACO P,TOTANI G,et al.The flat dilatometer test(DMT)in soil investigations-A report by the ISSMGE committee TC16[C]∥Proceedings of IN SITU 2001,2011:41.

(編輯：呂歡歡)

Development and validation of a large-scale model test system for spudcan penetration and extraction

Gao Pan1Duan Menglan2Zhao Liangmei2Song Linsong3Li Jianbo3

(1.CollegeofOceanScienceandEngineering,ShanghaiMaritimeUniversity,Shanghai201306,China; 2.OffshoreOilandGasResearchCenter,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 3.ChinaOffshoreServicesLimited,Sanhe,Hebei065201,China)

The successful installation and removal of jack-up units are of great significance for their safe operations. Based on the similarity of governing equations for spudcan penetration and extraction, the similarity coefficients of the major parameters of 1gmodel are derived. A large-scale model test system for spudcan penetration and extraction is developed, which mainly consists of the soil tank, loading apparatus, in-place soil test system, jetting system and sensing system. With this system, the process of spudcan penetration, jetting and extraction can be simulated, the penetration depth and resistance measured, and the pore water pressure at the spudcan base monitored. A preliminary test of spudcan penetration and extraction with jetting is conducted. The resistance is compared to the predicted value with the specification and empirical formula, which confirms the validity and accuracy of the test system. The distribution pattern of pore water pressure and the relationship between the pore pressure and resistance are also analyzed. And the extraction test confirms the efficiency of jetting in reducing extraction resistance. The test system developed here provides an experimental prerequisite to the study on spudcan penetration, extraction and jetting, which is of great significance for the safe operations of jack-up units.

large scale; jack-up unit; 1gmodel; penetration and extraction; jetting; pore pressure monitoring

1673-1506(2016)06-0108-07

10.11935/j.issn.1673-1506.2016.06.018

*國家自然科學基金“自升式鉆井平臺拔樁過程中非線性樁土相互作用研究(編號：51379214)”部分研究成果。

高攀，男，2016年畢業(yè)于復旦大學流體力學專業(yè)并獲博士學位，主要從事結(jié)構-土相互作用和基礎安全性方面的研究。地址：上海市海港大道1550號上海海事大學海洋科學與工程學院(郵編：201306)。E-mail:pgao@shmtu.edu.cn。

TU411

A

2016-03-30 改回日期：2016-04-27