（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）土壤与地震对自升式钻井平台的作用.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 环境是海洋平台设计过程中要考虑的重要因素，全面研究环境对海洋平台的影响对 于海洋平台的设计开发有重要意义。波浪、海流及风对平台的影响己取得较好的进展， 形成了较完善的理论体系，但土壤和地震对平台的作用研究还比较少，理论还不完善。 本文结合大连理工大学船舶c a d 工程中心承担的“辽河一号”自升式海洋钻井平台设 计项目，对土壤和地震对自升式钻井平台的作用作了一些研究： 在土壤对自升式钻井平台作用方面，根据不同土壤类型和土层结构，结合浅海固 定平台建造与检验规范桩基础承载力计算规范算法和移动式海洋平台桩基础承载力计 算经验算法，对桩基础承载力进行分析计算，比较了两种算法的计算结果，讨论了两种 计算方法的适用性，并分析了海洋平台和土壤相关参数对承载力计算的影响，为桩基础 承载力的计算和平台的设计工作提供理论依据。 在地震对自升式钻井平台作用方面，根据不同场地士类型，结合相关规范要求，选 取相关设计参数，确定平台所承受的地震惯性力、动水压力以及地震作用下的平台最大 位移。同时本文依据建筑规范对地震重现期的理论计算方法，结合美国海洋平台抗震设 计规范，对比分析我国渤海湾地区和美国南加利福尼亚地区地震频度、强度和地震动参 数，对我国海洋平台抗震规范的地震重现期选择作一探讨。 结合论文研究内容，开发了土壤、地震载荷对自升式钻井平台作用的计算程序，实 现相关计算的程序化，并结合程序的设计和用户的应用，对系统性能做出描述。运用该 计算程序进行数据运算，为分析海洋钻井平台和土壤相关参数对桩基础承载力影响提供 大量数据支持。同时该程序具有可扩展性，可以不断完善，从而更加全面计算分析环境 对自升式海洋平台的作用。 关键词：自升式钻井平台：基础承载力；地震载荷；软件开发 李海波：土壤与地震对自升式钻井平台的作用 t h ee f f e c to fe a n h q u a k ea n ds o i lo nj a c l 【u - p a b s t r a c t e n 、，i r o m n e mi n g r e d i e n ti st h ev i t a lo n ec o n s i d e r e di nt h ep r o c e s so fd e s i g n j n go f i 妨o r e p l a t f o 衄s ，s oi ti sm e a l l 血g f i l lf o rt h er d 哩e s e a r c ha n dd e v c l o p m e n t ) o fo 越h o r ep l a t f o 靠n s t ot a k ea 1 1m ee f f c c t so fe n v 打。衄e n tf a c t o r sf u l l yc o n s i d e r e d i n 廿1 i sf i e l d ，i t1 1 a s 鼬m e d c e r t a i na c a d e m i cs v s t e mi nt h ee f r c c t so fw a v e s ，o c e a nc u n 韧ta n dw i n df 0 ro f b h o r e p l a l f o 姗s ，w h i c he v 0 1 v eq l l i c k l y h o w e v e r ，m er e s e 盯c hi i lm ee f f e c t so fs o i la n de 叫h q u a k e i sn o te n o u g h 孤dp e r f e c t t h c r e f o r ei nm ep 印e r ，nm a l ( es o m er e s e a r c hi nt h ei i l n 咖c eo f s o 订a n de a r t h q u a k ef o rt h ej a c k - u p ，w h i c hi sb a s e do nt 1 1 ep r o j e c t “l 认o 王王en o 1 ” j a c k - u p c h a r g e d 、v i ms h i pc a de 孵n e c 血gc c n t e ro f d a h a nu m v e r s i t yo f t e c l l n 0 1 0 9 y a c c o r d i n gt od i f i 打e n ts o i is t y l ea n ds o i l1 a y e rs 扪j c t u r e ，i tp m p o s eap r o p e rm e m o d t o c a l c u l a t et h ef o u n d a t i o nb e a r i n gf o r c ea n de n s u r ec o r r e l a t i v ep a r 黝c t e r si n 也ea s p e c to ft h e i n n u e l l c eo f s o i lf o rm ej a c k u p h ln l ea s p e c to ft h ei i l n u e i l c eo fe a n h q u a k ef o rm ej a c k u p ，o nt h eb a s i so fs o i ls t y l e d i s 砸b u i e dd i f 衔e i l tf i e l d ，na n a l y z et h ef o r c ea n dm o t i o no f p l a t f o 皿sa f f e c t e db ye a n h q u a k e ， a 1 1 dt h e ns e l e c ts o m ec o “e l a t i v ed e s i 鲈血gp a r a m e t e r s ，a t1 a s ta s c c n 血m em a x i m u m d i s p l a c e m e n t ，s e i s i n j ce f 艳c t i v ef o r c e ，f l o w i n gp r e s s l 】r eo f p l a t f b m s t h e r ei sn os e i s m i cd e s i g l lc o d ef o ro 娲h o r ep l a t f b r n l 8i nc l l i n aa n dt l l ec o 姗o n l yu s e d c r i t 鲥o nb yo f f s h o r eo i li n d u s 时i sr p 2 a w s d c hi sb a s e do nt h es e i s m i ch a z a r do f c o a 8 t a lw a t e r so ft h eu n i t e ds t a t e s f o rb o h a is e ai sam a i ns o u r c eo fo f h h o r eo i l 舡l dg a s w h e r es e i s m i c “yi sl l i 曲，t 1 1 e nac o m p 撕s o ni sm a d eb e 御e e nm es e i s 觚c i t yo fb o h a ia n d s o u t t l e mc a l i f b r i l i a o nt h eb a s i so fm ec o n l p a r i s o na n dm ei m p o r t a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i co f o f b h o r c p l a t f o n n ，ap r o p o s i 廿o na b o u ts e i s m i cd e s i g nl e v e li sp u tf o r w a r d a t1 a s tp a r tt h es o 侍w a r ep r o g r a m ：“m ee f 佟c to fe n v i r 0 1 1 m e n tf o rm ej a c k u 矿w a s d e v i s e dw i t hv ba st h et o o l i nw h j c hi n t r o d u c e sh o wt ou s ei tf o ru s e r sa n dt h ed e t a i l i n c a l c u l a c i n g k e yw o r d s ：j a c l 【_ u p ； g r o u n db e a r i n gc a p a c i t y ；e a r t h q u a k e ；s o f t w a r e 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期：童趔型 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 、 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名多奎 导师签名：望丝 曼堡i 年乏月兰生日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 。1 开题背景及理论意义 随着科技、经济和社会的迅猛发展，世界各国对石油、天然气等能源的需求越来越 大，相应地，世界范围内的油气勘探与开发从陆上转向广阔的海洋，本世纪初，海底油 气的产量将会占全世界油气开采量的三分之一左右 1 j 。目前更是从近海浅水区域向世界 各地更为复杂、危险的深海区域发展，并逐渐形成投资高、风险大、高新技术密集的能 源工业新领域。海洋平台作为海洋资源开发的基础性设施，是海上生产和生活的基地。 自上个世纪四十年代后期第一座海洋石油钻采平台在墨西哥湾建成投产以来，在世界不 同海域已建成不同形式的海洋平台l o ，0 0 0 余座【2 。 海洋平台结构复杂、体积庞大、造价昂贵，特别是与陆地结构相比，它所处的海洋 环境十分复杂和恶劣，承受着多种随时间和空间变化的随机载荷，包括风、海浪、海流、 海冰和潮汐作用于结构，同时还受到地震作用的威胁，在此恶劣的环境条件下，环境腐 蚀、海生物附着、地基土冲刷和基础动力软化、材料老化、构件缺陷和机械损伤以及疲 劳和裂纹扩展的损伤积累等不利因素都将导致平台结构构件和整体抗力的衰减、影响结 构的服役安全度和耐久性。由于对海洋环境的复杂性和随机性以及平台结构的损伤积累 和服役安全度认识不充分，历史上曾有多次海洋平台的事故，造成了重大的经济损失和 不良的社会影响。例如，1 9 6 5 年英国北海“d i a m o n d ”号钻井平台支柱拉杆脆性断裂导 致平台沉没；1 9 6 8 年“r o w l a i l 曲o m ”号钻井平台事故；1 9 6 9 年中国渤海2 号平台被海 冰推倒；1 9 8 0 年英国北海e k o f i s k 油田“a l e x a n d e r l 稻e 1 1 a 1 1 d ”号五腿钻井平台发生倾 覆，导致1 2 2 人死亡n 我国北起渤海的辽东湾，南到南海的北部湾，海底油气储藏量十分可观。仅以辽河 滩海勘探区海图水深5 所以内的滩海地区为例，这一区域由陆滩，海滩、潮间带和极浅 海四部分组成。海岸线长约3 4 0 锄，矿产登记面积为3 4 7 5 五矿，其中，陆滩范围7 0 1 | b 矛， 海滩1 0 0 0 砌2 ，潮间带7 3 6 七舻，极浅海1 0 3 8 向矿。实际开展勘探的面积约为2 1 4 1 厅。 辽河油田油气储量丰富，已经探明和控制储量只占资源总量的2 0 ，因此具有广阔的勘 探领域和很大的勘测潜力。但勘探现状是构造带之间勘探程度差异较大，总体勘探程度 较低。目前已投入开发的油田，主要是浅滩部分的笔架岭油田和海南1 、3 块，而海上 的油气至今还未进行规模化开发，已经探明储量长期得不到开发利用，其主要原因是勘 探程度低、资料条件差、地质情况复杂、勘探开发风险较高，究其根源为辽河油田钻井 平台和试采平台少，而外部平台工作量安排比较饱满，除了勘探计划无法按期完成外， 李海波：土壤与地震对自升式钻井平台的作用 租用装备费用也相当昂贵。根据辽河滩海2 0 0 4 年2 0 1 0 年勘探开发总体规划部署，首先 要在勘探上有较大的突破，找到有利接替区块，在开发上要以月东1 块为主体向浅海迈 进，逐渐形成规模化开发，扩大生产能力。按此计划，每年需要钻井5 0 口，平均需要 5 7 座钻井平台。为此要实现滩海资源优势向储量产量转化，利用滩海石油天然气储量 资源，海上装备的有效完善是先决条件。如果没有装备手段，就是有资源、有储量，也 难以形成生产规模。因此建造移动式钻井平台，对实现辽河滩海油气的规模化开发及辽 河油田的可持续发展具有重要的战略意义。 为了开发这些资源，就要在海上建造采油平台，而海洋平台结构设计取值要来自于 复杂的海洋环境条件( 例如海风、海浪、海流、土壤和地震等) 。在海洋开发中，由于环 境设计参数估计偏低，而使全部工程遭到摧毁和破坏的实例是屡见不鲜的，它直接关系 到人民生命财产的安全。反之，若无根据地提高结构的安全系数，过大地提高环境设计 参数的估计量，也会增大工程造价，浪费资源，影响经济效益。g r a l l a m 教授在分析北 海北部海洋工程设计波高时曾提到，在近海工程建设中，只要设计波高多增加3 0 5 饷， 就会增多投资几百万美元。而每个海洋平台的建造费用，少则几千万元，多则达数亿元 以上。因此，为了建造既经济又安全的海洋平台，就必须掌握合理的海洋环境要素的设 计参数，确定合理的平台总体设计方法。 海洋环境条件包括十分广泛的内容，大致可以归为水文、气象、物探、地质、地震、 腐蚀及海生物等七类。它们虽然都会以各自不同的形式对海洋工程结构的工作及安全产 生影响。由于风、海浪和海流对平台影响已经有一定的理论体系支撑，本文将重点研究 土壤和地震对自升式钻井平台的作用。 有了海洋环境要素的设计参数，通过合理的计算方法，就可以为平台结构的设计提 供更精确的依据。实现了结构设计安全与经济的统一，协调了海洋钻井平台结构近期投 资和长远利益。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 海洋环境的研究状况 国际上，海洋环境观测资料在二十世纪六十年代以前除少数岸边水文气象台站，基 本依靠单船走航方式获得，随后依靠多船同步合作，二十世纪九十年代发展成为卫星系 统、飞机、物探船、地面探空站、锚系浮标、飘流浮标构成的立体观测体系进行观测。 卫星遥感的出现，开创了海洋环境观测的新时代【4 。 大连理工大学硕士学位论文 中国近海海洋环境要素的观测历史并不长。解放前中国几乎没有进行海洋环境要素 的观测，海洋环境观测资料是一无所有。新中国成立后，才逐步开展了这方面的工作。 到六十年代中期，我国逐步在近海沿岸和岛屿建立起了气象站和海洋站，进行系统的海 洋气象、水文等要素的观测。1 9 6 4 年国家海洋局成立后，制定了比较完整的观测规范和 资料记录格式。目前，我国已建立了六十五个海洋站，遍布渤海、黄海、东海和南海， 积累了三十多年的历史观测资料。 除了台站开展长期观测外，国际合作的海洋环境调查及国内科研院所开展的专项调 查也进行了海洋环境要素的观测。这部分观测时间较短，观测要素的参数及记录格式也 因研究重点不一样而不同。船舶航行的天气和海况观测是另一个长期观测资料的来源。 但船舶观测基本上是一种随机观测，它主要用来了解航线各处的海况。 真正大规模的海上环境要素观测是始于二十世纪八十年代中期以来的海洋油气资 源的大规模开发。油气田开发海上作业的各个环节，如勘探、钻井过程中都同步进行当 地环境要素的观测，观测长度因作业期而异，一般为2 3 个月；在已建成的平台上，海 洋石油部门开展了有计划的海洋环境要素定点观测。如：在渤海j z 2 0 一2 油田，渤海石油 公司八十年代曾进行了连续八年冬季的风、海流、水温、盐度等要素的密集观测；1 9 9 5 年至1 9 9 6 年，渤海石油公司在b z 2 8 1 油田进行了一整年的风、浪、流的观测，1 9 9 7 年至 1 9 9 8 年又分别在s z 3 6 1 和q k l 8 1 进行了全年观测：1 9 9 6 年在南海西部w 1 2 1 油田进行了 三个月的短期观测，在其它石油开发海域也有短期的环境要素观测。目前，中国海洋石 油总公司已在各海域选择了几个典型的平台安装自动观测站，进行长期观测。 1 2 2 自升式钻井平台在海洋油气勘探开发中的作用与发展状况 第一座自升式钻并平台“德朗1 号”，建于1 9 5 0 年，但到1 9 5 3 年成了一座永久性 的固定式平台。第一座移动自升式钻井平台是1 9 5 4 年建的“滨海5 l 号”。1 9 5 4 年建的 “嘎斯先生i 号”是提升甲板式的自升式平台。1 9 5 5 年建造了第一座三腿自升式钻井平 台“天蝎号”，首次在桁架式桩腿上使用了齿条和齿轮升降系统。1 9 5 6 年滨海公司的 5 4 号钻井平台在桁架式桩腿上使用液压升降系统。1 9 5 7 年建的“嘎斯先生i i 号”开始 用液压升降系统的沉垫支承式装置。1 9 6 7 年建的“德莱塞i 号”开始具有自定位功能。 到1 9 7 4 年移动自升式钻井平台就能在1 0 5 册的水深作业【3 a 在6 0 年代以前，早期的自升式平台采用的是圆柱形桩腿，由液压升降装置控制升 降；另一种桩腿截面形状为三角形或方形的非封闭式结构，由齿轮齿条式升降装黉或插 销式液压升降装置控制升降。到1 9 6 0 年，大约有3 0 座自升式平台在使用中，最大工作 水深约5 0 一6 0 腰。 李海波：土壤与地震对自升式钻井平台的作用 6 0 年代，自升式平台不仅在数量上是以前的4 倍，而且得到了不断的改进。到6 0 年代末，自升式平台的工作水深已达到9 1 4 4 历。在7 0 年代，为了满足全世界勘探的需 要，自升式平台的数量迅速增加。到7 0 年代末期，自升式平台占到移动式钻井装置的 总数的一半。7 0 年代的发展还包括：较大的工作水深( 1 0 6 7 历) ；研制出悬臂梁式平台， 可以悬伸到固定平台上面钻生产井：能经受更恶劣的环境条件；采用了高强度材料制造 桩腿等。 自升式平台在7 0 年代后期已经趋于成熟。应用计算机程序设计出来的平台，其性 能指标已达到高水平。例如，b a k e rm a r i n e 公司下属的e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y a n a l y s i si n c 公司设计的e t a 欧洲级、亚洲级及美洲级自升式平台，其中e t a 美洲级 平台在飓风季节的最大作业水深为1 1 6 历，其他季节为1 3 1 恶钻井深度为9 1 4 4 硒甲板可 变载荷达到5 0 0 0 扩】。 据r i g z 0 n e 网站的介绍【5 ，截止2 0 0 2 年底，全世界共有可移动钻井装置6 5 5 座，主 要在墨西哥湾、西非、北海、拉丁美洲、中东等海域，其中自升式平台3 9 7 座，半潜式 平台1 7 7 座，钻并船9 1 艘。钻井装置的使用率在7 5 左右。 在这些海洋平台当中，2 0 世纪5 0 一6 0 年代建造的自升式钻井平台仍有9 座没有报 废，7 0 年代建造的有1 1 3 座，8 0 年代建造的有2 4 2 座，这2 0 年建造的自升式平台的数 量占目前总数的9 0 ，是自升式平台建造的黄金时间，当然现在这些平台大都进行了升 级改造，在海洋钻井业中占主导地位。9 0 年代建造了1 7 座自升式钻井平台，进入2 l 世纪仍建造了1 2 座，目前还有6 座正在建造中。 随着平台的优化设计，泥浆泵性能、钻机绞车能力的提高及上世纪8 0 年代初开发 成功的顶部驱动的应用，海上可移动装置的钻井深度得到大幅度提升。世界范围内自升 式钻井平台有1 6 2 座装有7 6 2 沏钻深的钻机。 自升式钻井平台由于桩腿长度的限制，工作水深也不可能很深。从现有资料可看出， 世界范围有3 l 座自升式钻井平台工作水深达到1 0 0 埘以上，其他的工作水深基本上在 1 0 0 历以内。 自升式钻井平台有1 0 4 座可变载荷超2 0 0 0 乙其中2 9 座达3 0 0 0 ，r o w a ng o r i l l av i i 号达6 7 7 1 f 。 大连理工大学硕士学位论文 图l t l自升式钻井平台远景 f l g ，1 - 1 d i s t a n tv i e wo f j a c k u p 我国海上油田的勘探开发起步于7 0 年代，经过二十多年的探索和努力，建成了渤海 湾油田、东海气田和南海油田等三个初具规模的海上油田，在这些海上油田的勘探、开 发过程中，大多数使用了自升式钻井平台。尤其是渤海湾油田，水深范围和地质条件特 别适合自升式平台，该油田海上钻井和修井作业主要依靠自升式钻井平台来完成。目前， 我国共有2 0 多座自升式平台，占我国移动式平台的7 0 以上。由此可见，自升式平台在 我国海上油田的勘探开发中，发挥了重要作用，占据着非常重要的地位。 我国自上个世纪七十年代开始使用的自升式平台，有两部分，一部分自行设计、建 造，部分从国外引进，三十多年来，尽管积累了许多宝贵的实践经验，但在基础研究、 设计、建造工艺、检验和使用等方面经验并不多，总体距国外水平还存有一定差距。近 年来，部分高等院校设计研究和建造海上平台的技术人员已经形成一支技术队伍，大连 理工大学为中石油辽河油田设计了“辽河一号”自升式海洋钻井平台，研发了海洋平台 程序设计系统，在平台设计方面取得进展。国内各建造单位也形成了一定的建造能力， 有部分厂家已经为国外公司建造大型海洋平台，我国自升式钻井平台设计建造上将有更 新的发展。 1 2 3 海洋环境对自升式钻井平台影响的研究状况 风、海浪和海流对平台影响已经有了较深入的研究，并已经形成定的理论体系， 在规范中已经形成较完整的计算方法。 结构土相互作用的研究，最早源于r e i s s n e r ( 1 9 3 6 ) 关于弹性半空间表面刚性圆形 基础振动的研究，二十世纪五十年代，许多研究者获得了圆形和矩形基础在应力边界条 件下的平移旋转和扭转振动的瞬态和稳态解析解；到六十年代中期，p a 髓e l e e 初步揭示 李海波：土壤与地震对自升式钻井平台的作用 了惯性动力相互作用的基本规律；七十年代以前关于土结构相互作用的研究主要以机 械基础作为研究对象，将基础简化为刚性无质量体系研究地基的动力阻抗特性，研究方 法多以获得一定边值条件下的解析法为主。七十年代以后，土结构相互作用的研究迅 速发展，其主要特点表现在数值离散方法、分析方法及考虑地震动的输入。我国近年来 郑忠双等人对土壤与平台的作用关系有一些分析【6 ”。 地震对海洋自升式钻井平台的影响研究较少，需要参考其它工程结构地震反应理 论。目前在工程上求解结构地震反应的方法大致可分为两类。一类为拟静力方法，或称 为等效荷载法，即通过反应谱理论将地震对结构物进行内力及位移计算。另一类为直接 动力分析。即对动力方程进行直接积分，求出结构反应与时间变化的关系，得出所谓的 时程曲线，此方法称为时程分析法。迄今为止，在对结构进行抗震分析的各种方法中， 均未考虑局部效应问题。当应用协调质量阵和刚度阵求解动力响应时，不仅动位移，转 角能满足计算精度，而且在考虑了局部动力响应后，可以使动内力获得很高的精度。庄 一舟、张立福等对地震对海洋平台的影响做了研究 8 _ 9 ，可为本论文的展开提供借鉴。 1 3 论文主要内容及章节安排 全方共分为六章： 第一章主要阐述论文的开题背景和理论意义及国内外在环境对自升式平台影响方 面的研究状况，为全文的展开打下理论基础； 第二章讨论固定平台规范对桩基础承载力的计算方法和移动平台经验算法。由于移 动平台规范没有桩基础承载力的计算方法，本章通过固定平台规范算法和移动平台经验 算法，结合大连理工大学船舶c a d 工程中心设计的“辽河一号”自升式钻井平台相关 数据进行计算； 第三章考虑海底土为多层土交叠状态的桩基承载力计算。这种层状地基土的承载能 力计算和分析比单一土层要复杂许多，承载能力分析要考虑到持力层范围内所有土层的 性状。遇到上硬下软的海底层状地基时，地基的承载能力往往取决于下部软层。所以 需要用适合的方法对桩基础进行校核，在本章中介绍三种方法的适用范围和具体应用： 第四章通过变化土壤和平台相关设计参数，分析这些参数对桩基础承载力的影响， 总结规律，为桩基础承载力的计算和平台的设计工作提供理论依据； 第五章从地震的基本概念和地震响应谱曲线展开，根据规范的要求计算平台地震惯 性力和动水压力，并通过平台运动方程计算的平台沿主轴方向位移响应，求解平台地震 大连理工大学硕士学位论文 影响下最大位移；结合我国建筑抗震设计规范地震重现期的选定方法及美国海洋石 油行业抗震规范( a p ir p 2 a _ w s d ) ，对我国海洋平台抗震规范的地震重现期作一研究； 第六章介绍根据论文内容编写的土壤和地震对自升式钻井平台影响计算程序。分析 程序特点及功能，介绍程序模块结构，程序数据流程，结合大连理工大学船舶c a d 工 程中心承担的“辽河一号”自升式海洋钻井平台项目相关数据进行计算，为第四章分析 海洋钻井平台和土壤相关参数对桩基础承载力影响提提供了大量数据支持。 李海波：土壤与地震对自升式钻井平台的作用 2 海洋平台桩基础极限承载力计算 桩基础是目前海洋工程中应用最为广泛的一种基础型式，在海洋环境中桩基有着与 陆地上不同的特点。首先，海洋工程中桩一般较长，最长的可达几百米；其次，海洋工 程中的桩基往往要承受很大的水平荷载。由于这些特点使海工中的桩基从设计计算到现 场施工都比陆地上桩基更为复杂，同时也存在着更多尚需研究探讨的问题。 桩基可由单桩构成，但绝大多数情况下是由多根桩组成的群桩。设置桩基的目的是 为了承受轴向与横向的荷载，桩通过桩侧摩阻力和桩端阻力将上部的轴向荷载传递到深 部土层或岩层，因而，桩的轴向承载力与桩所穿过的整个土层和桩底持力层的性质、桩 的外形和尺寸密切相关。而桩所承受的横向荷载则通过桩身传给侧向土体，其横向承载 力同桩侧土的抗力系数、桩身的抗弯刚度与强度密切相关。因而对于海洋工程而言，在 桩的轴向承载力的计算上也有着自己的特点，而桩的横向承载力同样至关重要。 桩的轴向承载力的计算在计算桩的轴向承载力时，要考虑桩基在轴向荷载的作用下 的两种破坏可能，一是由于桩的承载能力不足造成的；二是由于桩本身强度不足造成的。 因此桩基的容许承载力应分别按这两种情况确定，以其中较小者作为设计依据。 大多数自升式平台桩腿底端安装了大桩靴，为安全、稳定地工作提供足够的支撑， 而支撑桩靴的海底地基须有足够的承载能力，才能保证稳定地支撑。 在计算桩的轴向承载力时，要考虑桩基在轴向荷载的作用下的两种破坏可能，一是 由于桩的承载能力不足造成的：二是由于桩本身强度不足造成的。本文研究土壤对平台 的影响则考虑承载能力方面的问题。 2 1 固定式海洋平台桩基础承载力计算 我国现行关于移动平台规范中【l ，没有明确的桩基承载力计算方法。在研究桩基承 载力的计算时，通过研究分析固定平台和移动平台桩基承载力各种计算方法，为移动平 台桩基承载力计算提供一些帮助。 2 1 1 桩基承载力计算方法 我国浅海固定平台建造与检验规范刈中关于桩的极限承载力计算时，桩的轴向 承载力一般由两部分组成：一部分是由桩侧摩擦力提供的，一部分是由桩端阻力提供的。 桩的轴向承载力的计算公式可以表示为如下的形式： q 2 q ，+ g = z 如+ 佴 ( 2 1 ) 式中：q ，作用于桩外侧的总摩阻力，盘； 大连理工大学硕士学位论文 q 。桩下端总支撑力，觅； ，：第f 层土的单位面积侧摩阻力，七阳； 爿。第f 层土中的桩侧面积，柳2 ； 口单位面积桩尖阻力，盘砌； “。桩端总面积，m 2 。 在计算过程中，针对不同土质，和g 和取值是不同的。 ( 1 ) 粘士中桩的单位面积侧摩阻力厂和单位面积桩尖阻力g 按下列选取： 粘性土中桩的单位面积侧摩阻力厂可按式( 2 2 ) 计算： ，= 盘c 七p ( 2 2 ) 式中：口系数，n 1 0 ； c 不排水抗剪强度，晟心。 系数a 可按下式计算： 当妒1 o 时，d = o 5 一o 5 当 1 o 时，口= 0 5 一o 2 5 式中：妒= 风 ，。相同的点上有效上覆土压力，肼k 。 粘性土中的单位面积桩尖阻力玎取桩尖处土的不排水抗剪强度c 的9 倍。 ( 2 ) 砂性土中的单位面积侧摩阻力厂和单位面积桩尖阻力q 按下列选取： 砂性土中的单位面积侧摩阻力厂可按式( 2 3 ) 计算： 厂= 后o p o 增占( 2 3 ) 式中：土层的侧压力系数( 水平与垂向有效正应力之比) ，一般为0 5 1 o ； p 。计算点的有效上覆土压力，七砌； 占桩土间摩擦角( 度) ，可参考表2 1 选用。 表2 1 桩土间摩擦角 t a b 2 1 f r i c t i o n 姐百eb e t e e e np i l e 蚴ds o i l 李海波：土壤与地震对自升式钻井平台的作用 注1 ) 此表值用于密一一密实的砂性土； 2 ) 此表给出的设计参数仅作为指导性原则，如果通过诸如现场圆锥试验，高质量土样的强度试验、 模型试验或打桩性能试验能取得资料，则有理由取其它数值； 3 ) 砂质粉土是那些含有大量砂粒和粉粒的土，它的强度一般随砂粒含量的增加而提高，随粉粒含量 的增加而降低。 对于非堵塞的开口打入管桩，在拉伸和压缩载荷下通常取鲧为0 8 ，对于充分挤土 的桩( 形成土塞或桩端封闭) ，砾取l 。0 。对于长桩，厂值并不是象上式中所计算的那 样，随着上覆压力线形的无限制增长，在这种情况下，宜采用表2 1 所给的极限值。 砂性土中的单位面积桩尖阻力g 可按式( 2 4 ) 计算： g 。刖k( 2 4 ) 式中：m 阻力系数，可参考表2 1 选用。 在分层土中，当与桩尖所处土层相邻近的土层是软土层时，则桩尖在所处土层中的 贯入尝试应为2 3 倍桩径，并且桩尖离该土层认底线约3 倍桩径，以防桩尖刺入软土层。 如果达不到上述要求，则对桩尖阻力应作修正。 2 1 2 桩基承载力计算实例分析 以大连理工大学船舶c a d 工程中心设计的“辽河一号”自升式海洋钻并平台为算 例，平台相关参数桩腿直径3 m 、桩脚直径8 州、桩脚箱最大面积5 3 聊2 、桩脚箱体积1 1 3 m 3 和最大预压力3 0 0 0 f ，导入渤海湾“海南2 4 ”井土壤参数。 表2 2 “海南2 4 ”井土壤参数 t a b 2 2 s o i l - p r o f i l ec h 且r a c r e r r i s t i c so f h a i n a nn o 2 4 以固定平台桩基承载力计算结果如表2 3 所示： 参照平台最大预压力3 0 0 0 f ，得实际插桩深度1 0 8 m 。插桩深度与承载力关系曲线如 图2 1 所示。 大连理工大学硕士学位论文 表2 3 “辽河一号”自升式海洋钻井平台“海南2 4 ”井桩基承载力计算结果 t a b 2 3 g r o u l l d b e a 血培c a p a c i t yr c s u i t 访h a i 啪n o 2 4o f i i a o h e n o 1 罐。s o o o 蓁。o o o o 力2 5 0 0 0 t2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 o 0 桩腿入泥深度( ) 图2 1 “辽河一号”自升式海洋钻井平台“海南2 4 ”井桩基承载力曲线 f i g 2 1g r 0 l i l db e a 血g 。a p a c 毋c l l f v ei i lh a i n 觚n o 2 40 f l i a 曲en o 1 2 2 移动式海洋平台桩基础承载力计算 移动式钻井平台在我国海上油气勘探开发中使用广泛。对于海上某一预定钻井位 置，钻井平台桩靴插人深度的计算是分析插桩压力是否满足基底土极限承载力要求的问 题。对移动式钻井平台地基土极限承载力的计算，目前在我国还没有统一规范，在实际 工作中，一般采用国外提出的针对不同类型土的极限承载力简化计算式计算。在近= 十 年的使用过程中，利用这些公式计算的平台插桩深度与实际插桩深度基本相符；但由于 作业区不同，土质不同，地区经验不同，某些土试验参数的确定，计算参数的选取，应 用计算公式时限制条件的选择等，对计算结果影响较大。本节对几种不同土质的极限承 载力计算方法进行一个归纳【”。】： 李海波：土壤与地震对自升式钻井平台的作用 2 2 1 粘性桩靴土的极限承载力计算方法 对于粘性土，一般按桩靴插入土中所产生的孔及孔壁是否崩塌分为土的回填和非回 填两种情况。 对于回填情况，土的极限承载力用( 2 5 ) 式计算： f = 4 | c + ) ，矿 ( 2 5 ) 其中， = 6 ( 1 + o 2 6 ) 式中：f 土的极限承载力，惫； 4 桩靴面积，m 2 ： 桩靴埋深，小： 6 桩靴宽度，所； 二承载力因子； f 。桩靴埋深以下土的平均不排水抗剪强度，觑v m ； y 桩靴所排开的土的有效容重，忌研一； 矿桩靴排开的土体积，m 3 。 对于非回填情况，土的极限承载力则用式( 2 6 ) 计算： f = 爿( c f s + y 矿) ( 2 6 ) 式中： ，桩靴埋深以上土的平均有效容重，危m 3 2 ，22 砂土桩靴土的极限承载力计算方法 砂土桩靴土的极限承载力用式( 2 7 ) 计算； f = 4 l o _ 3 缎+ 吒 ( 0 一1 ) j + y 7 矿 ( 2 7 ) 式中： ( + 叫2 ) 士的平均浮容重，w - 珑- 3 ； 以桩靴埋深以上土的浮容重，盘掰一； m 、圯基于土有效内摩擦角p 的承载力系数； ，桩靴所排开士的平均有效浮容重，觅m 。 2 2 。3 粉土桩靴土的极限承载力计算方法 粉土上的桩靴土的极限承载力计算没有固定的公式，其插桩深度分析根据桩靴插人 期间土的排水属性估计，分别按砂土上的桩靴计算方法或粘性土上的桩靴计算方法进行 计算。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 4 桩基承载力计算实例分析 以大连理工大学船舶c a d 工程中心设计的“辽河一号”自升式海洋钻井平台为算 例，平台相关参数桩腿宣径3 眠桩脚直径8 珊、桩脚最大面积5 3 辫2 、桩脚箱体积n 3 和最大预压力3 0 0 0 f ，导入表2 4 渤海湾“海南2 4 ”土壤参数，以移动平台经验算法桩 基承载力计算结果如表2 5 所示： 表2 4 “海南2 4 ”井土壤参数 t a b 2 4s o i l - p r o f i l ec h a r a c 埘一s t i c so f h a i n a n n o 2 4 土层土层性状描述插桩深度( m )桩基承载力( t ) 根据计算结果绘制的承载力曲线如图2 ，2 所示。 参照平台最大预压力3 0 0 0 f ，在计算插桩深度2 9 珑处，得承载力为3 0 5 ，但这个位 置的承载力虽然满足要求，但由于这一土层下有一个承载力极低的软弱下卧层，这一土 层不能作为持力土层，具体校核方法将在下一章介绍。根据计算结果得实际插桩深度 1 0 8 m 。 摇3 5 0 0 0 霎 3 0 0 0 0 力 2 5 0 0 0 一 2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 1 82 12 42 7 桩腿入泥深度( m ) 图2 2 “辽河一号”自升式海洋钻井平台“海南2 4 ”井桩基承载力曲线 f 培2 2g r o i l n d b e a 血gc a p a c i c yc u r v e i 工l h a i n a n n o 2 4o f l i a o h e n o 1 1 4 大连理工大学硕士学位论文 3 自升式平台在层状地基上承载能力及穿透可能性分析 独立桩腿自升式平台桩腿底端大多安装了大桩靴，为安全、稳定地工作提供足够的 支撑，而支撑桩靴的海底地基须有足够的承载能力，才能保证稳定地支撑。 海底土常为多层土交叠状态，这种层状地基土的承载能力计算和分析比单一土层要 复杂许多，承载能力分析要考虑到持力层范围内所有土层的性状。遇到上硬下软的海底 层状地基时，地基的承载能力往往取决于下部软土层，并与硬土层的厚度及上、下层的 相对强度有关。如果承载力不够，可能发生桩靴穿透上部硬层，突然下陷。如果软土层 较厚，桩靴快速下降深度较大，就会造成自升式平台严重倾斜，发生桩腿或升降装置严 重损坏的危险事故。 3 1 一般层状地基承载能力计算 大多数的层状地基可简化为双层地基，或者硬土层覆盖软土层，或者软土层覆盖硬 土层。 3 1 1 当双层地基都是粘土时的计算方法 双层粘土的情况可以使用b r o 、釉和m e y e r h o p s 【2 卜2 2 1 方法，该方法适用于上软下硬或 上硬下软这两种情况，桩靴都处于双层地基的上层土中。这种状态下地基的承载能力不 能仅仅考虑上层土的性状，还要考虑下层土的性状对承载能力的影响。具体计算公式为 ( 3 1 ) 式： 吼= 鼠，：。 ( 3 1 ) 式中：。承载能力因素，与最。最、彬6 有关； ，上层土的剪切强度，a 屁阮： 下层土的剪切强度，a 统阮。考虑到土的强度与深度的关系，通常位 于桩靴最宽处以下1 26 2 36 ； 上层土的厚度，埘； 6 桩靴的宽度，埘。 上软下硬的地基，承载能力高于单一土层为上层土的承载能力。上硬下软的地基， 承载能力低于单一土层为上层土的承载能力。 李海波：土壤与地震对自升式钻井平台的作用 3 1 2 一层为粘土一层为非粘陛土地基时的计算方法 如果双层土或多层土中的其中一层为粒状土时，可以用等效的方法将粒状土换算出 当量粘性土剪切强度，再用b r o w n 和m e 灿f s 公式计算承载力瞄“。具体换算公式： 1 去，矾? = 成 ( 3 2 ) 上 式中：，粒桩土的有效容重，怂3 ； _ 粒桩土的承载能力因素； m 等效粘土层的承载能力因素。 通过上式计算获得的咒是非粘性土的等效粘土层的剪切强度。 3 1 3 当双层地基上软下硬，桩靴一部分落在硬层上时的计算方法 当上层土的承载能力较小，不足以承载桩靴，使桩靴一部分落在硬层上，一部分处 于软土层中。可分别计算上层土部分和下层土部分的承载能力。 3 2 硬壳层情况下地基承载能力的计算分析方法 海底土时常遇到这样一种层状地基情况，上层土的强度大，而厚度小，下层土强度 小，而厚度大，有时软土层的承载能力比上层土小得多，这种海底地基通常称为“硬壳 层”。我国渤海湾等海域会遇到“硬壳层”下有很厚一层软弱的淤泥质土层。在这种地 基条件下，仅仅满足上层土的强度要求是不够的，必须详细校核软土层的承载能力。 强度较低的软土层称为软弱下卧层，其对地基承载力有重要的影响，往往起着决定 性作用。 理论上考虑软弱下卧层影响的方法有两种，一种是先验算上部硬壳层的承载能力， 再验算软弱下卧层的强度，这也是建筑地基基础设计规范推荐的方法【”j ；另一种是 考虑软弱下卧层对整个地基承载力的影响，验算双层地基承载力。前一种方法比较实用， 后一种方法比较全面，但在工程设计中，应用后一种方法还需要进行研究，对某些参数 的取法作出规定。 3 2 1 建筑地基基础设计规范推荐方法 这种方法将基底的压力扩散到软弱下卧层的顶面，然后校核在软弱下卧层的顶面处 的应力是否小于软弱下卧层的承载力。方法的适用条件是：上层土与软弱下卧层的压缩 模量比值大于或等于3 时。 建筑地基基础设计规范规定，当地基受力范围内有软弱下卧层时，应按下式计 算： 大连理工大学硕士学位论文 盯：+ 吒正 ( 3 3 ) 式中：仃软弱下卧层的顶面处的附加应力设计值，忘砌； 矿，软弱下卧层的顶面处土的自重应力标准值，乇阮； f 软弱下卧层的顶面处经深度修正后的地基承载力设计值，七阮。 如果满足式( 3 3 1 ，则承载能力满足要求，此处海底地基可以作业；如果不满足式 ( 3 3 ) ，则该处海底不适合作业。如果在桩靴设计阶段计算时不满足上述条件，可采用扩 大桩靴底面积降低基底压力的方法( 见图3 1 ) 。 心。 桩靴 心 露 + + + + + + i + z 上部硬层 ，儿l l 儿儿儿i ，儿 ，j r 上， z t a n 6 和， z t a n 目软弱下卧层 图3 1建筑地基基础设计规范方法地基破坏示意图 f i g 3 1 g r o u n db e a r i n gc a p a c i t yc h e c kd j 碰乒a mb yb u i l d i n gc o d e 作用在桩靴底面处的附加压力异= p t ，以扩散角8 向下传递，均匀地分布在下 卧层上。根据扩散后作用在下卧层顶面处的合力与扩散前在基底处的合力相等的条件， 即： b 4 = a ： ( 3 4 ) 式中：彳基底底面积，埘2 ； 爿7 基底底面积以扩散到下卧层顶面处的面积，。 从而可