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1、·20·龚闽等自升式平台预压荷载分析2005年4月文章编号:1001-4500(2005)02-0020-05自升式平台预压荷载分析1,21龚闽,谭家华(1.上海交通大学,上海200030;2.胜利石油管理局,东营257237)摘要:分析自升式平台预压的方法、过程和意义,给出预压荷载的确定方法。关键词:自升式平台;预压;地基;稳定性中图分类号:P75文献标识码:A预压是保证自升式钻井平台地基稳定性的重要措施,而地基稳定性是保证作业安全的基本条件。预压是预先施加垂直荷载,使平台桩靴的对地压力预先达到设计预压
2、值,然后恢复正常荷载的过程。如果在预压状态地基能保持稳定,则认为海底地基有足够的承载能力。简单地将最大垂直荷载叠加作为预压荷载的方法是不合理的,预压荷载的确定应该包括桩靴对地的最大垂直荷载、水平荷载和作用力矩三者共同作用的结果。1预压的方法、过程和意义自升式钻井平台在完成插桩升船过程后,主体升离海面,在作业状态之前,船不再继续升高,而与水面保持较近距离,开始预压。1.1预压方法预压通常有两种方法,一种是灌注压载水预压,一种是自重预压。对三腿自升式钻井平台,需要向船的压载舱内注入海水,以提高桩靴对地的压力;
3、四腿自升式钻井平台,则利用其自重,采用对角两组桩靴轮流施压的方法,提高对地的压力。具体方法是将四个桩腿分为二组,每对角线上桩靴编为一组,操作升降装置,通过减小一组桩靴对地压力来实现另一组桩靴的对地压力的增加。两种预压方法都可达到预压的目的。在预压加载的过程中,桩靴的对地压力不断随着荷载的增加而逐渐增加。在承载力较低的黏性土海底地基中,桩靴入泥会不断增大,地基土不断发生破坏,破坏机理与升船过程桩靴入泥时相同。一般情况下,预压时间应尽量长,目的是使桩靴下的地基土尽量地固结,通常预压加载保持在12h以上。1.2
4、预压的意义预压是解决地基承载能力不确定性的最好、最简单的方法,相当于做了一次实地承载能力检验试验,能确切地检验海底地基是否具有承受最大荷载的能力。对于海底土无法采用陆地上的现场荷载试验法获得较为真实的地基承载能力数据,其土力学参数主要通过海底取样和常规试验获得。由于海底取样和试验中的干扰因素较多,得到的这些参数有一定的误差。无论是采用经典土力学方法或者计算土力学方法,土力学参数的误差导致承载能力和稳定性计算结果都存在较大的不准确性。再考虑到土力学本身非常复杂,使得在敏感区域的地基承载力的计算确认更加困难。
5、预压还有一个重要的作用,在预压力的作用下,桩靴下的地基土可能会进一步固结,部分孔隙水可能渗出,从而有利于提高地基的承载能力。预压过程的顺利完成保证了地基的承载能力。对于三腿自升式平台,海底地基承载力更为重要,在风暴状态下,一旦一条腿失稳,平台可能会整体倾斜,桩腿结构和升降装置损坏,甚至断掉桩腿。四腿平台支撑情况要好于三腿平台,如果一条腿失稳,还有其他三条桩腿支撑,破坏的严重性会小一些。因此预压的成功是保证自升式平台抗倾能力的基础。收稿日期:2005201212作者简介:龚闽(19632),男,在职博士生,
6、高级工程师,从事海洋工程研究设计。第20卷第2期中国海洋平台·21·预压对于承载能力较弱的海底地基尤为重要,对于黏性土地基的预压是必要的;而对较硬的密砂和硬土地基预压,实际意义不大,因为其地基的承载能力富余较大,自升式钻井平台无论是插桩升船,还是预压,桩靴的入泥量都非常小。2预压荷载的确定预压载荷到底多大合理,主要考虑三个因素:荷载的大小、方向和性质;地基土的性能;桩靴的几何尺寸和形状。预压施加的荷载是垂直荷载,实际荷载包括水平和垂直荷载。2.1荷载的分析自升式钻井平台在支撑状态时,受到各种荷载的作用(见
7、图1),这些荷载包括固定荷载、可变荷载和环境荷载。在荷载的作用下,平台、桩靴和地基土发生相互作用,荷载传递到桩靴和地基土中。可变荷载和动荷载的传递图1支撑状态下的自升式平台不仅改变了桩靴与地基土的相互作用,而且由于动荷载的作用,单个桩靴与地基土的相互作用力的大小和方向也处在动态变化中。垂直方向荷载由固定荷载W、可变荷载WV、环境风荷载Fwind和波浪流荷载Fw三部分共同作用产生的荷载。固定荷载和可变荷载是重力荷载,方向垂直向下;环境荷载的作用方向是水平的,作用到船体后产生倾覆力矩,倾覆力矩转换到桩靴和地基
8、土时一部分为垂直方向的力,一部分为水平方向的力。倾覆力矩的大小不仅与环境荷载有关,而且与平台的作业水深和升船高度有关,因此,倾覆力矩转换为垂直方向的力的大小也与环境荷载、平台作业水深和主体升离高度有关。水平方向的力主要由环境荷载产生,通过平台结构和桩腿传递到桩靴和地基土中。环境荷载主要是风、浪、流引起的荷载,其中Fwind、Fw通常比较大。由于桩靴固定在海底土中,平台在水平方向力的作用下,桩腿内产生弯矩,这个弯矩的一部分通过桩
