韓 亮, 李 春, 王毅恒

(1. 四川輕化工大學(xué), 四川 自貢 643000;2. 中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司, 天津 300451)

0 引言

隔水管是海洋石油鉆井工程中用于隔絕海水的重要設(shè)備,具有高投入、高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)等特點(diǎn)。隔水管大多由鋼質(zhì)材料制成,整體上類似于鋼管樁。通常利用浮吊和液壓錘或柴油錘,以錘擊方式貫入至海底泥面以下較深的土層中。相比于海上其他鋼管樁結(jié)構(gòu),隔水管具有長(zhǎng)徑比更大,泥面以上無(wú)土阻力段更長(zhǎng),管壁厚度更小等突出特征。一般來(lái)講,石油平臺(tái)導(dǎo)管架鋼管樁基礎(chǔ),樁徑2 000～3 000 mm,樁長(zhǎng)80 m以內(nèi)為多,即長(zhǎng)徑比小于50;而淺海隔水管直徑大多小于1 000 mm,長(zhǎng)度接近或超過(guò)100 m,即長(zhǎng)徑比接近或超過(guò)100。隔水管端部持力土層標(biāo)高與鋼管樁相同,使得泥面和水面以上無(wú)土阻力段長(zhǎng)度較長(zhǎng)。此外,鋼管樁壁厚多為50～70 mm,而隔水管壁厚多為20～40 mm,明顯更薄,更易屈服變形。由此可見(jiàn),隔水管處于長(zhǎng)徑比大、無(wú)土阻力段長(zhǎng)且管壁薄等不利于荷載傳遞的狀況。只有隔水管本身結(jié)構(gòu)完好并能充分調(diào)動(dòng)各土層的土阻力時(shí),才能保證提供足夠的豎向抗壓承載力[1-3]。因此,準(zhǔn)確確定隔水管豎向抗壓承載力是海上石油鉆井安全的關(guān)鍵因素之一。

隔水管在淺海域通常被設(shè)計(jì)成管群,由十幾根或更多組成,管間距僅2 000～3 000 mm。由于勘察鉆孔數(shù)量有限,常給隔水管承載力設(shè)計(jì)和計(jì)算帶來(lái)困難,采用動(dòng)力試驗(yàn)法檢測(cè)并確定實(shí)際隔水管豎向抗壓承載力正在逐漸地成為主流。雖然隔水管長(zhǎng)徑比大于鋼管樁,但整體上仍然呈現(xiàn)出一維彈性桿的特征,符合動(dòng)力試驗(yàn)法使用前提[4]。目前,在隔水管動(dòng)力試驗(yàn)檢測(cè)承載力方面的應(yīng)用和研究尚比較少。本文依托某實(shí)際海洋石油鉆井工程,開展了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力試驗(yàn)和波動(dòng)擬合計(jì)算承載力研究,分析連續(xù)錘擊下管土體系動(dòng)力特性及殘余應(yīng)力產(chǎn)生和作用機(jī)理,提出殘余應(yīng)力分析方法。在波動(dòng)擬合承載力中,重點(diǎn)考慮殘余應(yīng)力作用,得到符合實(shí)際受力狀況的土阻力分布和承載力。開展長(zhǎng)徑比超大的隔水管承載力動(dòng)測(cè)分析研究,對(duì)其在海洋石油鉆井工程安全應(yīng)用方面具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 依托工程概況

某大型海洋石油鉆井平臺(tái)工程位于渤海灣西部,管群由16根隔水管組成,管間距呈南北向2 200 mm,東西向2 700 mm。設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn),勘察巖土力學(xué)參數(shù)與附近已建成平臺(tái)相比存在著明顯差異,導(dǎo)致相同管徑、管長(zhǎng)、壁厚和入土深度情況下該工程隔水管豎向承載力明顯偏低。設(shè)計(jì)人員通常會(huì)加大管徑,以達(dá)到與附近平臺(tái)隔水管相當(dāng)?shù)某休d力水平。由于隔水管管壁厚度往往較薄,增大管徑可能帶來(lái)貫入過(guò)程中結(jié)構(gòu)損傷,甚至出現(xiàn)拒錘等風(fēng)險(xiǎn)。為了確定實(shí)際承載力,采用現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力試驗(yàn)法對(duì)4根隔水管開展檢測(cè)和波動(dòng)擬合分析計(jì)算。

1.1 隔水管基本參數(shù)

隔水管直徑:925 mm,管長(zhǎng):102.2 m,長(zhǎng)徑比高達(dá)110.3;入泥深度:80.0 m,從泥面至管頂部的無(wú)土阻力段長(zhǎng)度高達(dá)22.2 m;沿管身壁厚變化,自上而下分為三個(gè)部分,最大值為38 mm,最小值為25 mm。根據(jù)壁厚和彈性模量計(jì)算的有效橫截面積和波阻抗,詳見(jiàn)表1所列。

1.2 土層特征

場(chǎng)地土以淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂等地層為主,10 m以內(nèi)為淤泥質(zhì)土,以下主要為粉質(zhì)黏土和粉土交互出現(xiàn)?？傮w上,土體強(qiáng)度呈上軟下硬狀態(tài)。持力層為粉質(zhì)黏土層。土層分布情況詳列于表2。

1.3 打樁錘參數(shù)

考慮到上部土層軟弱可能引起嚴(yán)重溜樁,先使用振動(dòng)錘將隔水管貫入到泥面以下一定深度后,更換D128型柴油錘繼續(xù)貫入至設(shè)計(jì)深度。柴油錘主要性能指標(biāo)見(jiàn)表3所列。

表3 柴油錘主要性能指標(biāo)Table 3 Main performance indexes of diesel hammer

2 殘余應(yīng)力特性分析

在錘擊作用下,隔水管周邊土體進(jìn)入塑性變形狀態(tài),意味著各層土體摩阻力及其端阻力被充分激發(fā)出來(lái)。管頂附近事先安裝應(yīng)變和加速度傳感器,實(shí)測(cè)連續(xù)錘擊下力和速度時(shí)程曲線。利用實(shí)測(cè)曲線擬合法求解一維波動(dòng)方程,得到符合隔水管實(shí)際受力狀況的側(cè)摩阻力和端阻力,進(jìn)而獲得豎向抗壓承載力[5-8]。

2.1 隔水管殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理

在常規(guī)的波動(dòng)方程計(jì)算中,管土單元采用Smith模型[9-11],它假設(shè):(1)某一錘擊開始時(shí),管土中的力為零;(2)該錘擊結(jié)束時(shí),管體開始回彈,但處于無(wú)應(yīng)力狀態(tài)。這種零初始條件對(duì)于長(zhǎng)徑比小、長(zhǎng)度較短或側(cè)摩阻力小的情況基本正確,但對(duì)于長(zhǎng)徑比過(guò)大隔水管來(lái)說(shuō),在貫入過(guò)程中需要穿越各種土層,側(cè)摩阻力及端土阻力不斷變化,土體最大彈性位移值變化很大。常規(guī)方法分析和計(jì)算承載力的誤差很大。

隔水管在沉管過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生顯著的殘余應(yīng)力,主要原因有兩種情況。其一,通常隔水管端部土體最大彈性位移值大于管側(cè)土最大彈性位移值,在連續(xù)貫入過(guò)程中,某一錘擊作用后,管端土趨向于將管體向上推至一個(gè)相對(duì)長(zhǎng)的距離,使管側(cè)土單元向上運(yùn)動(dòng)。由于最大彈性位移值小,管側(cè)土單元已經(jīng)開始卸載,管側(cè)土阻力首先減小到零,再變成負(fù)值,直到管端向上的正土阻力與管側(cè)向下的負(fù)土阻力達(dá)到靜力平衡。此時(shí),隔水管處于靜止?fàn)顟B(tài)且壓縮力保存在管體和土體中,形成殘余應(yīng)力。該錘擊作用結(jié)束后保留在管體內(nèi)的殘余應(yīng)力對(duì)下一次錘擊作用可作有用功[12]。其二,隔水管具有高彈性,當(dāng)遇到管側(cè)土阻力較高時(shí),也會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。即某一錘擊開始時(shí),由于隔水管彈性較高,上部管體會(huì)強(qiáng)烈向下運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生較大位移,而端部此時(shí)由于較高側(cè)土阻力阻止,導(dǎo)致貫入較小。當(dāng)該錘擊作用結(jié)束時(shí),上部管體試圖回彈較大距離,而管端部回彈較小,則上部管側(cè)土阻力變負(fù),隔水管處于受壓狀態(tài)。當(dāng)下一次錘擊作用時(shí),上部管側(cè)土阻力首先由負(fù)變?yōu)榱?然后再產(chǎn)生向上的正阻力。此時(shí),端阻力因上一次錘擊作用后已經(jīng)處受壓狀態(tài),只需要較小的位移便能發(fā)揮出來(lái)?？梢?jiàn),第一次錘擊作用后,隔水管中就保留有殘余應(yīng)力。

2.2 殘余應(yīng)力分析

殘余應(yīng)力是長(zhǎng)徑比超大的隔水管在錘擊后回彈不充分產(chǎn)生的,部分錘擊能量保存在隔水管體和周邊土體中。由于管體過(guò)長(zhǎng),某一錘擊作用下,應(yīng)力波經(jīng)過(guò)一段時(shí)間傳播引起下部土體壓縮變形時(shí),上部土體已經(jīng)開始卸載。該錘擊后,各個(gè)土單元在殘余應(yīng)力參與下處于靜力平衡狀態(tài)?？梢?jiàn),如果波動(dòng)擬合計(jì)算承載力時(shí)不考慮殘余應(yīng)力,將會(huì)低估下部土阻力和位移,而高估上部土阻力和位移。

殘余應(yīng)力分析就是管土系統(tǒng)完全靜止或達(dá)到靜力平衡狀態(tài)時(shí)找出位移和靜土阻力值。在第一次常規(guī)動(dòng)力分析后,得到一組單元位移ufi和靜阻力值Rfi,如式(1)和(2)所示:

ufi,i=1,2,…,N

(1)

Rfi,i=1,2,…,N+1

(2)

然后,利用這組位移、靜阻力及最大彈性位移值,進(jìn)行靜力分析[13-14]。計(jì)算靜力平衡(即所有速度為零)狀態(tài)下單元位移ui和靜土阻力Rsi。如式(3)所示。靜力分析中,樁土模型表達(dá)式與動(dòng)力分析相同,忽略了阻尼力。

(3)

式中:qi為第i單元最大彈性位移值,單位為mm。

第二次動(dòng)力分析時(shí),把第一次靜力分析的位移和土阻力作為初始值。在動(dòng)力分析后,再進(jìn)行靜力分析。經(jīng)過(guò)3次以上重復(fù)這個(gè)過(guò)程后,把當(dāng)前的管頂位移當(dāng)作貫入度,與前一次分析的貫入度比較。如果貫入度之差小于0.1%時(shí),就終止分析。分析結(jié)束后的各單元土阻力分布更符合實(shí)際受力狀況。

由以上分析可見(jiàn),殘余應(yīng)力分析考慮了隔水管與土體的初始受力條件,可有效地修正在不考慮殘余應(yīng)力時(shí),高估上部土阻力和低估下部土阻力導(dǎo)致的結(jié)果失真,提高了計(jì)算隔水管豎向承載力和應(yīng)力分布狀態(tài)的準(zhǔn)確性。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 動(dòng)力試驗(yàn)分析

利用美國(guó)Pile Dynamic Analyzer分析儀對(duì)4根隔水管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力試驗(yàn),以檢測(cè)并確定其豎向承載力及其應(yīng)力分布狀況。采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情形如圖1所示。無(wú)線智能應(yīng)變和加速度傳感器安裝在管頂以下3.5 m處,傳感器布置如圖2所示。數(shù)據(jù)采集主要集中在收錘階段,獲得連續(xù)錘擊下隔水管力和速度時(shí)程曲線。典型的實(shí)測(cè)曲線如圖3所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情形Fig.1 Field test situation

圖2 傳感器布置Fig.2 Layout of sensors

圖3 典型的實(shí)測(cè)曲線Fig.3 Typical measured curves

實(shí)測(cè)曲線顯示幾個(gè)明顯特征:(1)2L/c(管長(zhǎng)L,波速c)時(shí)刻前速度曲線已經(jīng)為負(fù),說(shuō)明因長(zhǎng)徑比過(guò)大上部土體出現(xiàn)卸載,隔水管及管側(cè)土體中存在殘余應(yīng)力;(2)靠前部分的力和速度曲線基本重合或分開較小,說(shuō)明隔水管淺部受到的土阻力較低;(3)1L/c時(shí)刻之后力與速度曲線逐漸拉開且越往后間距越大,說(shuō)明隔水管中后部受到的土阻力較高;(4)2L/c時(shí)刻端部反射不明顯(但可分辨)且2L/c時(shí)刻之后力與速度曲線分開仍然較大,說(shuō)明隔水管進(jìn)入較好的持力層,端阻力較高;(5)實(shí)測(cè)曲線與管體阻抗剖面相對(duì)應(yīng),表現(xiàn)出隔水管結(jié)構(gòu)無(wú)損傷,完整性良好。

3.2 結(jié)果對(duì)比分析

利用實(shí)測(cè)曲線擬合法分兩種情況計(jì)算隔水管豎向承載力,即常規(guī)的不考慮殘余應(yīng)力和考慮殘余應(yīng)力。各隔水管實(shí)測(cè)曲線和計(jì)算結(jié)果均比較相近,故僅以S1隔水管為例對(duì)比說(shuō)明和分析兩種計(jì)算結(jié)果。圖4為計(jì)算的土阻力分布圖,其中(a)為不考慮殘余應(yīng)力,(b)為考慮殘余應(yīng)力。

通過(guò)對(duì)比以上土阻力分布圖,可以看出考慮殘余應(yīng)力時(shí)在隔水管上部土阻力低于不考慮殘余應(yīng)力結(jié)果,而隔水管下部土阻力高于不考慮殘余應(yīng)力結(jié)果。由土層特征和實(shí)測(cè)力和速度曲線發(fā)揮特征分析,考慮殘余應(yīng)力結(jié)果更加符合管土實(shí)際受力狀況。擬合質(zhì)量MQ(Match Quality,是判定擬合計(jì)算準(zhǔn)確度的指標(biāo),MQ值越小越準(zhǔn)確)在考慮殘余應(yīng)力和不考慮殘余應(yīng)力時(shí),分別為4.31和1.96,可見(jiàn)考慮殘余應(yīng)力的分析結(jié)果更加可靠。

根據(jù)計(jì)算的總靜土阻力、管側(cè)土阻力分布以及端阻力,反演靜載試驗(yàn)Q-s曲線,結(jié)果詳見(jiàn)圖5所示。其中,實(shí)線和虛線分別代表考慮殘余應(yīng)力時(shí)和不考慮殘余應(yīng)力時(shí)計(jì)算的Q-s曲線。結(jié)果表明,考慮殘余應(yīng)力和不考慮殘余應(yīng)力時(shí)隔水管豎向承載力分別為12 680 kN和11 570 kN。顯然,考慮殘余應(yīng)力比不考慮殘余應(yīng)力時(shí)的承載力略高。

根據(jù)土阻力分布、有效橫截面積和波阻抗,計(jì)算隔水管壓應(yīng)力和拉應(yīng)力沿管身的實(shí)際分布狀況。計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)圖6所示,其中,(a)為壓應(yīng)力曲線,(b)為拉應(yīng)力曲線,實(shí)線和虛線分別代表考慮殘余應(yīng)力和不考慮殘余應(yīng)力分析結(jié)果。由圖中可見(jiàn),最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力分別為193 MPa和56 MPa,均在允許應(yīng)力范圍內(nèi),均不會(huì)對(duì)管體造成損傷?？紤]殘余應(yīng)力時(shí)隔水管上部壓應(yīng)力低于不考慮殘余應(yīng)力,下部高于不考慮殘余應(yīng)力;而拉應(yīng)力正好相反,考慮殘余應(yīng)力時(shí)隔水管上部高于不考慮殘余應(yīng)力,下部低于不考慮殘余應(yīng)力。類似地,根據(jù)土層特征和實(shí)測(cè)力和速度曲線發(fā)揮特征分析,考慮殘余應(yīng)力結(jié)果更加符合管土實(shí)際受力狀況。

圖6 計(jì)算的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力曲線Fig.6 Curves of calculated compressive stress and tensile stress

4 結(jié)論與展望

(1) 隔水管具有長(zhǎng)徑比大的突出特征,在連續(xù)錘擊作用下,管體及周邊土體中積聚殘余應(yīng)力,使得整個(gè)管土體系剛度加大。在對(duì)動(dòng)力試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行波動(dòng)擬合計(jì)算時(shí),考慮殘余應(yīng)力可以更加客觀地反映管土的實(shí)際受力狀況,獲得更加準(zhǔn)確的豎向承載力和管體的壓、拉應(yīng)力分布。

(2) 殘余應(yīng)力分析考慮了隔水管與周邊土體的初始受力條件,可以有效地修正在不考慮殘余應(yīng)力時(shí)的高估上部土阻力和低估下部土阻力導(dǎo)致的誤差,提高了承載力計(jì)算的準(zhǔn)確性。工程實(shí)例結(jié)果表明,考慮殘余應(yīng)力時(shí)隔水管承載力略高于不考慮殘余應(yīng)力分析結(jié)果。

(3) 隔水管雖然長(zhǎng)徑比大且壁厚較薄,但從錘擊應(yīng)力波傳遞來(lái)講,整體上仍然呈現(xiàn)一維彈性桿的特征,采用動(dòng)力試驗(yàn)法可有效地檢測(cè)并確定其豎向承載力及其應(yīng)力分布。分析和計(jì)算時(shí),應(yīng)當(dāng)充分考慮隔水管本身結(jié)構(gòu)和動(dòng)力特性,有針對(duì)性地確定或改進(jìn)管土力學(xué)模型及其靜力和動(dòng)力參數(shù)。

(4) 目前,在隔水管動(dòng)力試驗(yàn)檢測(cè)承載力方面的應(yīng)用和研究尚比較少,仍需進(jìn)一步積累寶貴數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn),才能更好地發(fā)揮動(dòng)力檢測(cè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。