水下生產系統防沉板基礎的裙板入泥阻力

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

0 引 言

目前，我國海洋油氣資源開發正處在由淺海向深海過渡的關鍵階段[1]。使用水下生產技術可以避免建造昂貴的海上采油平臺，從而節省大量建設投資，因此水下生產已經成為未來主要的深海油氣開發技術。帶有裙板的防沉板是深海油氣水下生產系統各組塊的常用基礎[2-5]，具有土壤適應性廣、施工簡單、安裝方便、可重復利用等諸多優勢。裙板能在海底土體中貫入到設計深度是防沉板基礎能夠達到設計承載力和保證水下設施穩定的前提，防沉板的裙板入泥阻力計算是水下生產系統防沉板基礎設計的重要內容[6-7]。計算防沉板裙板入泥阻力主要采用極限承載力理論計算和靜力觸探試驗兩種方法。

海底土體靜力觸探試驗(Cone Penetration Test, CPT)是目前較先進可靠的海底土體原位探測方法，CPT試驗能在減少對土體擾動的情況下測定土體的力學特性[8-9]。自1932年荷蘭工程師BARENTSEN首次開展靜力觸探試驗[10]以來，CPT試驗在地質調查中得到了廣泛應用。隨著海洋開發的迅速發展，CPT試驗方法在海洋工程領域的應用越來越普遍，起到的作用也越來越重要。

早期的防沉板基礎研究工作主要借鑒陸上淺基礎承載力研究的半經驗半理論方法，通過修正系數設計不同條件下的防沉板基礎，并形成了挪威船級社(DNV)和美國石油學會(API)推薦的防沉板基礎設計規范，如API RP 2A-WSD 2000和API RP 2GEO 2011等行業設計規范。我國目前的研究成果主要集中在黏土地基上，而荔灣3-1等深海油氣資源的開發項目中也廣泛分布砂性土地基，因此需要進行砂性土地基上防沉板基礎的裙板入泥阻力計算方法的研究[11]。防沉板基礎裙板的入泥阻力可以根據土工試驗結果，依據相關規范進行估算。為了提高設計的可靠性，在南海某項目設計時，應用極限承載力理論和DNV規范推薦的CPT試驗方法[12]兩種方式進行裙板入泥阻力計算。結果發現基于靜力觸探試驗的裙板入泥阻力計算值明顯高于極限承載力理論計算值。為了比較兩種計算方法的適用性和分析兩種計算方法產生差異的原因，在水下生產系統安裝施工前設計并實施一次裙板貫入模擬試驗，將模擬試驗結果與兩種計算方法的結果進行對比驗證，確保實際水下生產系統防沉板基礎的裙板能貫入到設計深度。

1 裙板入泥阻力計算方法

1.1 基于極限承載力理論的計算方法

圖1 防沉板裙板入泥阻力示例

在防沉板基礎安裝時，水下生產系統重量通過裙板傳遞到海床上。當裙板產生的壓力超過土壤的承載力時，將造成裙板附近局部土壤承載力失效，使裙板被壓入海床。因此，只要上述水下系統的重量大于裙板入泥最大阻力，即可將防沉板基礎的裙板貫入到設計深度。水下生產系統的重量是已知的，并且可根據實際需求調整，因此確保防沉板裙板貫入到設計深度的關鍵是確定裙板入泥阻力大小。

防沉板裙板的入泥阻力來源于兩部分，一部分是裙板端部擠壓土壤產生的端部阻力，另一部分是裙板側面與土壤之間的側摩阻力，如圖1所示。

防沉板裙板入泥阻力為

Qr=Qs+Qt=fsAs1+qtAt

(1)

式中：Qr為裙板總的入泥阻力，kN；Qs為裙板入泥的側摩阻力，kN；Qt為裙板入泥的端部阻力，kN；fs為裙板側面單位面積上平均側摩阻力，kN/m2；qt為裙板端部單位面積上端部阻力，kN/m2；As1為在裙板側面與土壤的接觸面積，m2；At為裙板端部面積，m2。

側摩阻力可按照筒-土摩擦計算，端部阻力基于地基極限承載力理論進行計算。對于砂土而言，有

qt=0.5γ′tNγ+qNq

(2)

式中：t為裙板厚度，m；γ′為土壤的浮重，kN/m3；q為作用于裙板端部的側向壓力，q=γ′D,且D為裙板端部的埋深；Nq、Nγ為承載力系數。

(3)

式中：K為側向土壓力系數；z為裙板端板的埋深，m；δ為土壤與裙板間摩擦角。

(4)

Nγ=1.5(Nq-1)tanφ

(5)

式(4)和式(5)中：φ為有效內摩擦角。

1.2 基于靜力觸探試驗的計算方法

靜力觸探試驗屬于原位試驗，其操作方式也是采用壓力將探頭壓入泥中，與裙板入泥過程有相似之處。因此，CPT探頭貫入阻力與裙板入泥阻力之間存在聯系，基于這種聯系便可以根據CPT探頭貫入阻力得到裙板的入泥阻力。通常的做法是將CPT探頭貫入阻力與已知的海上CPT試驗或實際工程項目的實測值進行對比，反算得到CPT探頭貫入阻力與裙板入泥阻力之間的關系。 LUNNE等[13]最早將CPT試驗結果與重力式基礎鋼制裙板的實測入泥阻力進行比較，得出兩者之間關系的經驗系數。并且，經過多個北海項目的實踐，建立裙板入泥阻力與裙板端部阻力與側摩阻力之間的關系為

(6)

式中：Qr為裙板入泥阻力，kN；d為裙板設計貫入深度，m；kp(z)為qc與裙板端部阻力之間的經驗系數；kf(z)為qc與裙板側摩阻力之間的經驗系數；qc(z)為在裙板貫入深度為z時的探頭貫入阻力，MPa；As2為單位貫入深度下裙板與土壤的接觸面積，m2/m。

對于北海區域土壤，kp和kf的推薦值如表1所示。

表1 北海土壤kp和 kf推薦值[4]

在北海進行的實際測試顯示，實際裙板入泥阻力曲線與通過CPT試驗結果預估的入泥阻力曲線吻合較好[14]。DNV在總結北海實際工程經驗的基礎上，給出在北海土壤條件下基于CPT探頭貫入阻力計算裙板入泥阻力時kp和kf的推薦值，如表2所示。表2中kp和kf的最可能值根據北海開展CPT試驗和工程項目的統計值得出，是用于計算鋼質裙板入泥阻力的期望值，而預期最大值用于計算鋼質裙板入泥時受到的預期最大入泥阻力，該預期最大入泥阻力通常大于實際裙板入泥阻力。

表2 DNV給出的北海地區黏土和砂的kp和 kf推薦值

2 裙板入泥阻力計算

南海某項目的水下生產設施選用帶裙板的防沉板作為基礎，裙板設計參數如表3所示，防沉板的設計方案如圖2(a)所示，裙板剖面如圖2(b)所示。

表3 裙板設計參數

圖2 水下設施基礎設計方案

水下設施距離中心處理平臺約50 m，未對水下設施單獨進行地質調查，而是使用中心處理平臺樁基礎的地質調查結果，缺少的參數依據API RP 2A-WSD[15]規范選擇。淺層土壤CPT試驗曲線如圖3所示，根據地質報告土壤參數表整理的與裙板入泥計算相關的表層土壤參數如表4所示。

圖3 目標安裝位置表層土壤的CPT曲線

土壤描述距泥面深度/m浮重度/(kN·m-3) 有效內摩擦角/(°)土壤與裙板間摩擦角(Nq=12)/(°)中等密實度細粒到中粒砂4.18.22520

由表4可知，表層土壤為中密度的砂。在依據土力學理論計算裙板的入泥阻力時，將表4的土壤參數代入式(1)進行裙板入泥阻力計算。計算所需的側向土壓力系數K根據API RP 2A推薦取0.8。

在依據DNV CN 30.4推薦的基于靜力觸探試驗方法計算裙板入泥阻力時，將表2中相應的kp和kf推薦值代入式(6)，根據表3和圖3可計算出裙板入泥阻力。另外，從圖3可以看出，CPT阻力曲線在入泥0.30 m和0.45 m處存在明顯拐點，因此在計算裙板入泥阻力時，將CPT曲線分為0～0.30 m和0.30 ～0.45 m兩段進行計算。利用極限承載力理論和DNV CN 30.4的推薦方法得到裙板入泥阻力如表5所示。

表5 裙板最大貫入阻力計算結果對比 kN

從表5可以看出，基于極限承載力理論計算和靜力觸探結果兩種方法計算得到的裙板入泥阻力結果存在較大差異。分析兩種方法的原理和采用的數據，造成較大差異的原因是：

(1) 基于極限承載力理論的式(1)在K取定值時，不能正確反映裙板入泥阻力隨入泥深度變化的過程。

(2) 基于極限承載力理論的式(1)涉及的土體參數較多，包括φ、γ′、K、Nγ和Nq，還包含不易確定的外摩擦角δ，計算結果受參數取值影響較大。

(3) 基于極限承載力理論的式(1)基于理想砂土無黏假設，而實際砂土并非理想的無黏性，顆粒之間存在黏聚力甚至膠結作用。地質調查報告中的土壤參數表只給出反映無黏土的摩擦角，而沒有提供反映顆粒之間黏聚力的信息。因此，按照理想砂土參數進行黏性巖土力學計算得到的入泥阻力偏小。

但是，DNV推薦的基于CPT試驗的式(6)所涉及的經驗參數是基于北海海域的項目經驗總結得到的，這些參數在我國南海的適用性還需驗證。

3 現場CPT試驗

圖4 裙板貫入模擬試驗裝置

不同裙板入泥阻力計算方法計算結果的較大差異使南海項目的防沉板基礎(尤其是裙板高度)設計存在問題。如果裙板設計過短，將不滿足基礎穩定性的要求，會產生安全隱患；如果裙板設計過長，會導致裙板無法全部貫入，需要回收后再次安裝，不僅需支出巨額的海上作業施工費，而且會因為破壞了土壤結構而需要重新選擇安裝位置。為了消除防沉板基礎設計和安裝風險，需選擇合理的計算方法，為此在海上施工前開展試驗驗證。

直接測量裙板入泥阻力需要購置和安裝專用儀器，需要額外增加采辦設備費用和準備時間。為縮短準備時間，降低試驗難度和費用，將直接測量入泥阻力轉換為觀察在固定貫入壓力下試驗裝置的入泥深度，與基于極限承載力理論和DNV推薦的基于CPT結果計算的兩種入泥阻力計算結果進行比較。

此次試驗裝置在底部焊接多塊平行于鋼板的鋼質配重塊，在裙板上沿高度方向以5 cm為間隔劃線，用以觀察裙板的貫入深度，如圖4所示。試驗裝置的尺寸和質量信息如表6所示。

表6 裙板貫入模擬試驗裝置參數

由表4可知，表層土壤為中密度砂。依據極限承載力理論將表4的參數代入式(1)，反算裙板入泥深度。在依據DNV CN 30.4進行計算時，將表2中計算裙板在砂中入泥阻力的kp和kf推薦值代入式(6)，根據表6和圖3，可計算裙板在兩種情況下的入泥深度。另外，從圖3可以看出，CPT阻力曲線在入泥0.30 m和0.45 m處存在明顯拐點，在估算模擬裙板入泥深度時，將CPT曲線分為0～0.30 m和0.30 ～0.45 m兩段進行計算。利用上述兩種方法計算得到裙板貫入深度如表7所示。

表7 模擬試驗裝置裙板貫入深度理論計算值 m

圖5 裙板貫入模擬試驗結果

鑒于兩種方法計算的入泥深度差別較大：如果實測模擬裙板貫入深度在表7 CPT試驗的兩個結果之間，說明DNV CN 30.4的推薦做法適用于試驗區域土壤的入泥阻力計算；如果實測模擬裙板的貫入深度更接近極限承載力理論的計算結果，則基于極限承載力理論公式更適用。

在進行裙板貫入模擬試驗時，將試驗裝置吊裝至水下生產設施目標安裝區域的中心上方，然后豎直下放至海底，使裙板垂直于泥面貫入海床。待穩定后，觀察到試驗裝置的最終狀態如圖5所示。由圖5可見，模擬裙板最終貫入深度約為0.43 m，處于DNV CN 30.4推薦的最高預期值與最可能值之間，基于CPT試驗的裙板入泥阻力計算結果與模擬試驗結果誤差小于10%，且遠小于極限承載力理論對應的3.08 m。這說明DNV CN 30.4的推薦做法更適用于本項目的裙板入泥阻力計算。

基于此次裙板貫入模擬試驗結果，估算南海區域土壤kp和kf推薦值分別為0.324和0.008 8，依據DNV CN 30.4的推薦做法計算防沉板裙板的入泥阻力，設計待安裝的水下生產設施的裙板高度和結構的配重重量。本項目水下生產設施實際安裝結果顯示，防沉板的裙板全部貫入海床，達到了預期的效果，保證了水下設施在服役期間的基礎穩定性，也避免了因為水洗設備重量不足裙板不能全部被壓入泥土的狀況發生。

4 結論和建議

裙板入泥阻力試驗和水下設施安裝施工結果表明，與極限承載力理論相比，DNV推薦的基于CPT試驗的裙板入泥阻力計算值與實際情況接近，對實際工程設計具有更好的指導作用。

建議在工程地質調查時，同時進行土壤鉆孔取樣和CPT試驗，并將基于CPT試驗的阻力計算值作為裙板入泥阻力的選擇依據。當計算所需參數不可靠時，建議采用DNV CN 30.4推薦的參數和做法進行裙板入泥阻力計算，其中，根據裙板貫入模擬試驗結果，南海區域土壤裙板端部阻力經驗系數kp和裙板側摩阻力系數kf的推薦值分別取0.324和0.008 8。在水下設施設計時，建議為裙板貫入壓力留有一定余量，確保裙板可以貫入到設計深度。最后，建議基于工程項目經驗總結出適用于我國土壤情況的CPT試驗結果與裙板入泥阻力之間的經驗參數關系，用于指導我國的海洋工程項目。