JU2000E自升式钻井平台-公司概况 天津新港船舶重工有限责任公司
姚进
摘 要：文章以上海临港码头前沿海域工程地质资料为依据，根据区域内地层特点，采用《海洋井场调查规范》及上海地方经验计算各土层承载力情况，分析了该区域针对“JU2000E”自升式钻井平台桩靴式基础插桩深度及拔桩过量吃水深度，并对钻井平台插桩过程中土层刺穿效应作出评价，为该区域内桩靴式基础插拔桩提供经验参数。
关键词：地基承载力；“JU2000E”自升式钻井平台；插桩深度；拔桩过量吃水深度；刺穿效应
引言
上海某造船有限公司建造“JU2000E”自升式钻井平台[1][2]，将拖航至临港码头进行设备吊装。拟建“JU2000E”平台为三条桩腿支撑的自升式钻井平台，每条桩腿下端配有一个桩脚箱（桩靴），其桩脚箱最大截面面积为254m2，有效直径为18.0m，桩脚箱高度5.945m，体积660m3，桩脚尖高度为1.17m（图1）。船体每米排水量3400t/m。预压载时，单桩最大预压载为11436t，换算成单桩每平方米最大预压载为45t。
为了确保“JU2000E”自升式钻井平台的插桩安全，需对该区域进行工程地质勘察，一方面了解该区域工程地质条件，分析各土层承载力情况；另一方面对“JU2000E”自升式钻井平台进行插、拔桩分析，为“JU2000E”自升式钻井平台插拔桩提供可靠参数。
1 场地工程地质条件及地基土承载力计算
1.1 场地工程地质条件
根据勘察成果显示，拟建场地属海岸地貌类型，水下泥面整体较为平坦，受海浪冲刷、潮汐及邻近已建码头等影响，拟建场地东北区域积淤较高，相应泥面标高较高，场地标高整体为-4.30～-7.80m。
拟建场区潮汐属非正规半日浅海潮区，根据1976年～1995年芦潮港水文站实测资料统计，芦潮港平均海平面0.23m，平均高潮位为1.86m，平均低潮位为-1.34m，最大潮差为5.14m，平均潮差为3.2m；勘察期间测得最高水位标高4.0m，最低水位标高0m。场地内地层分布情况见下表1。
拟建场地内未发现溶洞、活动断层等不良地质条件，为稳定场地，适宜本工程的建造。
1.2 地基土承载力计算
对于“JU2000E”自升式钻井平台插桩时考虑桩端需穿透软弱土层，进入相对稳定土层，以满足承载力要求，故在地基承载力验算时按地基土极限承载力考虑，因桩靴直径远大于桩身直径，在插桩过程中仅考虑桩端阻力，忽略桩身与土层间摩阻力。
一般情况下对于插拔桩地基土承载力可根据中华人民共和国石油天然气行业标准《海洋井场调查规范》（SY/T6707-2008）[3]推荐的承载力公式进行计算，即：Q=qn×A+γ1×V，其中Q为基础入泥深度范围内总的极限承载力，A为桩脚的最大平面积，γ1为由桩脚排出土的平均有效密度，V-桩脚排出土的体积。
qn值的计算方法：对于不排水的粘性土质qn=Su×Nc≤qmax=9Su，Su基础底面以下B/2深度内的平均不排水抗剪强度，Nc不排水粘性土的无量纲承载力系数，Nc=6×（1+0.2×D/B）≤9，D-桩腿入泥深度B-桩腿直径；对于排水粒状土质：qn=0.3rBNr+P0×（Nq-1）≤qmax，R为基础面以下地基土的平均有效密度，Nr、Nq为排水粒状土的无量纲承载力系数，按内摩擦角而定，P0为桩腿端部位置的有效上覆土压力；qmax为qn的限制值，在较深的深度时使用。其地基承载力计算参数详见下表1，结算结果详见下图2。
另本文根据上海地区经验及地方规范对地基土承载力进行计算，与上述计算结果进行对比，为更加合理选择插桩参数提供依据。
根据上海地方经验及规范[4][5]，fd=ψζccdNc+γ0dζqNd+0.5ψNrζrγb，其中Nc、Nd、Nr為承载力系数，ψ为地基承载力修正值，均按内摩擦角设计值φd查表取值，cd地基土黏聚力设计值，φd地基土的内摩擦角设计值，其中cd=0.3ck，φd=0.67φk，ck、φk为基土的粘聚力和内摩擦角平均值；γ0为基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取有效重度（kN/m3），γ为基础底面以下土的重度，地下水位以下取有效重度（kN/m3），d为基础埋深（m），b为基础宽度（m），大于6m时按6m考虑，ζc、ζq、ζr为基础形状系数，条形基础时，均为1.0，当为矩形基础时：ζr=1.0-0.4b/l，ζq=1.0+sinφdb/l，ζc=1.0+0.2b/l，l为矩形基础长度，b为矩形基础宽度，对于圆形基础，取l=b=D，D为圆形基础直径。结合fd=fk/rR其中rR一般取2，故极限承载力fk=2fd，地基土承载力计算参数见下表2、表3，结算结果详见图2。
2 “JU2000E”自升式钻井平台插、拔桩分析
2.1 插桩分析
当自升式钻井平台在预定的插桩位置就位后，将桩脚缓慢的插入地基土中入泥，此时地基土的极限承载力小于平台桩脚所施加的压力时，平台桩脚将继续向下贯入，当地基土的极限承载力大于或等于平台桩脚所施加的压力时，则平台桩脚将停止贯入，稳定在地层的某一层位，此时平台桩脚尖贯入深度即为平台的插桩深度。
单桩每平方米最大预压载为45t，根据设计需要考虑自-8.0m深度插桩，以勘探孔ZK1位置为例进行分析，根据上述两种地基土承载力计算方法得出结果为：按《海洋井场调查规范》计算时插桩深度需≥10.8m，按上海地方规范及经验计算插桩深度需≥10.6m，可见两种计算方法针对临港码头区域土层承载力计算结果差异不大，即“JU2000E”自升式钻井平台在勘探孔ZK1位置插桩深度可考虑为10.8m。
2.2 拔桩分析
“JU2000E”自升式钻井平台空船自重18000t，平台过量吃水每米排水量34t/cm。平台桩脚箱有效直径为18.0m，预压载时，每只桩脚的最大预压载为11436t。当平台过量吃水1m时，可产生上拔力为3400t，即单桩拔桩力为1133t。
由于“JU2000E”型自升式平台桩腿为桁架，桩侧摩擦力较小，可以忽略不计，所以在计算中只考虑了桩脚箱侧面与周围土体间的摩阻力。此外，平台桩脚箱底部与下部地层的粘着力和吸附力，因桩脚箱底部具有高压喷水孔，因此在总抗拔力计算中未予考虑。
平台拔桩时单桩的总抗拔力（R）主要由以下几方面力所组成：
（1）桩脚箱上覆土体的重量：P1=1/4π（ΣrΗ）Β2×80%，其中r为插桩深度以上各层土体的浮容重（KN/m3），H——插桩深度以上各层土体的厚度（m），B——桩脚箱最大截面等效圆直径（m）。
（2）桩脚箱侧面与周围土体间的摩阻力：F1=πBLC，其中L为桩脚箱侧面高度（m），C为桩脚箱侧面高度内土体的内聚力（kPa）。
（3）插桩深度以上各土层土体破坏所需要的剪切力F2=πB（ΣHC）×80%，H为插桩深度以上各土层厚度（m），C为插桩深度以上各土层内聚力（kPa）。
ZK2升桩位置拔桩分析
根据勘查区ZK1升桩位置地层情况，当“JU2000E”桩脚箱最大截面入土深度为10.8m（桩尖入泥深度为12.0m），其单桩总抗拔力计算如下：
a）桩脚箱上覆土体的重量P1=1/4π（ΣrΗ）Β2×80%=16866kN=1721t
b）桩脚箱侧面与周围土体间的摩阻力F1=πBLC=1241kN=127t
c）插桩深度以上各土层土体破坏所需要的剪切力F2=πB（ΣHC）×80%=8104kN=827t
其总抗拔力R为：R=P1+F1+F2=1721+127+827=2675t。
由上述计算得出的单桩总抗拔力数值与平台过量吃水2.36m时所提供的单桩拔桩力相近，因此，“JU2000E”平台在ZK1插桩位置拔桩时，需过量吃水约2.4m才能将平台桩腿拔起。
2.3 刺穿分析
根据勘察资料，本拟建场地插桩深度下土层均为硬土层和中密～密实状砂（粉）性土层，未见软弱土层存在，故认为“JU2000E”平台在ZK1位置深度10.8m处插桩不会发生刺穿。
3 结束语
（1）通过前期勘察表明拟建场地为稳定场地，适宜本工程的建造。
（2）通过两种地基土极限承载力计算方法对该场地内土层地基承载力进行计算，结果表明差异不大，均可作为该“JU2000E”平台插拔桩参数计算依据。
（3）根据本文验算，在上海临港码头区域内，“JU2000E”平台插桩深度约10.8m，拔桩时该平台需过量吃水约2.4m才能将桩腿拔起，为以后在该区域内插拔桩提供经验参数。
（4）该区域范围内插桩深度下未见相对软弱土层存在，故认为“JU2000E”平台在ZK1位置深度10.8m处插桩不会发生刺穿。
（5）由于调查区水深浅，平台桩腿入泥深度较大，当平台拔桩时平台自身吃水加上过量吃水深度需小于水深深度，为避免平台船体触底，建议选择在高潮时段进行拔桩，并随时观察船底与海底之间的距离变化。同时在拔桩过程中应使用高压泵冲去桩腿附近淤泥及回填土（减少桩脚箱以上土体载荷以帮助拔桩），保持冲桩管线系统的正常运转，减小桩脚箱底部的吸附力。
（6）调查区上部②3地层虽属粉性土层，但其横向厚度变化较大，地基土承载力不稳定，其下部又为软弱土层，平台插桩时桩脚可能在②3顶部会有停留，但存在很大刺穿风险，故建议平台升桩时桩脚穿过②3和下部软弱土层时防止桩腿突然贯入而对平台造成危险。
（7）平台升桩时最大預压荷载不应一次施加于桩腿，而应分阶段、分级逐次缓慢增量加载，每次加载后注意观察、加强监测，防止突然下降而造成平台倾斜。
参考文献
[1]汪张棠，赵建庭.自升式钻井平台在我国海洋油气勘探开发中的应用和发展[J].船舶，2008，2（1）：10-12.
[2]罗宏志，蒙占彬.国内深水自升式钻井平台发展概况[J].中国海洋平台，2010，2（1）：10-12.
[3]金元刚，王明田，周扬锐.海洋井场调查规范（SY/T6707-2008）[M].石油工业出版社，2008，9：27-29.
[4]顾国荣，许丽萍，等.上海市《岩土工程勘察规范》（DGJ08-37-2012）[S].2012，5：126-130.
[5]高承勇，黄绍铭，刘陕南，等.上海市《地基基础设计规范》（DGJ08-11-2010）[S].2010，6：26-28.
