箱型沉垫地基吸附力作用机理及影响因素

刘海超

(胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257017）

箱型沉垫地基吸附力作用机理及影响因素

刘海超

(胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院，山东东营 257017）

坐底式平台与自升式平台在浅海油气开发中得到广泛应用。坐底式平台与沉垫式桩脚自升式平台的沉垫在坐底时与海底地基相互作用，产生地基吸附力，而极限地基吸附力的作用机理及其影响因素一直是计算分析的难点。通过土体应力场与渗流场耦合场的非线性分析，提出大尺度箱形沉垫与海底地基吸附力的作用机理及计算方法，并对土体参数、上拔速度和沉垫底部开孔等研究，明确地基吸附力的影响因素，提出减小地基吸附力的可行方案。

沉垫;吸附力;作用机理;影响因素

0 引言

坐底式平台与自升式平台在浅海油气开发中得到广泛应用［1］。自升式平台按照沉垫结构类型可以分为2种类型［2］:一是与单个桩腿相连的独立桩靴，特点是节省材料，拖行过程中所受波浪、海流载荷较小;二是与所有桩腿相连的大型沉垫，优点是具有较好的稳定性、抗滑移性和抗倾覆能力，入泥深度小，承载力大［3］。坐底式平台与沉垫式自升式平台主要适用于软土基础，其沉垫在坐底时与海底地基相互作用，产生地基吸附力。尤其是对于粘性底质 (如粘土和淤泥等），这种现象更为明显，这一部分超过结构物水下重量的提升力即克服海底底质对于结构体的吸附力［4］。

沉垫的地基土吸附力包括土与结构物底面间的粘着力、结构物起升过程中的负孔隙水压力、土与结构物侧面产生的侧摩阻力。结构物被拉出土体但未与土的表面完全脱离时，吸附力仅由粘着力和负孔隙水压力两部分组成。

粘着力是土体与结构物通过水分子吸附所产生的吸引力，是土颗粒与结构物分子对水分子共同吸引而产生的，实质是土颗粒—水—外物分子三者之间相互作用的结果。负孔隙水压力是由于结构物被提升时，加在土上的荷载突然变小，水分来不及流入土中引起的。卸载的瞬间土骨架来不及发生变形，水分不能立即流入，表现为负孔隙水压力;瞬间过后，土骨架发生膨胀变形，水分逐渐流入，负孔隙水压力逐渐消失，由孔隙水承担的荷载逐渐转化成由土骨架承担。影响负孔隙水压力的因素主要有土的性质、沉箱拉升速度等［5］。

大尺度箱型沉垫的极限吸附力计算一直是沉垫式平台设计的重要影响因素，随着沉垫式平台使用深度的增加，其值更是不断增大，成为沉垫式平台设计关键点及难点，因此极限吸附力的作用机理及计算方法的研究显得越来越重要。

1 分析方法

通过建立实际问题的有限元模型，应用Abaqus/Standard进行耦合场的非线性分析，通过对比分析明确极限吸附力的作用机理，提出大尺度箱形沉垫与海底地基吸附力的计算方法，并对土体参数、上拔速度和沉垫底部开孔等研究，明确地基吸附力的影响因素，并提出减小地基吸附力的可行方案。

采用Abaqus进行有限元分析的实质是把连续的土体离散为有限个小单元体，将无限自由度问题简化为有限自由度问题来求解［6］。有限元方法在工程上得到广泛应用，涵盖船舶与海洋工程、机械材料加工、械制制造、汽车、航空航天等各个科学研究领域［7］。Abaqus具有大量的材料模型库，可以模拟众多的工程材料性能，如金属、钢筋混凝土、岩土等，适应多种工程需求。文中土模型为线弹性孔隙结构，选用Abaqus中提供的多孔弹性介质进行模拟［8］，采用材料库中一种8节点的三维六面体单元SOLID45单元模拟［9］。

1.1 计算模型

分析问题所采用了计算模型为某沉垫式自升式平台，其实际尺寸参数如表1所示。

表1 沉垫尺寸Tab.1 Mat size

表2 地基土体参数Tab.2 Parameters of foundation soil

计算中地基土体为粘土，其物理力学性能参数如表2所示。

1.2 有限元模型

采用Abaqus/Standard进行土体应力场与渗流场的耦合场非线性分析解决上述问题。土体选用摩尔－库伦塑性模型，固结过程采用比奥固结理论分析，渗流采用达西渗流理论分析。

沉垫坐底结构的尺寸较大，在建模时，分别取沉垫长、宽的5倍作为土体的横向及纵向尺寸，取沉垫高的9倍作为土体厚度的尺寸，以在计算中得到较为精确的结果。计算时选用土体参数为c=60 kPa，E=20 MPa，上拔阶段模拟上拔时间为5 h。为节约计算成本不建立沉垫模型，在所建立的地基土体模型中模拟出沉垫入泥部分，即在土体模型表面创建一个长为76 m、宽为52m、深度为1m的下陷部分，并在土体下陷部分表面施加均布载荷分别模拟沉垫在自重条件下对地基土体的压力以及沉垫在上拔过程中对地基土体的吸附作用，通过以上方式来达到模拟沉垫的目的。

图1 地基土体有限元模型示意图Fig.1 The finite elementmodel of the foundation soil

在有限元模型建立的过程中，一共设置4个分析步骤:1）初始地基应力平衡分析;2）沉垫坐底分析 (土体模型下陷部分的表面施加均布载荷12.65 kPa，方向为z轴负向）;3）地基土体固结分析 (固结时间设为90 d）;4）沉垫上拔分析 (土体模型下陷部分的表面施加20 kPa的均布载荷，方向为z轴正向）。

模型底面以及4个侧面分别约束法向位移，这5个面均不透水，符合自然边界条件。模型顶面除下陷部分的表面以外允许自由排水，所以将其孔隙水压力设为0，下陷部分表面只有在固结分析步中设置为自由排水面。

2 地基应力平衡与土体固结

在Abaqus有限元软件中建立地基应力平衡模拟沉垫坐底，此时需要满足土体在竖直方向上位移为0或者逼近0，至少在1E－6 m甚至更小才能满足要求。图2是初始地基应力平衡计算结果。由图可知，实验所建立地基土体有限元模型初始地应力平衡后在竖直方向上的位移基本保持在1e－7m，满足要求。

图2 初始地应力平衡z方向上位移云图Fig.2 Displacement nephogram on z direction at initial stress balance

沉垫坐底瞬间由于与沉垫底面相接触的地基土体表面设为不排水，所以在沉垫坐底的瞬间，接触面以下土体中产生超静孔隙水压力。沉垫坐底瞬间地基土体中渗流场如图3所示。随后地基土体在沉垫的作用下发生固结，在固结的过程中，由于沉垫坐底所产生的超静孔隙水压力在孔隙水的渗透作用下逐渐消散。沉垫以下地基土体在固结过程中产生向下位移，以及由此导致周围土体由于挤压作用产生向上位移。此时对沉垫坐底过程的实际工况进行完整的模拟。

图3 沉垫坐底瞬间土体中渗流场云图Fig.3 Instantaneous seepage nephogram at themat sit bottom

3 沉垫上拔分析

由于沉垫上拔离底的作用机理是地基粘着力过大使土体达到极限承载力而导致的土体整体剪切破坏还是沉垫上拔而引起的地基土体内孔隙水渗流导致的沉垫底面和土体表面的脱离尚不明确，因此分析沉垫上拔吸附力时，考虑2种可能情况进行分析:第一，考虑由于沉垫上拔而引起的地基土体中孔隙水的渗流而导致沉垫底面与地基土体表面分离时的上拔吸附力;第二，考虑地基粘着力过大使土体达到极限承载力而引起土体的整体剪切破坏时的上拔吸附力。

3.1 孔隙水吸附力分析

首先考虑由于沉垫上拔而引起的土中孔隙水渗流导致的沉垫底面与土体表面分离时的极限吸附力，即在沉垫上拔的过程中，地基土体所受载荷突然减小，而在水还来不及流入土体中时，产生负孔隙水压力，从而对沉垫底面产生吸附力的作用，负孔隙水压力所产生的吸附作用是沉垫上拔吸附力的主要组成部分。

进行有限元分析时，在地基土体下陷部分表面施加20 kPa方向为z轴正向的均布载荷以模拟在沉垫上拔。在对吸附力进行分析时，只需要考虑地基土体下陷部分表面的孔隙水压力即可，图4为沉垫上拔模拟过程地基土体中孔隙水压力分布示意图。

图4 地基土体孔隙水压力分布云图Fig.4 Foundation pore water pressure distribution nephogram

在沉垫上拔过程中，作用于沉垫底面的负孔隙水压力呈现一个递增的趋势。随着地基土体在沉垫底面的吸附作用下产生沿z轴正向的位移，导致土体颗粒间的孔隙变大，而在饱和粘土中，渗流非常缓慢，这就使孔隙水的填充速度不及土体颗粒间孔隙的增大速度，导致作用于沉垫底面的负孔隙水压力逐渐增大。作用在下陷部分表面的均布载荷成线性施加，所以在均布载荷施加的过程中必定可以找到一个点，使作用在土体上的上拔力与作用在沉垫底面上的负孔隙水压力达到一个平衡，这也就是在上拔过程中需要克服的地基土体对其吸附力的极限值。

图5 土体一点孔隙水压力时程曲线Fig.5 Pore water pressure time history curve of one point of soil

根据沉垫底面各节点处负孔隙水压力值可以得到沉垫底面上负孔隙水压力分布如图6所示。

图6 沉垫底面负孔隙水压力分布Fig.6 Negative pore water pressure distribution of bottom surface ofmat

根据所得到的沉垫底面负孔隙水压力分布对坐标平面进行二重积分，可以得到沉垫在上拔过程中，该分析步中每个时间点作用于沉垫底面的吸附力数值 (见表3）。

表3 沉垫受力情况Tab.3 Mat stress

由表3的计算结果可以得到如图7所示沉垫底面吸附力以及上拔力之间的关系。

图7 上拔力与吸附力关系Fig.7 The relation of the adsorption the force and the pull force

由图7可知，在沉垫上拔到3.33 h之后，线性施加的上拔力克服掉沉垫自重给沉垫以沿z轴正向的运动趋势，上拔到4 h时，由负孔隙水压力提供的吸附力与上拔力达到平衡，沉垫底面与地基土体表面分离，沉垫上拔完成，这时吸附力取值为1 385.11 t。

3.2 土体屈服分析

分析地基粘着力过大使土体达到极限承载力而引起土体的整体剪切破坏时的上拔吸附力。在3.1节所得到的由负孔隙水压力产生的吸附力计算结果的基础上可知，沉垫底面与地基土体表面在该沉垫上拔的4 h左右发生分离，为保守起见，选择该分析步中发生分离的下一个时间点对地基土体的屈服情况进行分析。

图8 沉垫上拔时土体剪应力云图Fig.8 Soil shear stress nephogram whenmat to pull out

图9 土体模型XY平面中屈服点示意图Fig.9 Yield point in X，Y plane of soilmodel

由模拟分析可知，在沉垫底面与地基土体表面之间已经克服由负孔隙水压力产生的吸附作用而发生分离后，地基土体中在上拔力作用下产生的屈服面还没有形成一个整体以使土体内部发生整体剪切破坏，所以，沉垫底面与土体之间接触面的破坏在地基土体发生整体剪切破坏之前，上拔吸附力只考虑负孔隙水压力的作用即可。

4 地基吸附力影响因素分析

4.1 地基土体粘聚力对吸附力的影响

在其余土体参数均不变的条件下，分别针对粘聚力取值为20 kPa，30 kPa，40 kPa，50 kPa，60 kPa五种情况进行分析，得到极限吸附力结果总结于表4。以观察粘聚力对吸附力的影响。

由图10可知，在粘聚力达到40 kPa之前，极限吸附力随着粘聚力的增加数值增大，而在粘聚力达到40 kPa之后，趋势相反。由此可知，粘聚力作为粘塑性土体的参数对吸附力的影响较为显著，且关系曲线出现峰值而不是呈线性变化，且在40 kPa左右吸附力达到最大值。与笔者之前的认为极限吸附力由于负孔隙水压力的作用随着粘聚力的增加呈递增趋势的情况有明显不同。

4.2 沉垫上拔时间对吸附力的影响

在沉垫上拔的过程中，负孔隙水压力的增长趋势主要由地基土体内部水的渗流速度相对于沉垫上拔速度的快慢决定。所以，在有限元模拟沉垫上拔分析中分别取时间为5 h，20 h，50 h，统一取粘聚力为60 kPa，以观察上拔过程中极限吸附力的变化趋势。得到的极限吸附力结果如表4所示。

表4 不同上拔时间条件下沉垫表面极限吸附力计算结果Tab.4 Limited adsorption force calculation results in different time to pull out

由表4可以得到不同地基土体粘聚力与相应的极限吸附力的关系曲线如图10所示。

同样得到粘聚力为20 kPa和40 kPa时，极限吸附力随上拔时间的变化趋势曲线，汇总为图11。

图10 极限吸附力与土体粘聚力的关系曲线Fig.10 The relation of the limited adsorption force and the cohesive force

图11 极限吸附力与上拔时间关系曲线Fig.11 The relation of the limited adsorption force and the time to pull out

由图10和图11可知，随着沉垫上拔时间的延长，沉垫底面所受到的极限吸附力大幅度减小。在延长上拔时间的条件下，相对的沉垫上拔的速度减小，使水的渗流速度相对于土体表面受拉产生沿z轴正向运动速度的延迟程度减小，从而延缓了负孔隙水压力的增长速度，使上拔力和吸附力在吸附力较低的情况就可以达到平衡。同时，土体颗粒间孔隙变大的速度降低，也有利于负孔隙水压力的消散，这在一定程度上导致极限吸附力的减小。

4.3 沉垫底面设置排水孔对吸附力的影响

通过对在地基土体有限元模型下陷部分表面设置排水孔进行模拟在沉垫上设置排水孔来促进孔隙水的渗透以减小负孔隙水压力对沉垫底面的吸附作用。模拟时选择土体粘聚力为60 kPa、上拔时间为5 h进行分析。

通过设置3种排水孔方案进行对比分析:1）在沉垫底面中心处设置1个排水孔;2）沿沉垫底面纵向中线设置位置为四等分处的3个排水孔;3）沿沉垫底面纵向中线和横向中线设置位置分别为四等分处的5个排水孔。

图12 设置5个排水孔的模型示意图Fig.12 Model set5 drain

分别给出3种排水孔设置方法所对应的沉垫表面负孔隙水压力分布示意图以及地基土体中孔隙水的渗流示意图如图13～图18所示。

图13 1个排水孔沉垫底面负孔隙水压力分布Fig.13 Negative pore water pressure distribution when set1 drain

图14 1个排水孔地基土体孔隙水渗流场Fig.14 Instantaneous seepage nephogram when set1 drain

图15 3个排水孔沉垫底面负孔隙水压力分布Fig.15 Negative porewater pressure distribution when set3 drain

图16 3个排水孔地基土体孔隙水渗流场Fig.16 Instantaneous seepage nephogram when set3 drain

图17 5个排水孔沉垫底面负孔隙水压力分布Fig.17 Negative pore water pressure distribution when set5 drain

图18 5个排水孔地基土体孔隙水渗流场Fig.18 Instantaneous seepage nephogram when set5 drain

由图13～图18可知，在沉垫上设置排水孔有助于土体内水的渗流，地基土体表面上设置排水孔的区域，负孔隙水压力为0，并且从渗流场可以看出，这些地方的水分渗流速度较大，对极限吸附力的降低有一定效果。计算得到3种方案下极限吸附力结果见表5。

表5 3种排水区域设置下吸附力结果Tab.5 Limited adsorption force calculation results in 3 model

根据表5所得结果，得到吸附力随排水区域设置的变化曲线，如图19所示。

图19 沉垫底面极限吸附力与排水条件关系曲线Fig.19 The relation curve of the limited adsorption and the drainage condition

由图19可知，在土体表面设置排水孔能够有效的降低地基极限吸附力;设置的排水孔越多，对极限吸附力的削弱作用越明显。说明在沉垫上设置排水孔，可以有效辅助平台在上浮过程中沉垫离底。

5 结语

通过对大尺度箱型沉垫与海底地基的吸附力进行研究，主要取得的如下结论:

1）吸附力通常是由粘着力、负孔隙水压力、侧摩阻力3部分组成，是物体被动显示出来的一种力，影响吸附力的因素很多，其中主要是含水量与土性;

2）通过有限元软件Abaqus对沉垫自升式平台沉垫上拔进行模拟，在分别考虑地基土体发生整体剪切破坏以及沉垫底面与地基土体表面由于孔隙水渗流而发生分离2种情况的基础上，对极限吸附力进行分析计算，从而得到沉垫上拔时地基土体的吸附作用分析只需考虑负孔隙水压力的作用;

3）通过土体参数对极限吸附力影响分析，可知随着粘聚力的增加，极限吸附力呈现先增大后减小的变化趋势，在粘聚力取值为40 kPa左右达到极值;

4）通过上拔时间对极限吸附力的影响分析，可知随着上拔时间的延长，极限吸附力急剧下降;

5）通过在沉垫上设置排水孔进行数值分析，可知在沉垫上设置排水孔，可以减小地基对沉垫底面的极限吸附力，而且设置的排水孔越多，效果越好。

通过以上研究结论可知，采用铺砂减小土体粘聚力、延长沉垫上拔时间、在沉垫底部开设排水孔或喷冲孔等方法能够有效减小沉垫上拔过程中的地基吸附力，为解决实际工程中沉垫起浮问题提供了可靠的理论分析方法和数值模拟依据。

本文实验过程在以下方面还需完善:1）底质不均匀性的影响。考虑底质的不均匀性，能够适当的减小吸附力。2）提升方式的影响。对于不同的提升方式，尤其是一端先起浮的提升方式，对建立起合适的分析模型，精确的进行吸附力计算有重要影响。3）结构物形状对于吸附力的影响。不同形状模型的吸附力不同，研究结构物的形状对其离底方式与机理的影响是极为必要的［10］。

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Analysis for mechanism and influencing factor on the foundation adsorption force of the large scalemat

LIU Hai-chao
(Sinopec Shengli Oilfield Technology Institute，Dongying 257017，China）

Bottom-supported platform and jack-up platform has been widely used in the offshore oil and gas development.The foundation adsorption force is produced in the interaction of the bottom-supported platform/mat support jack-up platform and the underwater foundation.Through the nonlinear analysis of stress field and seepage field coupling field，the calculation method of the foundation adsorption force in the large-scale box-typemat and underwater foundation is put forward.And by the research on the parameters of the soil，drawing speed and the openings on themat，the influence factors of the foundation adsorption force is clear and the feasible plan to reduce the adsorption force is put forward.

bottom hull;adsorption force;mechanism;influencing factor

U674.38+1

A

1672－7649(2014）05－0065－07

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.013

2013－09－04;

2014－03－05

国家863计划资助项目(2010AA09Z304）

刘海超(1986－），男，工程师，主要从事海洋结构物设计及相关科研工作。