高蘋梅,李 俊
(中國(guó)石油大學(xué)(華東)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造系,山東 青島266580)
南海海域深水導(dǎo)管架平臺(tái)樁土力學(xué)分析
高蘋梅,李 俊
(中國(guó)石油大學(xué)(華東)船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造系,山東 青島266580)
以番禺30-1號(hào)導(dǎo)管架平臺(tái)為原始模型,針對(duì)南海北部水文,以及南海北部陸架區(qū)海底土性質(zhì),采用設(shè)計(jì)波法設(shè)計(jì)海洋環(huán)境載荷,進(jìn)行導(dǎo)管架平臺(tái)群樁樁土力學(xué)分析。對(duì)比分析豎直樁和10°傾斜樁的軸力、橫向位移、應(yīng)力以及截面剪力力學(xué)性能,發(fā)現(xiàn)斜樁的力學(xué)性能優(yōu)于豎直樁。
導(dǎo)管架平臺(tái);樁基礎(chǔ);力學(xué);分析
隨著海上油氣資源開發(fā)步驟的加快,海洋平臺(tái)的作業(yè)水深也不斷增加。番禺30-1號(hào)導(dǎo)管架平臺(tái)作為亞洲第2大導(dǎo)管架平臺(tái),工作水深達(dá)200 m,地位僅次于荔灣3-1號(hào)導(dǎo)管架平臺(tái)。如此龐大的結(jié)構(gòu)以及如此的作業(yè)水深,對(duì)于導(dǎo)管架群樁的樁腿性能提出了很高的要求[1-2]。因此,在極限波浪載荷下,分析樁腿的橫向位移和受力情況,對(duì)樁腿服役性能進(jìn)行準(zhǔn)確的安全評(píng)估,是發(fā)展深水導(dǎo)管架平臺(tái)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
番禺30-1號(hào)導(dǎo)管架長(zhǎng)213 m、高89 m、寬89 m,導(dǎo)管架的質(zhì)量16 216 t,3層甲板。分析模型包括環(huán)境模型(風(fēng)、浪、流、海底土)和結(jié)構(gòu)模型(平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型),如圖1所示。
圖1 番禺30-1號(hào)導(dǎo)管架平臺(tái)的樁土力學(xué)分析模型
該平臺(tái)采用8腿16群樁結(jié)構(gòu),為了對(duì)比分析,分別建立豎直群樁和10°傾斜群樁模型。樁的入土深度為99 m,外徑2.438 m,壁厚0.05 m。材料密度為7 800 kg/m3,泊松比為0.3,屈服強(qiáng)度為343 MPa。2種群樁的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。
圖2 導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型
2.1 南海水文
為了更好地對(duì)比2種群樁的力學(xué)性能,本文采用了設(shè)計(jì)波法,考慮了極限波浪載荷作用,并將非線性影響計(jì)入分析之中。設(shè)計(jì)波要素包括設(shè)計(jì)波重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)波特征(波高、波周期)。根據(jù)南海長(zhǎng)期的波浪統(tǒng)計(jì)資料,得到100 a一遇的最大波特征參數(shù),然后換算成相應(yīng)波高和波浪周期的規(guī)則波,作為結(jié)構(gòu)波浪載荷設(shè)計(jì)的依據(jù)。
對(duì)于最大波高長(zhǎng)期分布函數(shù),目前大都采用三參數(shù)的Weibull函數(shù)。擬合計(jì)算采用累積分布函數(shù),引入最大波高Hm:
式中:Kh為形狀參數(shù),Hc為過閾界限,H0為最小閾限高度[3]。
根據(jù)長(zhǎng)期子樣提供的Hm和Pc(Hm),應(yīng)用最小二乘直線擬合方法和迭代運(yùn)算,可以確定3個(gè)待定參數(shù)Kh、Hc、H0。
對(duì)于設(shè)計(jì)波周期的研究,一般通過研究波浪平均過零周期與相應(yīng)的平均波高之間的長(zhǎng)期關(guān)系來建立兩者之間的函數(shù)關(guān)系。查閱文獻(xiàn)可知二者之間關(guān)系[3]:
對(duì)于番禺30-1號(hào)導(dǎo)管架平臺(tái),設(shè)計(jì)重現(xiàn)期TC.Y=100 a。TC.Y年內(nèi)出現(xiàn)的波的總數(shù)N=3.15×107TC.Y/,則TC.Y年一遇的最大波出現(xiàn)概率為1/N,代入式(1)后整理得
結(jié)合式(2),通過長(zhǎng)期觀測(cè)南海水文得到最大波高長(zhǎng)期分布參數(shù)和平均周期與平均波高關(guān)系參數(shù),進(jìn)而求得設(shè)計(jì)波特征,如表1。
表1 設(shè)計(jì)波參數(shù)
番禺30-1號(hào)導(dǎo)管架平臺(tái)處于南海海區(qū)分布中的S4區(qū),查閱S4區(qū)全年波向概率統(tǒng)計(jì)圖后得知,風(fēng)向主要為東北向、東向、南向和西南向。為簡(jiǎn)化計(jì)算,只需選取此4種波向進(jìn)行設(shè)計(jì)波計(jì)算。
2.2 南海北部陸架海底土建模
番禺30-1號(hào)導(dǎo)管架平臺(tái)處于南海北部陸架,通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[4-5]發(fā)現(xiàn),南海北部陸架海底土主要為殘留沉積物或準(zhǔn)殘留沉積,以細(xì)砂、粉砂為主,局部地區(qū)為砂、粘土。針對(duì)分析環(huán)境的海底土物理特性,本文建立5種土,共將土層分成7層。土壤3種特性曲線選用標(biāo)準(zhǔn)分別為P-Y API 1987、T-Z API 1993、Q-Z API 1993,土體均為正常固結(jié)。
主要研究了2種群樁樁身軸力隨入土深度的變化規(guī)律,并就二者的樁身位移、剪力以及應(yīng)力分布情況進(jìn)行了對(duì)比和分析。本文模擬結(jié)果涉及4個(gè)波向,18種工況,32根樁腿。由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,僅選取最大東向波浪荷載組合工況下4號(hào)樁的模擬結(jié)果進(jìn)行說明。
3.1 樁身軸力隨入土深度變化規(guī)律
豎直樁和斜樁的樁身軸力隨入土深度的變化如圖3所示。
圖3 樁身軸力隨入土深度變化曲線
由圖3可知,樁頂處軸力傾斜樁28 400 k N,豎直樁31 410 k N,即傾斜樁的軸力要小于豎直樁,這與前者具有一定的傾斜角度有關(guān)。二者的樁端阻力都比較小,但是傾斜樁的值要大于豎直樁。這說明豎直樁中側(cè)摩阻力起主導(dǎo)作用,樁端阻力貢獻(xiàn)很?。?];而斜樁則提供了一定量級(jí)的樁端阻力,與側(cè)摩阻力共同承擔(dān)上部載荷。
3.2 位移對(duì)比
根據(jù)軟件模擬結(jié)果,兩種群樁樁身的位移分布曲線如圖4。
圖4 樁身位移分布曲線
由圖4可知,樁頂處,豎直樁橫向位移為31.69 mm,位移較大,超出安全服役范圍;而傾斜樁的位移為18.89 mm,在安全允許范圍內(nèi)。在樁身和樁端,傾斜樁的橫向位移均小于豎直樁的橫向位移,比豎直樁更能滿足安全需求。在砂土和粘土分界的地方,二者的橫向位移發(fā)生突變,這與兩類土的力學(xué)性質(zhì)不同有關(guān)。
3.3 應(yīng)力分布對(duì)比
根據(jù)軟件模擬結(jié)果,2種群樁樁身的應(yīng)力分布曲線如圖5。由圖5可知,在泥面附近處,兩種群樁截面均出現(xiàn)最大應(yīng)力。這是由于在泥面附近,環(huán)境載荷產(chǎn)生的橫向載荷作用以及樁結(jié)構(gòu)對(duì)土的相對(duì)剛度,使得樁側(cè)土壤變形對(duì)樁產(chǎn)生很大的約束力矩,由于約束力矩和軸向載荷的最不利組合,使得泥面附近樁的截面出現(xiàn)很高的應(yīng)力[7]??紤]安全系數(shù)后,材料的許用應(yīng)力為[σ]=0.6σ=0.6×343=206 MPa,豎直樁最大應(yīng)力為232 MPa,大于材料許用應(yīng)力;傾斜樁最大應(yīng)力為196 MPa,小于材料許用應(yīng)力。同時(shí)可以看出,相同入土深度,傾斜樁的截面應(yīng)力小于豎直樁。因而傾斜樁比豎直樁更滿足安全需求。
圖5 樁的應(yīng)力分布曲線
3.4 剪力分布對(duì)比
根據(jù)軟件模擬結(jié)果,兩種群樁樁身的剪力分布曲線如圖6。
圖6 樁的剪力分布曲線
由圖6可知,樁頂處,傾斜樁剪力2 152 k N,豎直樁剪力3 163 k N,即傾斜樁的樁頂剪力要小于豎直樁的剪力。由于風(fēng)浪流組合荷載的作用,在兩種群樁的泥面處均會(huì)引起很大的剪力。而且相同入土深度,傾斜樁的剪力小于豎直樁。
1) 斜樁的樁端阻力大于豎直樁的樁端阻力。由于斜樁存在傾斜角度,因此當(dāng)平臺(tái)總重力相同時(shí),傾斜樁比豎直樁能提供更多的樁端阻力來抵抗平臺(tái)豎向荷載,即傾斜樁在承載方面更具優(yōu)勢(shì)。
2) 樁頂處,豎直樁橫向位移較大,超出安全服役范圍;傾斜樁的位移保持在安全允許范圍內(nèi)。對(duì)于樁身和樁端,傾斜樁的橫向位移均小于豎直樁的橫向位移,因此傾斜樁比豎直樁更能滿足安全需求。
3) 在泥面附近處,兩種群樁均出現(xiàn)最大應(yīng)力。這是由于在在泥面附近,環(huán)境載荷產(chǎn)生的橫向載荷作用以及樁結(jié)構(gòu)對(duì)土的相對(duì)剛度,使得樁側(cè)土壤變形對(duì)樁產(chǎn)生很大的約束力矩,由于約束力矩和軸向載荷的最不利組合,使得泥面附近樁的截面出現(xiàn)很高的應(yīng)力。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中,泥面附近某一深度的樁的壁厚稍大一些。同時(shí)可以看出,相同入土深度,傾斜樁的應(yīng)力小于豎直樁。尤其是泥線附近,將豎直樁改為傾斜樁之后,最大應(yīng)力由原來的232 MPa降低到196 MPa,滿足了鋼材的強(qiáng)度要求。
4) 由于極限海洋環(huán)境載荷的水平作用,在兩種群樁的泥面處均會(huì)引起很大的剪力。而且相同入土深度,傾斜樁的剪力小于豎直樁。
5) 深水導(dǎo)管架平臺(tái)的樁腿比較長(zhǎng),斜樁設(shè)計(jì)和施工較為復(fù)雜,工程上還缺乏理論指導(dǎo),會(huì)帶來很大的不便和風(fēng)險(xiǎn)。從力學(xué)性能方面分析,傾斜群樁優(yōu)于豎直群樁。因此,平臺(tái)樁腿設(shè)計(jì)中選用傾斜群樁,更能保證平臺(tái)的服役安全性。
[1] 劉毅,楊樹耕,潘陽,等.水平載荷下群樁效應(yīng)對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)計(jì)算的影響[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2012,41(8):26-29.
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[7] 陳建民,婁敏.海洋平臺(tái)工程[M].東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)出版社,2004:145-197.
Pile-soil Mechanical Analysis of Deep-sea Jacket Platfor min South China Sea
GAO Ping-mei,LI Jun
(Depart ment of Naval Architecture and Ocean Engineering,China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)
Taking Pan Yu 30-1 jacket platf or mas the original model,according to the hydrology and the seabed soil properties of continental shelf in northern South China Sea,the marine environmental l oads wit h the design wave method was designed and pile-soil mechanical analysis of jacket platf or m group piles was conducted.A comparison of mechanical properties was also made including axial force,displacement,stress and shear bet ween the vertical group piles and the 10°inclined gr oup piles,and it was f ound t hat mechanical pr operties of inclined gr oup piles are superior to those of vertical group piles.
jacket platf or m;pile f oundation;mechanics;analy sis
TE952
A
1001-3482(2014)06-0010-04
2014-12-26
高蘋梅(1988-),女,山東淄川人,碩士研究生,主要從事船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造研究工作,E-mail:gaopingmei@126.co m。