自升式钻井平台方形桩靴地基极限承载力理论解.pdf

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1、第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集23自升式钻井平台方形桩靴地基极限承载力理论解121,21,3赵军，张爱霞，段梦兰，王飞（1.中国石油大学（北京）海洋油气研究中心，北京102249；2.大连理工大学船舶工程学院，辽宁大连116024；3.中海油田服务股份有限公司，河北三河065201）摘要：针对自升式钻井平台方形桩靴基础的地基承载力问题，在实验基础上，建立了三维地基滑移破坏面模型，根据极限平衡理论，同时考虑粘聚力、超载和土的自重作用，给出了相关平衡方程，并结合有限元软件ABAQUS得到了三维方形桩靴基础地基承载力的理论解。本理论解的结果和已有的静载试验结果进行了对比，并通过方

2、形桩靴基础插桩试验所得数据进行了验证。关键词：自升式平台；桩靴基础；极限承载力；方形；三维自升式钻井平台是一种特殊的海洋工程船，由船体、桩腿和升降装置等几个部分组成（见图1），既可以升降船体，也可以升降桩腿。凭借其自身的特点，如：灵活性、机动性、经济性等，自升式平台已广泛应用于近海油气的勘探、开发。自升式钻井平台有座底式、桩腿式和桩靴式几种类型，目前以桩靴式为主。合理、准确的插桩深度的计算对自升式钻井平台的合理选择、安全就位作业及拔桩能力评估至关重要。预测结果较实际过深，给平台的决策者带来误导，可能导致放弃本来可以安全作业的井位，造成不必要的经济损失；预测结果较实际过浅，可能产生对于平

3、台在该井位作业的错误判断，导致拔桩困难的尴尬局面，造成经济损失甚至是安全事故。然而，现有规范所推荐的自升式平台桩靴基础地基承载力的计算方法将不同形状的桩靴等效为与其最大横截面面积相等的扁平薄板，示意图见图2。这种等效横截面积的方法忽略[1]了桩靴几何特征对地基承载力的影响，一定程度上造成了预测结果与实际作业记录间的偏差（如图3所示），尤其对于一些典型的桩靴形式，如：BH12自升式平台的方形桩靴（见图4示）。图1典型的自升式钻井平台及桩靴基础示意[2]相对于条形浅基础平面应力-应变处理方法而言，矩形浅基础承载力的理论解较少有人研究，由于矩形基础尺寸有限，端部破坏效应是其承载机理区别于条形

4、基础的主要原因，此时需要考虑地基承载力的三[3-6][4-5]维效应。GGMeyerhof，JBHansen，ASVesic等学者通过对Terzaghi条形基础地基承载力计算公式[3-4][7]乘以一修正系数的方式来得到矩形浅基础地基承载力的计算公式。周中求得了圆形浅基础地基承载力[8]的理论解，但没有考虑主动区和过渡区界面上土体的抗剪强度；李伟通过假定地基滑动破坏面，将自重、粘聚力分离出来进行二次求解的方法，在直接引用Vesic经验公式中相应子项的基础上，得到了方形浅基础地基承载力的理论解，但没有考虑方形基础相邻两边对应相邻过渡区与被动区分界面上的相互作用；王[9]哲改进了以往算法单

5、独考虑土重对各承载力系数影响的方式，同时考虑黏聚力、超载和土体自重的共同[10]作用，得到了矩形地基的承载力，但建立在假定的地基破坏滑移面的基础上。HongjieYang通过求解非[11]线性优化问题的方法给出了一种用于矩形地基下限承载力计算的有限元方法。Michalowski则采用极限分析上限解理论，在假定地基滑移破坏面的基础上，采用单独考虑地基自重影响的方法，求得矩形浅基础的极限承载力。针对BH12#自升式钻井平台的典型桩靴形式——方形桩靴（见如图4），根据实验所观察到的桩基土体破坏模式构造了三维的地基复合滑移破坏面，综合考虑粘聚力、超载和土体自重的共同作用，根据极限平衡理论，求解

6、得到了方形桩靴地基承载力计算公式，并通过与所得实验数据及几个典型公式计算结果进行了对比分析，验证了本文所得公式的可行性。24第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集10000800060004000bearingcapacity(t)2000Resultsgivenbyguidelinefielddata0010203040SpudcanPenetrationDepth(m)图2现有规范推荐的桩基承载力计算方法示意图3自升式平台部分井位插桩深度预测结果与实际记录对比图4BH12#自升式钻井平台及其桩靴模型1三维地基滑移破坏面模型1.1实验分析考虑到地基滑移面在极限平衡法计算地基承载力

7、中的重要性，针对研究目标——方形桩靴基础进行了相关的实验分析。如图5所示，是针对BH12#自升式平台方形桩靴基础（见图4）所进行的插桩深度实验研究的结果（实验用土质参数见表1）。可见，插桩过程中桩靴底部土体的滑移破坏可分为三个区，与Prandtl-Reissner关于条形基础的结论一致；另外，由于方形桩靴自身的几何特征，端部破坏效应使得地基滑移情况区别于条形基础，呈现明显的三维效应，滑移破坏面沿方形桩靴的对角线方向有明显的展开趋势（见图5示）。