黄 勇张振禹陈新勇邢永超

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院; 2.东北特钢集团大连特种钢材料检测公司; 3.中国石油渤海钻探工程有限公司)

海洋石油桩基平台射流辅助沉桩实验*

黄 勇1张振禹2陈新勇3邢永超1

(1.中国石油大学(华东)石油工程学院; 2.东北特钢集团大连特种钢材料检测公司; 3.中国石油渤海钻探工程有限公司)

针对海上沉桩施工中容易出现的停锤后打桩困难甚至拒锤现象,提出了高压水射流辅助沉桩的技术设想,并设计了海洋石油桩基平台射流辅助沉桩模型实验装置。通过该实验装置测试了6种不同形状喷嘴产生的射流对土塞表面的作用力,并对土体内应力分布状态进行数值模拟实验,得到了6种喷嘴射流作用下土体内的最大应力和最小应力,验证了模型实验结果。海洋石油桩基平台桩基建设过程中,采用高压水射流辅助沉桩提高桩基建设效率是完全可行的。等变速型喷嘴有限喷距最长,作用在土塞表面中心处的压力也最大。研究结果为海洋石油桩基平台射流辅助沉桩原理样机试制提供了重要依据。

海洋石油桩基平台;高压水射流;辅助沉桩;数值模拟实验;模型实验

随着海洋油气资源开发力度的不断加大,设计和建造石油平台桩基已成为海洋工程中一个重大科技挑战[1-2]。海上沉桩施工远比地面沉桩施工复杂,经常会由于天气条件、船只调度、更换打桩锤等原因,造成桩不能连续贯入到设计深度而出现停锤现象[3-4]。停锤少则几小时多则几天甚至几周,连续打桩时桩周一定范围内土体的强度会得以恢复,造成后继沉桩施工困难,甚至出现拒锤现象[5],使桩贯入度和桩基承载力均不能达到标准要求[6-7]。为了保证海洋工程安全,需要采取辅助动力沉桩方法,使桩达到标准贯入深度。

高压水射流技术目前已广泛应用于切割、清洗、钻井、破碎、研磨等作业[8]。水射流技术在海洋石油工业中也展现出了广泛的应用前景。本文提出的高压水射流辅助沉桩技术,是一种专门针对上述问题辅助动力沉桩,使桩达到标准贯入深度的沉桩技术,而实验是开展相应研究的必要手段。利用针对本次研究专门设计的海洋石油桩基平台射流辅助沉桩模型实验装置,开展了6种形状喷嘴产生的射流对土塞表面作用力的实验研究,并借助数值模拟实验对模型实验结果进行验证,探寻高压水射流辅助沉桩技术的可行性,同时研究结果可为海洋石油桩基平台射流辅助沉桩原理样机的试制提供重要理论和实验依据。

1 射流辅助沉桩原理

海洋桩基平台射流辅助动力沉桩是一个涉及到动力学、水力学、结构力学以及土力学等多学科领域的综合性研究课题,其原理是采用高压水射流将桩端土层扰动,破除“土塞”、降低地层强度,并利用锤击等技术手段使桩快速下沉直至设计深度,同时将冲动后的桩前土由回流带出地面而成孔,停水后,桩周土体沉降,固结在桩周围,使桩牢固埋在土中。冲孔和沉桩同时进行,边冲孔边沉桩,因为高压水的喷射力很强,各种土体都能很快被松动。除较大的粗砂、砾石留在孔底外,一般土体颗粒都能被回水冲出地面。

2 模型实验准备

海洋石油桩基平台射流辅助沉桩模型实验装置如图1所示,主要包括试验箱、导向架、模拟桩、桩头保护器等。

图1 海洋石油桩基平台射流辅助沉桩模型实验装置示意图

2.1 土体强度分析

在停锤阶段,连续打桩时产生的超静孔隙水压力消散,土体强度逐渐恢复[9-11]。根据有效应力原理,打桩施工前土中原有应力为

式(1)中:σ为总应力;σ′为有效应力;u0为初始孔隙水压力。此时土体强度为

打桩施工过程中土中应力为

式(3)中:u为超静孔隙水压力。此时土体强度为

由式(4)可知,超静孔隙水压力的出现会使土体强度有所降低。打桩间歇后,土中的超静孔隙水压力部分转化为有效应力

此时土体强度为

式(5)与式(6)中:ξ为超静孔隙水压力转化为有效应力的比例,一般取值为0.5～1.0[3]。由式(6)可知超静孔隙水压力的消散会使土体强度提高,故后继沉桩施工困难,甚至出现拒锤现象。所以实验关键是停锤周期后土体力学性质的模拟。

2.2 土层模拟

实验箱的三壁都布置好土工织布,而观察窗内侧自上而下悬挂塑料薄膜以模拟边界在垂直方向不受约束。模拟土倒入箱内后,捣实并均匀,不让土中留有明显的空洞。当土加到既定高度后,再铺上一层土工织布,并在上面压一些砝码和砖块。这样,让模拟土在双向排水路径下固结61 d,直至表面平整,透过玻璃看不见界面处有明显孔洞。固结工作结束后,先关闭箱底排水阀,然后在实验箱中注入一定量的水使土体达到饱和并静置12 d,使已被压缩为超固结状态的实验土回弹至一种稳定状态,此后即可进行各项实验测试。

3 模型实验测试

实验箱内填土1.3 m,水深0.1 m。采用半圆桩,沿观察窗内壁打入,打入深度1 m,每打入0.25 m停顿一次,再利用水射流对桩内土塞进行破坏。射流作用到土塞表面后发生偏转,沿土塞表面向两侧流动,最终沿两侧壁上返。实验采用椭圆喷嘴(代号1)、圆弧喷嘴(代号2)、双圆弧喷嘴(代号3)、锥形喷嘴(代号4)、流线型喷嘴(代号5)和等变速喷嘴(代号6)等6种喷嘴,选取喷嘴直径0.01 m、注入水压30 MPa、喷距0.2 m,对比不同喷嘴产生的射流对土塞表面的作用力。土塞表面中心作用力的实验结果见表1。

表1 射流作用在土塞表面中心处的压力

由实验结果可知,在相同注入水压条件下,等变速型喷嘴作用在土塞表面中心处的压力最大,表明等变速型喷嘴的有限喷距最长,其结构有利于射流能量的集中。因此,采用等变速喷嘴产生的射流辅助动力沉桩,桩基建设效率提高较大。

4 数值模拟实验

根据前面6种喷嘴产生不同形式射流的模型实验结果,研究射流压力作用下土塞内部的应力变化。在土塞内部取宽300 mm,深500 mm的土体作为研究对象。射流各点速度不同,冲击地面后,产生的冲击压力具有不均匀性,如图2所示。

根据6种喷嘴产生的不同射流对土塞表面中心的作用力,在土体上表面施加一个非均布荷载,土体两侧施加垂直于轴线方向的约束,在底面施加固定约束,划分网格后计算,CFD数值模拟实验结果如图3所示。

图2 射流作用土体冲击压力不均匀性示意图

图3 不同射流对土塞作用力数值模拟结果

对比土体内应力分布状态计算结果:由于射流轴线上速度最高,位于射流轴线上的土体内出现一个高应力的应力核,应力核呈近似同心圆形扩散,应力逐渐减小;在应力核两侧靠近壁面的位置出现2个低应力区,这是由于两侧受射流压力较小;随深度增加土体内应力减小。根据数值模拟结果绘制出6种喷嘴产生射流作用于土体,土体内最大应力和最小应力变化曲线(图4)。

图4 不同射流作用下土体内最大应力和最小应力

对比6种喷嘴射流作用下土体内的最大应力和最小应力,应力的变化趋势基本相同,其中锥形喷嘴的应力最小,等变速喷嘴的应力最大,与模型实验结果基本吻合,为海洋石油桩基平台射流辅助沉桩原理样机采用等变速喷嘴试制提供了重要依据。

5 结论

1)开展海洋石油桩基平台射流辅助沉桩模型实验,测试6种喷嘴产生的不同形式射流对土塞表面中心处的作用力,等变速型喷嘴在土塞表面中心作用力最大,进而说明其有限喷距最长。

2)借助CFD数值模拟对土体内应力分布状态进行实验,对比6种喷嘴射流作用下土体内的最大应力和最小应力,与模型实验结果相吻合。

[1] SPARREVIK P.Suction pile technology in deep waters[C]. OTC 14241,2002.

[2] 袁灯平,黄宏伟,马金荣,等.软土地基桩侧表面负摩阻力解析模型[J].上海交通大学学报,2005,39(5):731-735,741.

[3] 闫澍旺,张锡治,刘润,等.海洋石油平台桩基拒锤现象[J].天津大学学报,2007,40(11):1271-1276.

[4] 杨进,徐国贤,刘书杰,等.自升式钻井平台桩腿入泥深度计算研究[J].中国海上油气,2012,24(6):58-60.

[5] 李素华,殷建华,周健,等.端承型基桩的桩-土作用机理研究探讨[J].岩石力学与工程学报,2004,23(6):996-1000.

[6] 韩志强.海洋平台桩基计算与施工方法探讨[J].中国海洋平台,2002,17(6):28-31.

[7] 李飒,韩志强,杨清侠,等.海洋平台大直径超长桩成桩机理研究[J].工程力学,2010,27(8):241-245.

[8] 杨永印,王瑞和,沈忠厚,等.淹没条件下星形喷嘴射流流动特点的实验研究[J].石油学报,2003,24(2):109-112.

[9] 王育兴,孙钧.打桩施工对周围土性及孔隙水压力的影响[J].岩石力学与工程学报,2004,23(1):153-158.

[10] 唐世栋,何连生,傅纵.软土地基中单桩施工引起的超孔隙水压力[J].岩土力学,2002,23(6):725-729,732.

[11] 唐世栋,王永兴,叶真华.饱和软土地基中群桩施工引起的超孔隙水压力[J].同济大学学报,2003,31(11):1290-1294.

Experiment research on jet assisting pile sinking of offshore pile foundation platform

Huang Yong1Zhang Zhenyu2Chen Xinyong3Xing Yongchao1
(1.School of Petroleum Engineering,China University of Petroleum,Shandong,266580;2.Dongbei Special Steel Group Dalian Special Steel Material Testing Limited Company,Dalian,116105;3.CNPC Bohai
Drilling Engineering Co.Ltd.,Tianjin,300457)

A high-pressure water jet assisting pilesinking technology concept was proposed to overcome the difficulty in restarting the pile-sinking after intermittent piling.An experiment device for simulating the offshore water jet assisting pilesinking was designed and used to test the different stress in soil plug under the jets produced by six kinds of nozzles.Numerical simulation was used to get the stress distribution of the soil body and the maximum and minimum stresses in soil plug under the action of jets produced by six kinds of nozzles,which verified the experiment result of the model.High pressure water jet assisting pilesinking to improve the efficiency is completely feasible during the construction of offshore platform pile.Among the six nozzles,the jet distance of iso-variable nozzle was longest,with highest pressure at the center of soil plug surface.The study results provide the important evidence for trial-producing the principle prototype of jet assisting pile sinking of offshore pile foundation platform.

offshore pile foundation platform;high pressure water jet;assisting pile-sinking;numerical simulation experiment;model experiment

2014-01-27改回日期:2014-04-20

(编辑:叶秋敏)

*国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(编号:2010CB226703)、山东省自然科学基金项目(编号:ZR2011EEQ012)、高等学校博士学科点专项科研基金项目(编号:20110133120013)、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(编号:14CX02164A)、中国石油大学科研启动基金资助项目(编号:Y1302056)部分研究成果。

黄勇,男,讲师,2013年毕业于吉林大学,获博士学位,主要从事油气井工程方面的教学与研究工作。E-mail:niqiu_2005@ 163.com。