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大比尺自升式平臺插拔樁試驗系統研制及驗證

作者:來源:日期:2020-1-14 9:30:50人氣:1208
      自升式平臺在就位時需要將樁靴和樁腿插人泥中,而撤離則需要將樁靴和樁腿從泥中投起。目前,在自升式平臺進行作業前,通常根據SNAME、ISO等標準[(42]進行插樁深度和拔樁阻力的計算。然而,自升式鉆井平臺的插拔樁過程仍然面臨各種各樣的挑戰,穿刺和拔不起等事故時有發生。為了解決這些問題,試驗研究是最可靠、最常用的方法,因此,建立一套用于自升式平臺插拔樁模擬的試驗系統是非常有意義的。


      對于自升式平臺插拔樁問題,國內外很多科研院校做過相關離心機模型試驗,包括西澳大學、新加坡國立大學和大連理工大學等。對于插樁問題,Craig等0]對均勻砂、黏土和砂覆黏土中的插樁進行了離心機試驗,初步探索了砂覆黏土中的破壞機理;Teh4對砂覆黏土中的插樁進行了離心機試驗,進一步揭示了砂覆黏土中的破壞機理;Hossian等[5]對上硬下軟黏土層中的插樁進行了離心機試驗,得到了上下層土體強度比、硬土層厚度和下層土不均勻度對于插樁阻力的影響規律。對于拔樁問題,Martin等[幻對黏土層中的拔樁問題進行了研究,并與1倍重力加速度下的試驗進行了對比; Purwa-na]進行了軟黏土中拔樁的離心機試驗,發現平臺作業時間對于樁底吸附力的影響顯著;Kohan等8]通過離心機試驗進-一步解釋了樁靴基礎拔樁過程中的破壞機理及影響因素,遺憾的是該試驗中樁靴模型底部僅安裝了一個孔壓傳感器,導致無法有效監測樁靴底部孔原水壓力分布。目前大部分試驗研究多集中在插拔樁阻力的研究上,關于沖樁對于減小拔樁阻力作用的試驗研究則非常有限。Gaudin和Bienen等[910]相繼就沖樁對于減小拔樁阻力的效果進行了離心機試驗研究,對不同排量、壓力情況下的沖樁效果進行了比較,結果表明沖樁對于減小拔樁阻力的效果顯著。但由于該離心機試驗中模型尺度較小,樁靴底部僅布置了一一個噴嘴,因此難以進一一步研究沖樁噴嘴布局等因素對于沖樁效果的影響,難以對實際設計和工程作業提供指導。張海洋[1]研制了一套樁靴噴沖試驗系統,研究了噴沖對于減小拔樁阻力的作用效果。但該系統中土體厚度小,樁靴人泥深度較淺;而且僅能測試拔樁阻力,不能有效監測樁靴下部土體中的孔壓變化。

      盡管離心機試驗與1倍重力加速度試驗相比具.有很多優點,但它也存在不少缺點。由于離心機負載能力有限,離心機試驗的比尺通常是1 : 100甚至更小,這種條件下限制了沖樁系統等結構的幾何相似,而且模型上能夠安裝的傳感器數量有限,也限制了試驗的數據信息采集量。另外,離心機試驗成本高昂,一臺中型離心機及配套試驗系統的造價通常在1000萬元人民幣以上,而且離心機試驗中土樣的配置難度很大,尤其是黏性土的配置。

      綜上所述,目前自升式平臺插拔樁問題的試驗研究以離心機模型試驗和常規模型試驗為主,但離心機試驗尺度過小,試驗成本高昂,配土難度大,而現有常規模型試驗設計簡單,不能滿足深入研究的要求。本文研制了一套1 : 30的大比尺自升式平臺插拔樁試驗系統,用于模擬自升式平臺樁靴的插拔過程,監測插拔樁阻力、孔壓變化,并模擬沖樁過程。應用該系統進行了常規的插拔樁和沖樁試驗,驗證了系統的有效性。該系統對于研究插拔樁過程中的穿刺、滑移等問題”],確保自升式平臺安全作業具有重要的意義。

      1試驗系統研制

      1.1  系統相似性分析

      插拔樁過程中土體變形場和滲流場相互耦合,因此,該問題的基本控制方程應包括平衡方程、幾何方程、本構方程和滲流連續方程[1],分別如式(1)~(4)所示。



      滲流水頭的二階偏導數;Ev為土體體應變率。

      定義原型與模型物理量之比為相似常數,以C表示。若以C、C、CmC、C.、C、Cpr.Cx.C分別表示長度、位移、水頭、重度、應力、應變、本構關系、滲透系數和時間的相似常數,則原型土體的平衡方.程、幾何方程.本構方程和水流連續方程分別為



      在本模型中,C=C=Cx=N。由于模型土體的密度與原型相同,所以在1倍重力加速度環境下,C,=1。由于土體滲透系數表達式為K= r.d*/Cp(C.為形狀系數,d為土體特征空隙尺寸,p為土中流體動力黏滯系數),因此Ck=1。很顯然,若要式(5)~(8)同時得到相似,這些相似常數不能任選,須滿足如下關系才能使模型與原型保持相似,即C./(CC,)=1,C.= 1,C/Cpr = 1,CRC,/C= 1.這時可以求得C,=Cpp =N,C=N。這說明模型土體本構縮比N倍時即可使得模型和原型相似,此時模型應力為原型應力的1/N,模型中滲流時間為原型的1/N,可以得到1倍重力加速度環境下模型試驗各物理量的相似系數,如表1所示。根據各物理量的相似規律,模型試驗結果即可以被推廣至實際工況。


      1.2 系統組成設計

      為了實現插拔樁和沖樁試驗功能,研制的自升式平臺插拔樁試驗系統主要包括土池、加載及支撐裝置、測量系統、沖樁系統和模型樁靴等設備,具體原理圖如圖1a所示。土池尺寸為6000 mmX5 000 mmX3 500 mm,可根據試驗需要配置單層、雙層或多層土。

      土池外固定有用于支撐加載系統的桁架結構,加載系統可以對樁靴模型施加插樁和拔樁載荷。沖樁系統與模型樁靴上的沖樁管路相連接,供給沖樁水。樁靴模型根據試驗原型進行縮比設計制造。制造安裝完成后的試驗系統如圖1b所示。


      該試驗系統可以完全模擬自升式平臺海.上插樁一作業(維持作業載荷)一拔樁的全過程,其中插樁和拔樁階段加載系統的動作機構與李志剛等041研制的導管架平臺樁土相互作用試驗系統- -樣,如圖2a所示。另外,通過壓載結構模擬作業載荷,壓載平臺,上可以根據實際需要放置配重模擬作業載荷,如圖2b所示。

      樁靴模型根據試驗對象縮比設計,如有沖樁需要則須設計沖樁管路。本文以CJ50船型的樁靴為研究對象,該樁靴為方形,尺寸為22 500 mmX 17700 mmX3690 mm,其外部輪廓及底部噴嘴布局如圖3a所示。設計了1 : 30(模型:原型)的試驗模型,模型尺寸為747 mmX 590 mmX 123 mm,其內部設計有沖樁管路,可以通過沖樁系統供水進行沖樁,如圖3b所示。該樁靴模型上下表面均設計有沖樁噴嘴,每      個噴嘴處設計為螺紋孔,可以更換不同內徑的噴嘴或者對噴嘴進行封堵。


      沖樁系統由DFK S4-1V變頻控制柜、LG-B立式多級泵、壓力變送器和電磁流量計組成,供水流量為0~4.2 m'/h,壓力范圍為0~1 MPa,使用時可單獨控制流量或壓力,使用的傳感器有力傳感器、位移傳感器和孔壓傳感器,其中孔壓傳感器布置于樁靴底部,如圖4所示。所有傳感器均采用DH5923動態數據采集儀進行數據采集,該采集儀共有32個數據通道,采集速度快,抗干擾能力強,能夠全程記錄靜動態數據的實時變化。原位測量系統則采用意大利Machetti公司生產的扁鏟側脹儀(DMT),該系統主要由控制箱、扁鏟、貫人裝置和氣源組成,可廣泛用于測量軟至硬黏土和砂土[151。


      1.3試驗模型設計

      本試驗系統樁靴模型底部噴嘴24個,頂部噴嘴18個,噴嘴直徑為6 mm。本次試驗配置了單層黏土,試驗黏土物理和力學參數如表2所示。為保證試驗結果的準確性,在攪拌填埋之前對試驗用土進行晾曬一周處理,并對直徑超過20 mm的土粒進行碾壓。然后,將試驗用土倒入試驗土池中,同時控制注水量,逐層攪拌填埋,每層厚度為300 mm。填埋完成后,對土池靜置固結30 d,然后進行試驗。試驗前,使用DMT系統對不同點位的原位土進行了測試,土體不排水抗剪強度的測試結果如圖5所示。


      2試驗系統驗證

      2.1插拔樁阻力模擬

      首先插樁至目標深度,測得最大插樁阻力約6 600 N,將實測的插樁阻力曲線與SNAME(2008)推薦方法中(取完全回填和不回填2種極端條件)的結果進行了對比,如圖6所示,從圖6可以看出,在人泥較淺時,實測插樁阻力與不考慮回填計算出的插樁阻力接近,但人泥超過300 mm(0.4 D)時,實測插樁阻力更接近考慮回填計算出的插樁阻力。在人泥較深時,實測插樁阻力值比規范預測的值要小,這可能是由于實際過程中人泥較深時樁靴下部土體發生了明顯的軟化。


      維持作業載荷為壓載量的90%,即6 000 N,持續0.5d;最后拔起樁靴,并記錄拔樁阻力,將實測最大拔樁阻力與根據張海洋的方法進行計算的結果進行了對比。需要指出的是。樁靴底部吸附力缺乏可靠的計算公式,本文根據經驗取作業載荷的35%。通過計算得到最大拔樁阻力為4 600 N,而試驗測得的最大拔樁阻力僅為約3600N。分析認為,這可能是兩方面的原因造成的:一是實際拔樁時計算公式中最大拔樁阻力的4個分項難以同時達到最大值,因而理論計算結果偏大:二是隨著作業時間增長,樁靴周圍土體逐漸固結,不排水抗剪強度得到- -定程度的恢復,同時樁靴底部的超孔壓在作業期間逐漸耗散,拔樁時的吸附力會隨著作業時間的增長面增大,因此實際拔樁時的阻力會比理論最大值偏小。


      2.2孔壓監測

      圖7為插樁過程中樁靴底部的孔壓變化,可以看出最靠近樁靴中心的P1點孔壓最大,而遠離樁靴中心的P2和P3點孔壓較小。盡管P3點比P2點更遠離樁靴中心,但它們的大小相差不大,這說明方形樁靴底部孔壓的分布并不是中心對稱的。

      圖8為插拔樁過程中超孔壓和阻力的變化對比,可以看出:在插樁過程中,超孔壓和阻力同時隨插樁深度的增加而增加。在拔樁過程中,超孔壓隨著樁靴深度的減小面減小,并出現了負超孔壓。拔樁開始時,拔樁阻力迅速增大,然后隨著樁靴深度的減小,樁靴下部形成了孔穴,拔樁阻力緩慢增加,樁靴底部孔壓逐漸減小并出現了負超孔壓。當樁靴拔起約330 mm時,樁靴下部孔穴發生了坍塌回填,拔樁阻力迅速減小,孔壓也迅速增大。

      在維持作業載荷期間,樁靴底部孔壓會隨時間變化,如圖9所示。從圖9可以看出,超孔壓隨時間不斷耗散,但耗散速度逐漸減小,在模擬作業約17.5 h后超孔隙水壓力幾乎完全耗散,趨近于0。







      2.3沖樁有效性驗證

      對比未沖樁的拔樁試驗,應用該試驗系統進行了樁靴底部邊沖邊拔的拔樁試驗。拔樁速率為1.0mm/s,沖樁壓力為75 kPa,根據Bienen等140]的試驗結論,確定沖樁流量為1.4 m'/s.試驗得到有無沖樁時的拔樁阻力對比如圖10中的拔樁阻力曲線所示,可以看出,邊沖邊拔時的拔樁阻力在初始階段明顯減小,拔樁阻力峰值減小50%左右,說明沖樁對于減小拔樁阻力具有很好的作用。另外,試驗過程中吸附力基本消除,這與Bienen等[10]的試驗結果一致。


      3結論

      基于基本控制方程相似,推導建立了插拔樁試驗的相似模型系統,通過對材料本構進行縮比得到了1倍重力加速度條件下的相似模型,研制了由土池、加載裝置、原位測量裝置、沖樁系統和測量系統組成的大比尺自升式平臺插拔樁試驗系統,并通過試驗驗證了該試驗系統的有效性和準確性。本文研制的大比尺自升式平臺插拔樁試驗系統為進一步研究自升式平臺插樁過程中的穿刺、滑移和拔樁過程中的沖樁效果等問題提供了試驗基礎,對于保障自升式平臺的安全作業具有重要的意義。

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