自升式平台插拔桩过程研究综述

自升式平台插拔桩过程研究综述

袁峰超 1 ；陈秀芳 2

(1. 商丘工学院，机械工程学院， 河南 商丘 476000;2. 商丘工学院，信息与电子工程学院 ，河南 商丘 476000)

摘要：自升式平台插拔桩过程主要研究海洋地基极限承载力，国内外学者对地基极限承载力问题进行了一系列试验研究，理论分析和数值分析，取得了一定的研究成果。土工离心机模型试验和大变形有限元模拟是目前地基极限承载力研究中最常用的两种技术手段。但是，土工离心机模型试验昂贵、费时，且结果仍然有限。数值分析多采用的有限单元法，主要分析的是基础在竖向荷载作用下的力学特性，而对复合荷载作用下的承载力性能研究很少，并且土的本构模型多为简化模型，目前尚无能够准确反映各种情况下土体特性的本构模型。而经验公式、滑移线场法以及极限分析得到的研究成果一般仅仅局限于简单的结构和边界条件，对于复合荷载作用下基础的承载力计算，会遇到较大的困难。桩土贯入过程属于动态高度非线性，大变形问题。因此，利用非线性弹塑性有限元法，针对复杂土体中的桩靴基础，综合考虑各种土体特性参数，桩靴外形结构，研究其在复合荷载组合作用下的承载力特性具有重要的意义。

关键词：自升式平台；数值分析；插拔桩过程

1.引言

自升式平台由于其所需钢材少、造价低、可移性强，既可用于钻井也可用于采油，在各种海况下几乎都具有持续工作、作业稳定、高效率等优点，因而广泛地作业在水深15～120米的海域中。典型的自升式平台由上层船体平台、桩腿、桩靴以及升降机构组成。桁架桩腿把平台的重力和环境荷载传递给倒置的锥形桩靴基础，或叫做桩脚箱或称纺锤形基础，桩靴基础的直径D一般在15～20米之间，最终入土深度可能高达2.5D。

自升式平台在插拔桩过程中平台桩腿承受升降机构传来的下降力，桩腿和土壤支持力和桩周摩擦力的作用，此外还可能存在桩端淤泥吸附力的作用。为了防止桩腿出现不均匀下沉造成倾斜与倾覆，预压将桩腿下面地基的承载力预先压到风暴状态时所要求的地基承载力。但当平台在复杂地层中安装时，如果上部土层的强度显著高于下卧土层，贯入阻力可能增加到某一峰值后迅速减小或接近恒定。由于已经施加的预压荷载无法立即卸除，桩腿会不受控制地迅速沉降，穿过硬土层进入软土层，使地基土发生冲剪破坏，直到重新增加的贯入阻力和船体入水所增加的浮力的合力与预压荷载平衡，桩腿才停止下沉而达到稳定，这个过程称为穿刺。穿刺可能导致桩腿屈曲、上部结构倾斜、甚至整个平台的倾覆，每次事故造成的经济损失约600万～7000万元。这两种状态都与桩腿与土壤的相互作用有直接的关系。在不同的地基土状况下研究适合的计算桩土相互作用效果的方法对于指导插拔桩过程有很大的意义。桩－土效应分析是平台运营过程中插桩和拔桩能力评估的基础，涉及到岩土力学等材料非线性问题。而研究桩－土效应的本质就是探索平台插桩作业时的入泥深度与地基承载力之间的关系，同时探索拔桩过程中的拔桩阻力计算方法，为拔桩能力评估提供技术参考。

2.国内外研究现状

自升式平台问世以来，欧美国家研究较多，主要理论方法掌握在荷兰、美国等少数发达国家的设计公司手中。本世纪以来，我国对海洋油气资源开发日益重视，逐步开展自升式平台设计方法研究，取得了一定的成果。目前对自升式海洋平台的研究主要集中在性能和结构安全性评估方面，如环境载荷计算及结构强度校核方法研究，平台稳性评估方法研究、疲劳寿命评估方法研究等方面，国内外学者己经取得了一定的成绩。

在成层土地基承载力的研究中，主要有基于现场和模型试验结果的经验公式法和基于桩－土弹塑性接触分析的有限元数值分析法。Skempton（1951）提出了均质粘土中，且下一层土为砂土或者比本层硬的粘土时的地基极限承载力公式。Brown＆Meyerhof(1969)根据圆形基础的承载力试验结果，提出了著名的Brown＆Meyerhof公式，该公式同时考虑上、下层土不排水抗剪强度对基础承载力的影响。Hanna&Meyerhof（1980）提出了桩靴在上层为砂层，下层为软粘土层的地基中的地基承载力计算公式。1981年，Young和Focht提出基础底部的压力以纵横方向3：1的比例从上部硬土层向下部软土层线性扩散，在交界面处形成一个等效基础，并将该等效基础的极限承载力作为成层土的极限承载力，称“3：1投影面积法”。

3.海洋地基的常见形式及其分类

我国沿海大陆架多是由江河的细颗粒和粘粒沉积而成，这种海洋沉积物具有松散、高含水量、高压缩性和剪切强度低等特点，对海洋工程的基础稳定性来讲是一种隐患。对于海底层状结构土层，物性与强度单一或变化不大的土可划分为一层，分为粘性土层、砂性土层或粉土层。

海底层状结构土层可分为单层土，双层土或多层土类型。大多数的层状地基可简化为双层地基，或者硬土层覆盖软土层，或者软土层覆盖硬土层。海洋地基中有一种常见情况：上覆土层的强度大，而厚度小，下卧土层强度小，而厚度大，且下卧软土层的承载能力比上覆硬土层小得多，这种海底地基通常称为“硬壳层”，也就是所谓的“鸡蛋壳”地层。海洋地基往往是由多层土组成，其中很多地区是一层硬壳层覆盖在正常固结或稍超固结软弱粘土上。在这种地基条件下，基础的承载力首先随着贯入深度的增加而增大，贯入到一定深度以后下层软弱土逐渐发挥主要作用，基础承载力减小，随着基础埋深进一步增加，承载力再次提高。

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4.地基承载力计算方法的评价

4.1理论分析方法

理论方法对于计算极限承载力的计算比较保守，且传统的地基承载力计算方法在处理参数复杂的海底地质条件下具有局限性，只能将海底土层简化后按照特定的地基极限承载力计算公式进行计算。

4.2有限元方法

采用边界元、有限元等数值方法计算得出基础的极限承载力优点是：一、可以用于解决非线性问题；二、可以用于处理非均质材料或各向异性材料；三、易于处理各种复杂的边界条件；四、土体强度参数直接设定，各参数对地基极限承载力的影响能够较准确地给出。缺点是土的本构模型多为简化模型，目前尚无能够准确反映各种情况下土体特性的本构模型，并且在进行非线性分析的过程中容易出现不易收敛的情况。

4.3实验方法

对于原位试验，随着基础承载力的变化其地基土流动机制和破坏形式等不能直观可见。对于模型试验，试验过程不可避免的存在尺度效应，其将导致地基应力同实际存在较大差别，对基础承载力特性的估计存在较大误差，对于极限分析和传统有限元方法等，针对的都是预埋基础的极限承载力，难以模拟基础连续贯入过程，无法分析基础穿透破坏问题。离心机模型试验方法有效解决了地基应力等尺度效应问题，但试验土样参数的准确测定仍存在一些问题，土样制备比较困难，费时费力。

5.总结

桩土相互作用中的几个重要的发展方向主要在于以下方面：一是，建立更合理的土体模型，使其相互作用的过程更符合实际工程情况。二是，在做分析的过程中，考虑的外部条件不够充分，或者做了很大的简化，这无疑会导致结果不够准确，因此，应该充分考虑桩土相互作用的各种情况，并做一些合理少量的简化，建立更贴近实际情况的模型，三是，针对不同的海底情况应用的方法是否合理方面，四是，桩靴结构的变化对于桩土相互作用的影响。

参考文献：

[1] 周慧. 上砂下黏双层地基纺锤形桩靴基础的穿透破坏机理研究[D]. 大连理工大学, 2011.

作者简介：袁峰超，男，现任教于商丘工学院机械工程学院。