基于標(biāo)貫數(shù)的自升式平臺(tái)樁腿貫入深度預(yù)測方法研究

祁 磊，劉振紋，趙開龍，許 浩

1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451

2.中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451

基于標(biāo)貫數(shù)的自升式平臺(tái)樁腿貫入深度預(yù)測方法研究

祁 磊1，2，劉振紋1，2，趙開龍1，2，許 浩1，2

1.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院，天津 300451

2.中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300451

準(zhǔn)確預(yù)測自升式平臺(tái)插樁深度是保障平臺(tái)安全作業(yè)的前提。結(jié)合海洋巖土工程調(diào)查方法，探討一種新的基于標(biāo)貫數(shù)的平臺(tái)樁腿/樁靴貫入深度計(jì)算方法。在簡要介紹了現(xiàn)有自升式平臺(tái)樁腿/樁靴基礎(chǔ)承載力計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述了標(biāo)貫數(shù)的確定、承載力計(jì)算方法、標(biāo)準(zhǔn)錘擊數(shù)與現(xiàn)場錘擊數(shù)的關(guān)系等基于標(biāo)貫數(shù)的平臺(tái)樁腿/樁靴基礎(chǔ)承載力計(jì)算方法。而后結(jié)合自升式平臺(tái)在冀東油田多個(gè)井位的井場勘察數(shù)據(jù)，采用本方法對(duì)其多個(gè)井位、多種不同形式的平臺(tái)進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，大部分井位的計(jì)算精度較高，但仍舊存在一些離散性，主要原因在于不同的海洋工程地質(zhì)條件與本方法中所推薦的標(biāo)貫錘擊數(shù)影響系數(shù)不一樣。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，在砂性土中計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，而黏性土計(jì)算結(jié)果相對(duì)離散，這主要是因?yàn)闃?biāo)貫試驗(yàn)對(duì)于飽和黏土的測試精度較差。該方法可作為傳統(tǒng)計(jì)算方法的一種參考，可大大節(jié)約時(shí)間和費(fèi)用。

自升式平臺(tái)；插樁深度；預(yù)測方法；標(biāo)貫數(shù)；承載力

隨著灘淺海油氣開發(fā)的拓展，自升式平臺(tái)在海洋鉆修井作業(yè)中發(fā)揮了越來越重要的作用。自升式平臺(tái)插樁壓載作業(yè)是保障平臺(tái)安全作業(yè)的前提，因而插樁深度預(yù)測的準(zhǔn)確性非常重要。目前插樁承載力主要根據(jù)土體參數(shù)進(jìn)行計(jì)算[1]，土體參數(shù)的準(zhǔn)確性對(duì)結(jié)果的影響非常大。本文將在傳統(tǒng)計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合海洋巖土工程調(diào)查方法，探討一種新的自升式平臺(tái)樁靴/樁腿插樁深度的計(jì)算方法，也就是采用基于標(biāo)貫數(shù)的自升式平臺(tái)平臺(tái)樁腿/樁靴貫入深度計(jì)算方法。

1 現(xiàn)有自升式平臺(tái)樁腿/樁靴基礎(chǔ)承載力計(jì)算方法

自升式平臺(tái)在插樁壓載作業(yè)前都需要通過工程地質(zhì)勘察來確定土體的工程地質(zhì)參數(shù)，用于計(jì)算自升式平臺(tái)樁腿（靴）插樁深度。主要獲得土體容重、砂土的摩擦角、黏土的黏聚力等參數(shù)。然后根據(jù)這些參數(shù)分別選用砂土或黏土的承載力計(jì)算公式進(jìn)行每層土體承載力的計(jì)算，進(jìn)而得到承載力-貫入深度曲線，最終得到插樁深度[1-2]。

工程地質(zhì)參數(shù)的獲取主要有兩種方法：原位測試和室內(nèi)土工試驗(yàn)法[1-2]。目前國內(nèi)原位測試法主要采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)法。標(biāo)貫主要用于確定砂土的液化，而用于計(jì)算插樁深度的黏土抗剪強(qiáng)度、砂土內(nèi)摩擦角等相關(guān)參數(shù)主要通過直剪、三軸剪切等土工室內(nèi)試驗(yàn)法獲取。但土工室內(nèi)試驗(yàn)土樣是通過鉆孔取樣獲取的，原狀土樣因受取樣技術(shù)、運(yùn)輸、保存方法的影響，土樣經(jīng)常受到擾動(dòng)，因而喪失了土體的原位特性，導(dǎo)致土工室內(nèi)試驗(yàn)所獲取的土體參數(shù)不準(zhǔn)確。我們?cè)诳辈靾?bào)告中經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)標(biāo)貫數(shù)很大而砂土摩擦角卻很小的情況，同時(shí)試驗(yàn)過程中不規(guī)范的試驗(yàn)操作也會(huì)影響試驗(yàn)的結(jié)果，不準(zhǔn)確的土體參數(shù)往往會(huì)使預(yù)測的自升式平臺(tái)樁腿（靴）插樁深度與實(shí)際插深差別很大，甚至導(dǎo)致實(shí)際插樁發(fā)生穿刺、滑移的風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)于自升式平臺(tái)的安全作業(yè)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。同時(shí)海洋土直剪、三軸等室內(nèi)試驗(yàn)不僅耗費(fèi)時(shí)間，而且費(fèi)用高昂，工作量巨大。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)（standard penetration test，SPT）是原位動(dòng)力觸探的一種，是在現(xiàn)場測定砂或黏性土地基承載力的一種方法。主要是用一定重量的錘，自一定高度自由落下，將貫入器擊入土中30 cm，以此得到錘擊數(shù)，并根據(jù)錘擊數(shù)來判斷土體特性。來自自升式平臺(tái)井場勘察的標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果一般用來判斷砂土的液化。然而標(biāo)貫與土體的承載力存在一定關(guān)系，因此本文提出采用標(biāo)貫試驗(yàn)的標(biāo)貫數(shù)來確定自升式平臺(tái)樁腿（靴）貫入深度的方法。

2 基于標(biāo)貫數(shù)的平臺(tái)樁腿/樁靴基礎(chǔ)承載力計(jì)算方法

用標(biāo)貫擊數(shù)N預(yù)測自升式平臺(tái)樁腿（靴）貫入深度的方法，需要在土體參數(shù)與標(biāo)貫數(shù)之間建立一種關(guān)系。標(biāo)貫擊數(shù)直接反映的是土體的強(qiáng)度，標(biāo)貫擊數(shù)越大說明土體強(qiáng)度越強(qiáng)，因而必然存在如下一種關(guān)系式。

式中：Q為基礎(chǔ)總的極限承載力，kN；γ為土體水下容重，kN/m3；N為標(biāo)貫擊數(shù)，次；h為地層深度，m；β為樁體等相關(guān)參數(shù)。

采用基于標(biāo)貫數(shù)的平臺(tái)樁腿/樁靴基礎(chǔ)承載力計(jì)算方法有兩個(gè)問題需要考慮：一是標(biāo)貫擊數(shù)的測試方法和定義；二是公式的選取。

2.1 標(biāo)貫數(shù)的確定

目前對(duì)于海上工程地質(zhì)調(diào)查有兩套國標(biāo)可依：一是SY/T 6707-2008《海洋井場調(diào)查規(guī)范》[3]，二是GB 17503-2009《海上平臺(tái)場址工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[4]。這兩套規(guī)范都對(duì)標(biāo)貫試驗(yàn)進(jìn)行了規(guī)定，但卻存在差別。GB 17503-2009在標(biāo)貫試驗(yàn)中依據(jù)的是GB 50021-2001規(guī)范，該規(guī)范規(guī)定了標(biāo)貫錘質(zhì)量為63.5 kg，落距為76 cm；而SY/T 6707-2008規(guī)定的錘質(zhì)量為79.5 kg，落距為0.91 m，兩者存在差異。不同的試驗(yàn)設(shè)備規(guī)格及規(guī)定將會(huì)使所獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在很大不同，本文對(duì)該方法所選用的試驗(yàn)設(shè)備和方法進(jìn)行了限定，對(duì)于水深小于10 m，選用標(biāo)貫錘質(zhì)量為63.5 kg，落距為76 cm；而對(duì)于水深大于10 m的海域，選用錘質(zhì)量為79.5 kg，落距為0.91 m。

對(duì)于水深大于10 m，其土體標(biāo)貫試驗(yàn)步驟如下：取標(biāo)貫錘質(zhì)量為79.5 kg，錘的落距為0.91 m，錘速控制在30擊/min，貫入器打入15 cm后，記錄每打入10 cm的錘擊數(shù)，并累計(jì)打入30 cm的錘擊數(shù)，將打入30cm的錘擊數(shù)記為標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N，若錘擊數(shù)達(dá)到50，而貫入深度未達(dá)30 cm時(shí)，記錄實(shí)際貫入深度并終止試驗(yàn)。

2.2 承載力計(jì)算方法[5-8]

獲得土體的標(biāo)貫數(shù)后，就需要建立標(biāo)貫數(shù)與承載力間的關(guān)系。參考API、SNAME等規(guī)范，提出自升式平臺(tái)樁腿（靴）在不同土體中的極限承載力計(jì)算公式。目前在渤海灣工作的有不帶樁靴的自升式平臺(tái)，該平臺(tái)插樁過程中樁腿承受側(cè)摩阻力，它是總承載力的重要組成部分；而帶樁靴的平臺(tái)因樁靴尺寸較大，樁腿部分不存在側(cè)摩阻力或側(cè)摩阻力很小，因而可以忽略。這兩種形式的極限承載力計(jì)算公式如下。

帶樁靴平臺(tái)的單樁極限承載力為：

不帶樁靴平臺(tái)的單樁極限承載力為：

式中：Q為單樁總的極限承載力，kN；Qs為樁側(cè)摩阻力，kN；Qp為樁腿端部極限承載力，kN；q為單位面積樁端承載力，kN/m2；Ap為樁腿（靴）底端投影面積，m2；f為單位面積側(cè)摩阻力，kN/m2；As為樁側(cè)表面積，m2。

對(duì)于黏性土：

對(duì)于砂土：

式中：α為側(cè)摩系數(shù)；β為樁端系數(shù)；D為樁腿入泥深度，m；B為樁腿直徑，m；P0為樁端處的平均有效上覆土壓力，Pa。

最后根據(jù)計(jì)算出的不同土層深度h、不同及相應(yīng)的土層極限承載力Q值，繪制Q-h曲線（如圖1所示），再根據(jù)平臺(tái)單樁所受荷載，在曲線上確定自升式平臺(tái)樁腿（靴）最終貫入深度。

圖1 樁腿貫入深度曲線（Q-h曲線）

2.3 標(biāo)準(zhǔn)錘擊數(shù)與現(xiàn)場錘擊數(shù)的關(guān)系

計(jì)算公式中的錘擊數(shù)并不是實(shí)際錘擊數(shù)，因不同的海洋環(huán)境對(duì)錘擊數(shù)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，而砂土、粉土以及黏性土等不同土體類型對(duì)錘擊數(shù)影響更大，因此需對(duì)現(xiàn)場錘擊數(shù)根據(jù)不同土體類型等進(jìn)行修正，現(xiàn)場錘擊數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)換算公式為：

式中：N為標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)，次；μ為海洋環(huán)境影響系數(shù)；ω為土體類型影響系數(shù)；N1為現(xiàn)場錘擊數(shù)，次。

3 計(jì)算方法的應(yīng)用

結(jié)合自升式平臺(tái)在冀東油田多個(gè)井位的井場勘察數(shù)據(jù)，擬合出適合于冀東油田的標(biāo)貫錘擊數(shù)影響系數(shù)μ和ω。并采用本方法對(duì)冀東油田多個(gè)井位、多種不同形式的平臺(tái)進(jìn)行了樁腿（靴）貫入深度計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

計(jì)算表明：插樁深度計(jì)算結(jié)果對(duì)于大多數(shù)井位精度較高，但仍舊存在一些離散性。因而采用本方法時(shí)需要結(jié)合相關(guān)海域的工程地質(zhì)條件對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正。同時(shí)在應(yīng)用該方法中還發(fā)現(xiàn)，在砂性土中插樁深度計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，而黏性土計(jì)算結(jié)果離散較大，這主要是因?yàn)楹５尊ね烈话銥轱柡宛ば酝?，?biāo)貫試驗(yàn)對(duì)于飽和黏土的測試精度較差，但這可根據(jù)十字板剪切試驗(yàn)等其他原位試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的修正。

表1 部分井位計(jì)算出的插樁深度

4 結(jié)束語

本文探討一種新的自升式平臺(tái)樁靴/樁腿插樁深度的計(jì)算方法，直接采用原位測試方法的標(biāo)貫擊數(shù)來進(jìn)行自升式平臺(tái)樁腿（靴）貫入深度的計(jì)算，通過分析標(biāo)貫設(shè)備的規(guī)格、不同土體中單樁極限承載力的計(jì)算公式，以及標(biāo)準(zhǔn)錘擊數(shù)與現(xiàn)場錘擊數(shù)的差異和關(guān)系，提出了該公式的適用范圍和注意事項(xiàng)，該公式可作為傳統(tǒng)計(jì)算方法的一種參考，可大大節(jié)約時(shí)間和費(fèi)用。

[1]Society of Naval Architects&Marine Engineers（SNAME）. Guidelines for Site Specific Assessment of Mobile Jack-up Units（2002）[S].

[2]HSE RR（UK），Guidelines for jack-up rigs with particular reference to foundation stability[S].

[3]SY/T6707-2008，海洋井場調(diào)查規(guī)范[S].

[4]GB 17503-2009，海上平臺(tái)場址工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[5]和鵬飛.某自升式平臺(tái)在淺層氣區(qū)域插樁可行性分析與實(shí)踐[J].石油工程建設(shè)，2017，43（2）：35-38，49.

[6]鄧海峰.復(fù)雜地層條件下升升式平臺(tái)樁腿插樁深度對(duì)比分析[J].石油工程建設(shè)，2015，41（5）：12-15.

[7]劉允杭，楊旬.自升式鉆井平臺(tái)新型撥樁探泥器的研制[J].石油工程建設(shè)，2013，39（6）：38-40.

[8]秦立成，李宏，于文太，等.荔灣3-1平臺(tái)水下樁基動(dòng)力檢測技術(shù)的應(yīng)用[J].石油工程建設(shè)，2015，41（2）：20-24.

Prediction method research on penetration depth of jack-up platform pile leg /spudcan based on SPTblowcount

QILei1，2，LIU Zhenwen1，2，ZHAO Kailong1，2，XU Hao1，2

A new prediction method of penetration depth of jack-up platform pile leg/spudcan based on SPT blowcount is discussed.SPT blowcount determination，bearing capacity calculation method，relationship between standard SPT blowcount and in-situ SPT blowcout are illustrated in detail.This method is applied for several wellsites and jack-up platforms in Jidong Oilfield based on in-situ investigation data.The results show that the calculated predicted pile leg/spudcan penetration depth of most wellsites is relatively high，but some discreteness exists；the calculation accuracy is higher for sandy soil than for clay.This method may be taken as the reference of traditional calculation method due to its time and cost saving.

jack-up platform；pile penetration depth；prediction method；SPTblowcount；bearing capacity

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.03.008

祁 磊（1982-），男，山東煙臺(tái)人，工程師，2009年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事海洋工程相關(guān)的科研工作。Email：qilei01@cnpc.com.cn

2016-12-19