于卫红,卓佐泳,吴春美,贾 涛,宫经海
1.太重（天津）滨海重型机械有限公司技术中心,天津 300457
2.国家管网集团天津天然气管道有限责任公司,天津 300457
自升式平台的桩腿桩靴可以插入海底，具有作业稳定性高、对环境条件不敏感、海上有效作业窗口期较长等优点。随着海上油气开发及海上风电的不断发展，自升式平台作为海上油气及海上风电开发的重要装备得到了广泛应用[1]。
自升式平台主要由主船体、桩腿桩靴及升降系统等组成，其中升降系统是自升式平台最关键的部分，直接决定着自升式平台的使用性能。在自升式平台处于或接近完工状态时需进行升降试验，升降试验的主要目的是检验自升式平台已安装好的升降系统（升降装置和升降基础）的操作性能和桩腿结构的尺寸公差控制精度、安装状态等，以保证平台的操作安全可靠。通过试验验证系统安装正确、安全装置可以正常使用、系统功能正常。
升降试验是自升式平台最重要的大型试验之一，面临试验载荷多变、环境条件复杂、海床地质条件未全部可知、人员操作影响等诸多不确定性因素，即面临的试验风险非常高。为保证升降试验的顺利完成，必须对潜在的危险因素进行分析研究，提出可靠的安全应对措施，以确保升降试验的顺利进行。
根据实际作业中存在的正常升降、带载升降、预压载等工况，升降试验主要分为四个阶段。
1.1 阶段1--最大预压载试验
自升式平台在海上完成插桩升船后，要进行预压操作。此阶段可检验平台的最大预压载能力，根据平台压载能力可采用单桩预压或多桩预压方案。试验时平台气隙要大于最大潮高，对平台进行压载直至桩靴的支反力达到平台作业及自存时的最大支反力。保持静止观察，确保地基稳定没有下陷，完成最大预压载试验。
1.2 阶段2--压载升降试验
此阶段可检验在一定的压载状态下升降系统的提升能力。最大预压载试验完成后，泄放部分压载水，重新配载至每个升降齿轮的负荷达到齿轮设定的压载升降能力。平台从适当的气隙状态将船体向上提升约齿轮旋转一周的高度，保持该负荷约15 min，再下降相同的高度。
1.3 阶段3--正常升降试验
此阶段可检验正常工作状态升降系统的工作能力，平台压载到每个升降齿轮的负荷达到齿轮设定的正常升降能力。平台从适当的气隙状态向上提升至平台最大气隙，完成正常升降试验。
1.4 阶段4--全程升降试验
正常升降试验完成后，泄放压载水，调整压载至升降小齿轮达到预定设计能力，船体的重心应位于三个桩腿的形心，保证所有小齿轮受力均匀。准备进行全程升降试验，将主船体升至桩腿最高处合拢焊缝以上，然后下降到约0.5 m的气隙，完成全程升降试验。全程升降试验在升到最高处时仍要保证桩腿有一定的余高，便于某桩腿突发下陷时对船体进行调平。
从目前平台在升降试验中发生的事故来看，试验过程中可能存在以下风险。
（1）升降运动及振动或地基承载力不足导致某条桩腿突然下沉，造成平台大幅倾斜（穿刺）。
（2）地层承载力不均匀，各桩腿的入泥深度相差太大，升降同步性较差。
（3）桩脚入泥过深，导致拔桩异常困难。
上述风险都离不开预压荷载、对地比压、地基承载力及插拔桩能力等的确定，如何准确计算上述因素、真实模拟作业现场的实际环境条件是降低试验风险的重要手段。
2.1 预压荷载
自升式平台在开始作业状态之前应将主船体升离海面并保持与水面较近距离，然后进行预压载操作。预压载的目的是保证平台能够抵御极限恶劣的环境条件，避免造成平台的倾覆和损坏。
预压荷载的准确计算对平台的安全非常重要，结果偏小会导致入泥深度不足引起桩腿的附加贯入，增加平台倾覆或损坏风险；
结果偏大又会导致地基风险增加或入泥过深，拔桩风险增加。预压荷载的计算方法有直接叠加法、准静态法、动力分析法等[2]，本文采用准静态法和动力分析法相结合的方法确定预压荷载，能充分考虑垂向及横向荷载、平台侧向位移产生的附加弯矩及环境荷载产生的动力放大效应等。
2.2 地基承载力
对于自升式平台插桩时的地基承载力，主要是考虑其桩端阻力[3]。码头预定平台插桩处地基承载力计算将依据SY/T 6707—2016《海洋井场调查规范》推荐的承载力公式[4]，即：
式中：Q为地基极限承载力，kN；
A为桩靴的最大承载面积，m2；
γ1为由桩靴排出土的平均有效重度，kN/m3；
V为桩脚排出土的体积，m3；
其中qn的计算方法如下：
（1）对于不排水的黏性土质。
式中：Su为桩靴最大截面以下B/2深度内的平均不排水抗剪强度，kN/m2；
B为桩靴的当量直径，m；
D为桩靴最大入泥深度，m。
（2）对于排水粒状土质。
式中：γ为桩靴以下B/2深度范围内土的平均有效重度，kN/m3；
Nr、Nq为排水粒状土的无量纲承载力系数，据内摩擦角而定；
P0为桩靴端部位置的有效上覆土压力，kN/m2；
qmax为qn的限制值。
2.3 穿刺分析
当一硬黏土层或粒状土层之下潜伏着一层软黏土层时，上下之间承载力的不同可能会存在桩脚穿刺危险。对于这种类型的土质剖面必须进行穿刺分析，通常以合适的穿刺相对安全系数来评价穿刺发生的可能性[5]。
穿刺相对安全系数：Fs=桩靴所处硬土层的最大极限承载力/单桩最大预压荷载。当Fs≥1.5时，此位置是可以适应自升式平台插桩的；
当Fs＜1.5时，只要在软下卧层中计算出的最小安全系数Fs′≥1.2，此位置适合自升式平台插桩。其中Fs′=桩靴所处深度以下软下卧层的最小极限承载力/单桩最大预压荷载。
2.4 拔桩能力评估
自升式平台的拔桩是依靠平台本身过量吃水而产生的上浮力起拔，当平台产生的上浮力F大于总抗拔力R时平台才能够拔起，反之，平台则拔不起。平台拔桩时单桩的抗拔力R主要由以下几方面力组成。
（1）桩脚箱上覆土体的重量P1。
式中：r为插桩深度以上各层土体的浮容重，kN/m3；
H为插桩深度以上各层土体的厚度，m；
B为桩靴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。
式中：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：
式中：C为插桩深度以上各土层内聚力，kPa。
本文以某一自升式平台为研究对象，从预压荷载、对地比压、地基承载力、插桩深度、穿刺风险、拔桩能力等方面对其码头升降试验的安全性进行了系统的分析研究。
3.1 总体参数
平台船体近似为三角形箱型结构，平台首尾设有3个三角形桁架式桩腿，桩腿下端带有桩靴。悬臂梁坐落在平台尾部主甲板上，安装在纵向主龙骨舱壁顶部，生活区呈“V”字形布置于平台首部，前端布设了直升机飞机坪，如图1所示。平台总体技术参数见表1。
图1 自升式平台立面
表1 自升式平台总体技术参数
预压荷载的确定应充分考虑风暴自存工况和正常作业工况，选取最危险工况来计算预压荷载，见表2。
表2 自升式平台最危险工况参数
3.2 预压荷载及对地比压
计算预压荷载时，仅为核算预压荷载及桩靴对地压力等，而非校核主船体结构强度，因此可以合理简化主船体结构[6]。本文将甲板、底板、舷侧板等等效为梁单元，单元特性应能等效反映舱壁、甲板、底板等的刚度，主船体等效梁通常位于型深高度一半位置。分析时充分考虑了以下荷载：第一，自重、可变荷载；
第二，风、浪、流荷载；
第三，动力放大效应（DAF）；
第四，P-Delta效应等荷载，各荷载的计算可参考船级社相关规范[7-8]。为准确模拟桩腿刚度，精确计算P-Delta效应等荷载，桩腿采用详细模型，并依据SNAME规范选取合理的拖曳力系数[9]；
为准确模拟桩腿与船体间的相互作用，桩架导向处采用限制一个平动自由度的约束，在锁紧装置处采用限制一个平动和一个转动自由度的约束，有限元计算模型如图2所示。经有限元分析计算，该自升式平台环境荷载、桩靴反力、对地比压等结果见表3。
图2 自升式平台预压荷载计算模型
表3 荷载、桩靴反力及预压荷载结果
本平台升降试验预压荷载为147 925 kN，因升降试验时甲板可变荷载较小，压载舱全部压满时桩靴对地比压约为39.4 t/m2，压载舱容量无法满足升降试验预压荷载要求，将采取单桩压载的方式进行最大预压载试验。图3给出了不同荷载引起的桩靴支反力，可以看出DAF、P-Delta、风和浪流荷载引起的桩靴反力约占总桩靴反力的30%左右，在评估预压荷载及桩靴对地比压时应重视DAF、P-Delta、风和浪流等荷载的影响。
图3 不同荷载引起的桩靴支反力
3.3 地基承载力及插桩深度
当自升式平台在升降试验预定的位置就位后，桩靴将缓慢插入地基中，当地基极限承载力小于桩靴压力时，桩靴继续向下贯入；
当地基极限承载力大于或等于桩靴施加压力时，桩靴停止贯入，稳定在地层的某一层，此时平台桩靴贯入地基的深度为平台的插桩深度。
为准确评估升降试验处的地基承载力、插桩深度、穿刺风险等，依据工程地质勘察的地基参数，采用SY/T 6707—2016推荐的承载力计算公式，对自升式平台插桩处的地基承载力进行分析，结果如图4所示。在升降试验最大对地比压41.7 t/m2的作用下（不考虑下部软弱层的影响），桩靴入泥深度约5.9～6.4 m。
图4 插桩位置单一土层承载力曲线
3.4 穿刺风险评估
图4中地基力曲线趋于平缓区域，说明地层较稳定，即使桩靴对地压力增大也不会出现入泥深度的明显增加；
曲线陡峭位置说明地层较软，当桩靴对地压力达到其极限压力时会出现桩脚突然下沉。
鉴于地质勘查钻孔揭示的浅部地层10.7～11.8 m土层为粒状土，其下卧11.8～15 m为相对软弱的黏性土层，平台升降试验插桩时桩靴是否存在刺穿危险，需对上述上硬下软的土层剖面进行刺穿计算分析。经计算，当拟建平台单桩满荷载插桩时，对地比压为41.7 t/m2，10.7～11.8 m粒状土层中最大相对刺穿安全系数FS为1.06（＜1.5），其软下卧层最小相对安全系数FS′＜1.2，平台插桩存在刺穿风险，穿刺后地基承载力曲线如图5所示。一旦发生刺穿，桩靴入泥深度可能达12.1 m左右。
图5 插桩位置穿刺分析后承载力曲线
3.5 拔桩能力评估
自升式平台在升降试验位置以满荷载插桩，对地比压达到41.7 t/m2，假设桩靴入泥形成的孔洞被排开土回填，其桩尖入泥深度达6.4 m。依据2.4节的计算方法，其单桩总抗拔力R=P1+F1+F2=13 510+1 280+8 850=23 640 kN。依据自升式平台静水力计算，平台单桩每吃水1 m时可产生的上浮力（上拔力）为11 754 kN/m。因此，当平台入泥深度在6.4 m时需平台过量吃水2.0 m可将平台桩腿拔起。
自升式平台满荷载插桩存在穿刺风险，一旦发生穿刺，平台桩脚尖最大入泥深度达12.7 m，此时其单桩总抗拔力R=P1+F1+F2=25 730+1 160+23 960=50 850 kN，平台需过量吃水4.4 m将平台桩腿拔起。
平台插桩位置水深约13.5 m，平台空船质量约16 000 t，自身吃水约4.4 m，平台自身吃水加上过量吃水深度小于型深且小于水深深度，此平台可满足穿刺前后的拔桩要求，拔桩时可采取分步平稳冲桩或清泥方式降低拔桩阻力。因此当平台存在穿刺风险时，经分析平台拔桩能力充足的情况下，可考虑采用主动穿刺降低风险的方法[10]，即考虑提高平台预压荷载以主动穿刺硬土层，从而达到稳定的承载土层。
本文依托于自升式平台，从预压荷载、对地比压、地基承载力、插桩深度、穿刺风险、拔桩能力等方面对其码头升降试验的安全性进行了系统的分析研究，为后续同船型升降试验的安全性分析提供了参考依据。
本自升式平台码头升降试验最大对地比压41.7 t/m2，存在穿刺风险，为降低穿刺风险，对升降试验给出以下建议。
（1）码头升降试验预压荷载及桩靴对地比压等的估算应重视DAF、P-Delta、风和浪流等荷载的影响。
（2）选择7～8月风小的季节，提前咨询当地气象局获取气象预告，选择具有一周以上持续良好天气的窗口期进行升降试验。
（3）码头升降试验要尽量避开其他平台插桩过的位置，以防蹩坏桩腿。
（4）在插桩过程中应尽可能地保持平台接近水面，建议保持≤1.5 m高度压载，一是防止涨潮淹没船体而降低压载效应，二是一旦某条桩腿地层穿刺船体沉落水面能够提供浮力支持。
（5）建议平台在插桩过程中压载水的增加应缓慢适量，并按顺序采取多级压载方式，以避免因预压载增量过大及压桩速度过快而导致桩腿快速下沉的风险。每次加载后注意观察并加强监测，保持船体平衡，力保桩腿不倾。
猜你喜欢 自升式船体土层 船体行驶过程中的压力监测方法舰船科学技术(2022年20期)2022-11-28土钉喷锚在不同土层的支护应用及效果分析建材发展导向(2022年10期)2022-07-28基于NURBS曲线与曲面光顺理论的船体设计与优化舰船科学技术(2022年11期)2022-07-15基于自升式平台的某海上风电场风机安装施工方案中国水运(2022年4期)2022-04-27自升式钻井平台Aker操作系统应用探讨海洋石油(2021年3期)2021-11-05土层 村与人 下当代陕西(2020年24期)2020-02-01土层——伊当湾志当代陕西(2020年24期)2020-02-01土层 沙与土 上当代陕西(2020年24期)2020-02-01超大型FPSO火炬塔及船体基座设计船舶标准化工程师(2019年4期)2019-07-24自升式平台悬臂梁强度分析与负荷试验研究舰船科学技术(2015年11期)2015-02-27