自升式平台桩脚在含硬壳层地基中的插深分 ：1002-3682(2010)02-0031-07李 洪1，邓金根2，孙 焱3，李炎军4．北京石油机械厂，北京100083：2．小国石油大学（北京）岩石力学实验室．北京102249；3．中国石化集团国际石油勘探开发有限公司，北京100083；4．中国海洋石油湛江分公司，广东湛江524057)摘 要：存在硬壳层的层状地基承载能力分析是自升式钻井平台桩脚插深分析的关键．但是目前对硬壳层承载能力的确定还没有成熟可行的理论计算方法一般的针对非均质层状地基的承载力计算方法，因参数较多，计算步骤繁琐，很难广泛应用于实际的平台桩脚入泥深度分析中文中主要介绍了存在硬壳层的层状地基承载力的分析方法与过程．根据应力扩散原理推导并做适当的简化得到硬壳层承载力修正方法简化后的修正方法能满足一般硬壳层承载力分析的需要，并使平台插桩深度分析计算过程变得简便通过在实际工程的应用．得到的实测结果与理论计算值也较为一致，说明了用此方法分析硬壳层地基的平台插桩是合理、实用的关键词：硬壳层；自升式钻井平台；地基承载力；桩脚入泥深度TE54，：A自升式钻井平台由于其定位能力强和作业稳定性好，在大陆架海域的油气勘探开发中得到广泛应用。
为了确保平台作业安全，在平台到达井场进行插桩与预压载作业前，必须对该平台地基承载能力进行有效分析，它是判断平台是否适合在该区作业以及桩脚入泥深度分析´稳定性评估的前提海底土通常为多层土交叠的非均质层状土同时也常遇到这样一种层状地基情况．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”[1]硬壳层承载力分析是白升式钻井平台插桩深度分析的关键.但是目前对这种硬壳层地基承载力在理论上还未得到很好的解决硬壳层地基承载能力分析计算比单一的均质土层复杂许多，其承载能力分析要考虑到持力层范围内所有土层的性状按单一均质土层计算公式分析的硬壳层承载能力是小够准确的．理沦计算结果会比实际的高很多，因此常常被错误地认为硬壳层能承载住平台当桩脚下插到上覆硬土层中时，暂时可能是稳定的，然而由于下卧软弱层的影响，桩脚可能会突然穿透上覆硬土层进入下卧地层，形成“穿刺”如果下卧软土层较厚，桩靴快速下降深度较大．就会造成自升式平台严重倾斜．发生桩腿和钻探没备的严重损坏及人员伤亡等危险事故因此，对硬壳层的承载能力及平台桩脚入泥深度分析显得尤为重要。
1 存在硬壳层的层状地基承载力初步分析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：粘性土层或砂性土层在分析存在硬壳层的海底层状地基承载能力前，可先利用单一地层承载力计算方法对海底各土层承载力进行初步分析，即根据各土层的物性，分别选用粘性土或砂性土的地基承载力计算公式，并得到整个土层的承载力曲线（如图1）对于单一地层的极限承载力，采用美国石油协会关于固定式近海平台构造设计规范（APl RP 2A-2000）推荐的方法计算[[来自wWw.LW5U.com]2]1.1 粘性土层如果海底土层存在硬壳层，则在初步分析所得土层极限承载力曲线上会看到一个明显的突出部位，即为硬壳层，如图1所示在这种层状土层中，硬壳层按单一土层分析计算得到的承载力是不够准确的，比实际的承载能力要大得多当桩脚落在硬壳层上时由于实际的相对穿刺安全系数过低，平台桩脚可能突然贯入下卧软土层产生穿刺为了避免危险事故的发生，因此必须考虑下卧软土层对上覆硬壳层的影响，采用适当的方法对硬壳层进行校核2 硬壳层承载力的修正方法海底土硬壳层的承载能力由于受到下卧软土层影响，一般会在不同程度上被削弱用API RP 2A-2000规范中的方法对层状地基承载力进行初步分析后，若存在硬壳层还需对硬壳层承载力采用适当的方法进行修正，使理论计算结果更加逼近真实值。
目前适用于修正硬壳层承载力的方法不多，主要有扩散角法[3-4]及梅耶霍夫等人的方法以下主要足根据应力扩散原理推导并对过程做适当简化后的硬壳层承载力修正方法2.1 扩散角法在这种方法中，考虑施加在上覆硬壳层（砂层或硬粘土层）上的桩脚荷载以一定横纵比率向下扩散到下卧软粘土顶面（图2，θ为扩散角；q为扩散前的硬土层应力；qf为扩散后在软弱层的应力；H为桩靴最大直径到软弱层的深度；D´为海底到软弱层的深度），从而在两土层交界表面形状不变但面积变大的等效基础，在这个基础上的极限承载力即可等效为作用在上部硬壳层地基的整体极限承载力此方法一般适用于上层土与软弱下卧层的压缩模量比值大于或等于3时式中，θ为应力扩散角，与上下土层的压缩模量比和H/B值有关；H为桩脚基础底面到下卧软土层顶面的距离一般取θ=22°，当硬壳层为密实的砾砂、粗砂、中砂、老粘性土时，取θ=30°应力扩散法分析硬壳层承载力时，主要考虑硬壳层厚度和粘土的不排水抗剪强度为主要影响因素，没有考虑冲剪阻力及砂的密度对荷载扩展角的影响但这种方法在实际工程分析中非常方便和实用3 自升式钻井平台桩脚入泥分析平台载荷大于土层的极限承载能力时，桩脚会不断贯入下部土层，直到等于土层的极限承载力时桩靴才稳定下来。
对存在硬壳层的层状地基承载力初步分析和修正后，根据平台单桩设计最大预压载荷，找到与土层极限承载力相等处对应的土层深度即为桩脚入泥深度同时进行桩脚的稳定性分析，确保平台作业安全3.1 工程应用平台场址位于南海北部湾某油田，工程要求根据该井场的土质特性，分析计算平台就位压载过中桩脚最终入深度，选用合适的自升式钻井平台（931海洋钻井平台或南海四号海洋钻井平台）计算所需两平台参数及土层特性参数分别见表1和表2此实例分析土层极限承载能力采用上述分析方法，首先，应用式(1)、(2)对海底层状土承载力进行初步分析，从所得土层极限承载力曲线可知，4.3～7.0m处为硬壳层，如图3虚线所示由图可知，上覆硬壳层承载能力比下卧软土层大得多，因此适合采用式(6)的扩散角法对硬壳层承载力进行修正，并取扩散角θ=30经修正后所得两平台就位时土层极限承载能力及桩脚入泥深度分别如图3，图4所示从图3可看出，若用931平台，在就位压载过程中硬壳层不能承载住平台载荷，桩脚会穿透4.3m处的硬壳层，在最大预压载荷下的桩脚最终人泥深度为9.7m，桩脚的安全系大于1.5，因此该平台桩脚在9.7m处不会有穿刺危险从图4可看出，若用南海四号平台，在最大预压载荷下硬壳层能承载住平台载荷，因此该平台桩脚最终入泥深度为4.3m，安全系也大于1.5。
但考虑到931平台在就位压载过程中，桩脚达到最终入泥深度前，会突然穿透4.3m处硬壳层，造成平台倾斜，给平台压载作业来带来危险又因其桩脚最终入泥较深，平台撤离时拔桩相对较困难，因此最终选用南海四号在该井场作业实际上，用南海四号在就位插桩作业中获得了成功根据实测结果，3支桩脚在最大预压载荷下最终入泥深度分别为4.4 m，4.3 m，4.5 m，理论分析计算与实测结果吻合较好，说明用此方法分析硬壳层地基承载力及插桩深度是可靠、有效的4 结 论1)当海底土存在硬壳层情况下，分析土层承载能力及桩脚入泥深度时要考虑下卧软弱层对上覆硬层的影响分析过程可先用API RP 2A推荐的方法对存在硬壳层的层状土承载力进行初步分析，找出硬壳层后，可用简化后的扩散角法对硬壳层的承[]载力进行修正2)简化后的扩散角法能满足一般硬壳层承载力分析的需要，并使平台插桩深度及稳定性分析计算过程变得简便其扩散角要按土的物理力学性质来确定，一般取θ=22当硬壳层为密实的砾砂、粗砂、中砂、老粘性土时，取θ—30 -全文完-。