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发表于 2013-10-26 19:10
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来自： 中国湖南岳阳
自升式钻井平台力学响应的...在预压、升降等工况下的分析：
.
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
,
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
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
W
V
、
环境风荷载
F
w
ind
和波浪流荷载
F
w
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
F
w
ind
、
F
w
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腿
传递到桩靴和地基土中
,
桩靴和地基土间产生相互作用力矩
。
该力矩的大小也与环境荷载
、
平台的作业水深
和主体升离高度有关
。
自升式钻井平台在支撑状态中
,
桩靴和地基土存在垂直方向
、
水平方向以及力矩三个方面的相互作用
。
可变荷载的变化和风
、
浪
、
流荷载的变化
,
都在直接和间接地改变桩靴与地基土的相互作用
。
2
.
2
荷载的处理
预压荷载是重力荷载
,
接近于静止荷载
,
施加的方向是垂直向下的
。
自升式钻井平台的桩靴尺寸较大
,
海底对桩靴提供的约束力矩更加显著
。
因此
,
预压不仅仅要考虑垂直
荷载和水平荷载
,
而且要反映真实的垂直荷载
、
水平荷载和力矩联合作用的结果
。
(
1
)
垂直荷载
:
W
+
W
V
。
每只桩靴的垂直荷载要考虑水平载荷的作用
。
按照图
1
示意方向
,
需要增加或减小
(
F
w
ind
+
F
w
)
h
󰃗
l
,
h
为
水平荷载
(
F
w
ind
+
F
w
)
总作用点到桩靴底的距离
,
l
为两桩靴间的水平距离
。
(
2
)
水平载荷
:
水平荷载主要是环境荷载
,
为
F
w
ind
+
F
w
,
可按有关规范计算
。
(
3
)
力矩的处理
:
力矩的处理是将力矩转化为垂直力的偏心处理
。
桩靴与地基土相互作用力矩使桩靴底
部和地基土间的压力分布不均匀
,
假设桩靴的面积为
A
,
宽度为
B
,
长度为
L
,
偏心量为
e
,
有效宽度为
B
′
=
B
-
2
e
,
则有效面积
A
′
=
B
′
L
。
将力矩转化为偏心的作用力
[
1
]
[
2
]
,
等效受力图见图
2
。
参见图
2,
左图中
,
M
为桩腿对桩靴的力矩
,
M
S
为地基土对桩靴的力矩
,
W
为桩靴受到的垂直向下的力
,
R
为地基土对桩靴的支撑力
,
M
=
M
S
,
W
=
R
。
风
、
浪
、
流荷载一般取最大值
,
在风
、
浪
、
流荷载作用力下方的桩靴对地压力会增加
,
上方桩靴的对地压力
・
1
2
・
第
20
卷 第
2
期 中 国 海 洋 平 台
图
2
力矩处理示意图
会减少
,
环境荷载引起的桩靴对地压力改变较大
。
力矩的作用可理解为桩靴承载面积的减少
,
偏心距
的实际值与力矩的大小很难准确计算
,
因约束力矩的产
生是地基土
、
桩靴和平台三者在各种荷载的影响下相互
作用的结果
,
这种作用非常复杂
,
目前没有成熟的公式计
算
。
约束力矩是客观存在的
,
特别是对面积相对较大的桩
靴和深水自升式钻井平台
,
现场测试和计算表明
[
3
]
,
约束
力矩可达到桩腿最大弯矩的约
20%
,
因此
,
不可忽视
。
2
.
3
预压荷载的确定
预压荷载的确定过程如下
:
(
1
)
按照已知的泥土剪切强度
、
桩靴几何形状尺寸
、
荷载数据和期望的入泥深度
,
计算得出桩靴风暴荷载
(
F
H
,
F
V
)
落在稳定
—
失效区域轮廓线上
,
轮廓线相应的最大垂直荷载为
Q
P
′
,
其中
F
H
为桩靴与地基水平方
向相互作用力
,
F
V
为桩靴与地基垂直方向作用力
。
图
3
预压要求示意图
(
2
)
需要的预压荷载为
:
Q
P
=
Χ
m
Q
P
′
(
见图
3
)
。
图
3
中曲线①为与垂直预压
Q
P
′
对应的地基失效区域轮廓线
;
曲线
②
为与垂直预压
Q
P
相对应的地基失效区域轮廓线
,
包括安全余量
Χ
m
,
Q
P
=
Χ
m
Q
P
′
通过施加预压荷载可以考验和确保所要求的地基承载能力
,
施加的
这个预压荷载应该足够大
,
在设计最大风暴条件下
,
保证与桩靴作用的泥
土不会发生进一步失效破坏
。
这个失效破坏包括无法承受的过大的位移
,
例如硬土层覆盖软土的情况下可能发生的桩靴突然下陷
。
预压荷载
Q
P
′
是计算的桩靴最大可能对地作用力
。
按照实际工况
,
固
定荷载和可变荷载可以用统计方法简单地计算出来
,
环境荷载可以用海
洋工程公式或有关规范推荐的方法计算出来
,
旋转力矩的计算较困难
,
为
简化起见
,
可以将桩靴与地基间的压力按线性分布处理
。
因此
,
预压荷载的计算包括固定荷载
、
可变荷载和环境载荷三个部分
,
然后将这些荷载转化为水平方向
和垂直方向两个方向的荷载
F
H
,
F
V
。
2
.
4
地基稳定性分析
预压荷载确定后
,
需要进行地基稳定性分析
。
要保证在预压过程中地基土有足够的承载力
,
一要防止因
入泥过大
,
造成拔桩困难
;
二要防止桩靴坐落在薄的硬壳层覆盖厚的软土层时突然穿透硬壳层下降
,
损坏桩
腿和结构
。
胜利六号平台在渤海湾作业时
,
因预压过量
,
桩靴入泥
9
m
,
采用强力喷冲的方法也未能拔出桩
靴
,
1
年后动用挖泥船将桩靴顶部的泥土挖出后才将桩靴拔出
。
预压过程中
,
桩靴可能会进一步入泥
,
对于承载能力高的砂土和粉土
,
其入泥比较小
;
对于承载能力较弱
的黏性土
,
其入泥则比较大
。
地基稳定性的基本要求是控制桩靴在一定入泥深度内地基土有足够的承载力
。
预压的入泥深度必须小于规定值
,
将规定入泥深度对应的设计承载力计算出来与设计荷载进行比较
。
对于硬土层覆盖软土层
,
首先需要利用土的剪切强度数据校核桩靴突然穿透的可能性
。
在这个过程中
,
应该使用较高的
Χ
m
值
。
如果校核地基土的承载能力不能保证防止桩靴突然穿透
,
再使用下表中较低的
Χ
m
值
。
使用较低的
Χ
m
值
,
在控制条件下
,
平台应该有能力承受预压过程中可能发生突然穿透硬土层带来的问
题
。
如果平台没有承受能力
,
则不允许平台在这种特殊地点作业
。
对于各种理想土壤条件
,
承载能力的计算可以使用经验和理论公式
。
如果土壤条件不是理想状态
,
而是
复杂的泥土剪切特征状态
,
对承载能力需要做更详细的分析
。
文献
[
1
]
的
8
.
2
.
3
.
5
定义地基不失稳的条件为
:
・
2
2
・
龚闽等 自升式平台预压荷载分析
2005
年
4
月
R
D
≥
F
D
或者
:
R
C
󰃗
Χ
m
≥
Χ
fp
F
vp
+
Χ
fv
F
vv
+
Χ
fE
F
E
式中
:
R
D
为设计阻力
,
包括垂直力和水平力
;
R
C
为特征阻力
,
包括垂直力和水平力
;
Χ
m
为安全系数
,
包括
与承载力
、
材料系数取值有关的不确定性
;
F
D
为设计荷载
,
包括垂直力和水平力
;
F
vp
为固定荷载引起的对桩
靴的垂直力
;
F
vv
为可变荷载引起的对桩靴的垂直力
;
F
E
为环境作用力向量
,
垂直和水平
:
F
E
=
(
F
V
E
,
F
HZ
)
;
Χ
fp
为负荷安全系数
,
反映固定荷载的不确定性
;
Χ
f
V
为负荷安全系数
,
反映可变荷载的不确定性
;
Χ
fE
为负荷安
全系数
,
反映环境荷载的不确定性
。
表 地基稳定性校核安全因素
(
D
nV
C
lassficati
on
N
o
tes
N
o
.
31
.
4
)
校 核
负荷系数
Χ
fp
Χ
f
V
Χ
fE
材料系数
Χ
m
按需要的预压校核承载能力
1
.
0
1
.
0
3
1
.
3
󰃗
1
.
0
3
3
1
.
1
按剪切强度校核承载能力
1
.
0
1
.
0
3
1
.
3
󰃗
1
.
0
3
3
1
.
3
󰃗
1
.
2
3
3
3
3
对于承载能力校核
,
特征载荷为最大可变荷载
,
滑移校核为最小可变荷载
3
3
当环境荷载取值足够大
,
荷载系数可以为
1
.
0
3
3
3
对于不排水剪切强度取
1
.
3,
对排水剪切强度取值
1
.
2
2
.
5
计算举例
以一条修井作业平台为例
:
三个桩靴
,
正方形
12
m
×
12
m
,
分为
4
种状态
。
(
1
)
升船状态 总重力为
27
300
kN
,
3
只桩靴的浮力为
200
×
30
kN
(
保守取值
)
,
对地的总压力为
21
300
kN
。
每个桩承受压力为
7
100
kN
,
平均对地比压为
49
kN
󰃗
m
2
。
考虑重力重心偏置
,
实际为
50
kN
󰃗
m
2
。
(
2
)
作业状态 环境荷载产生的外力矩横向为最大
,
即
53
095
kN
・
m
,
外力矩对左
(
右
)
桩靴产生的垂
直力变化为
2
460
kN
,
平均对地比压增加值为
17
.
1
kN
󰃗
m
2
。
考虑重力重心偏置
,
加上固定荷载和可变荷载
,
作业状态实际桩靴最大对地比压为
85
kN
󰃗
m
2
。
(
3
)
自存状态 自存状态重力为
31
200
kN
,
计算环境荷载产生的外力矩横向为最大
,
即
81
353
kN
・
m
,
外力矩对左
(
右
)
桩靴产生的垂直力为
3
770
kN
,
平均对地比压增加值为
26
.
2
kN
󰃗
m
2
。
考虑重力重心偏置
,
加上固定荷载和可变荷载
,
自存状态实际桩靴最大对地比压为
84
kN
󰃗
m
2
。
(
4
)
预压状态 总重力为
43
350
kN
,
预压海水重力
16
000
kN
,
桩靴的浮力为
200
×
30
kN
(
保守取值
)
,
对地的总压力为
37
350
kN
。
每个桩承受的压力为
12
450
kN
,
考虑重力重心偏置
,
实际桩靴最大对地比压为
86
.
5
kN
󰃗
m
2
。
由此可知
,
可变荷载增加的对地比压变化最大为
18
kN
󰃗
m
2
,
出现在作业状态
;
环境荷载引起的对地比
压变化最大为
26
kN
󰃗
m
2
,
出现在自存状态
。
预压荷载与升船荷载之比为
1
.
72
。
这个预压重力只考虑垂直荷载的叠加
,
没有考虑桩靴水平荷载和桩靴旋转力矩的联合作用
,
理论上是不
合理的
。但到目前为止
,
该平台的操作没有发生地基安全问题
,
这可能是由于该平台实际作业风速都小于
36
m
󰃗
s
,
实际自存风速都小于
51
.
5
m
󰃗
s
,
因此实际外荷载都小于设计外荷载的缘故
。
3
结论
预压可以被看作一次真实的现场试验
,
可以解决一些与泥土强度有关的不确定性问题
。
通过预压确定地
基土的承载能力
,
材料系数
Χ
m
可以选值小一些
;
如利用来自工程地质调查获得的剪切参数计算土的承载能
力
,
材料系数
Χ
m
可能选值大一些
。
采用预压方法确定地基承载能力时
,
材料系数
Χ
m
仅考虑循环荷载作用和桩
靴下土的重塑作用等的不确定性
。
环境荷载产生的对地压力的增加是显著的
,
预压力的大小与设计所取的环境条件有关
。
・
3
2
・
在密砂和硬土中
,
一般不需要严格的预压
。
对于软黏土
,
预压的意义重大
。
在软黏土中
,
桩靴会发生较大
的入泥
,
正常情况下
,
足够的预压是抵御地基土承载能力失效破坏最有效的方法
。
对于软土覆盖在硬土上的情况
,
适量的预压可以使桩靴落到硬土层上
,
与硬土层部分接触
,
这时
,
允许桩
靴入泥深度适当增加
,
但需要认真核算拔桩能力
。
通常水平方向泥土对桩靴侧面的压力能够挡住外界水平力的作用
。
这时
,
所需要的预压就是用
Χ
m
乘以
设计的垂直力
。
|
|
提升卡
变色卡
