渤海某油田防沉板极限承载力计算

　　摘 要：防沉板是桩基式平台导管架部分重要的组成部件，在导管架坐底过程中，防沉板对导管架安装过程中的稳定性起至关重要的作用，因此，准确计算防沉板在海底面的极限承载力也就显得尤为重要。该文将多种理论公式、API规范等进行总结并阐述应用条件，以渤海某油田为例，计算了在实际工况下防沉板基础的极限承载力，对设计和施工提供一定的指导作用。

　　关键词：水下生产系统 防沉板基础 导管架平台 极限承载力

　　常見的水下生产系统的基础形式有防沉板、桩基础以及吸力桩3种。防沉板基础以其结构简单、造价低廉、性能可靠和安装方便的特点，被广泛用作水下生产系统各设备的基础结构，在近海导管架平台的建设中防沉板通常作为临时性的支撑结构用于辅助导管架平台的安装，且能有效防止导管架在安装过程中发生不均匀沉降[2]。而在深海油气资源的开发中，钢制的防沉板承担着水下生产系统各个组块(如水下井口、管汇节点、管汇终端等)的荷载并将其递传到地基当中，属于永久性支撑结构，是水下生产系统各组块的基础[3-4]。

　　防沉板基础按其形状可分为矩形基础、方形基础、圆形基础、六边形基础和格栅基础等，这些基础均可根据需要设置裙板和开孔[5]。六边形基础与格栅基础目前仅限于研究当中，矩形、方形和圆形基础在实际工程中比较常用。

　　防沉板极限承载力早期计算主要借鉴了Pramdtl、Skemption、Meyerhof、Hansen、Davis和Booker等对浅基础承载力研究的半经验半理论方法，通过修正系数实现不同条件下防沉板基础承载力的计算，美国石油协会在这些理论方法的基础上将其收入API RP 2A及API RP 2GEO[6]行业设计规范。

　　该文结合相关理论方法、API规范和实际工作经验，总结防沉板极限承载力计算的相关方法，并将其应用于渤海某油田实际工程计算中。

　　1 理论方法

　　防沉板基础埋深一般小于其横向最小尺寸，通常被认为是一种浅基础。在防沉板设计时必须保证下部土体能够承受防沉板及上部结构的荷载而不发生破坏或沉降[7-8]，即能够处于相对稳定状态。

　　影响防沉板极限承载力的因素有很多，除了土体的性质以外，还与防沉板的形状、尺寸、所受荷载、埋深、基础倾斜、海床表面倾斜等有关。根据相关经验公式和API规范，通常对防沉板极限承载力的计算主要考虑以下3种情况。

　　式中，qu为基础破坏时的土体单位面积极限承载力(kPa)，Su为土地平均不排水抗剪强度(kPa)，实际应用中一般平均到基础底面以下B/2深度内，D为基础的埋深(m)，B为基础的宽度(m)，L为基础长度。

　　2 应用实例

　　2.1A平台

　　根据渤海某A平台工程地质调查结果显示，海底表层土质参数如表1所示。按照上文中提出的方法，当防沉板放置在海底泥面处时，防沉板单位极限承载力可由下列公式表示。

　　qu =(30.00+3.13B)×(1+0.2B/L) B≤4.8m (7)

　　qu =(36.83+1.70B)×(1+0.2B/L) B>4.8m (8)

　　其中，qu为基础破坏时的土体单位面积极限承载力(kPa)，B为防沉板宽度或直径(m)，L为防沉板长度(m)。公式(7)采用的是Skempton方法，公式(8)采用的是Davis&Booker方法。对于三角形防沉板来说，B为三角形的最小高，L为三角形的最长边。对于矩形防沉板，L和B为长短边长。

　　2.2B平台

　　根据渤海某B平台工程地质调查结果显示，海底表层土质参数如表2所示。按照上文中提出的方法，当防沉板放置在海底泥面处时，防沉板单位极限承载力可由下列公式表示。

　　qu =109.76×B(1-0.4B/L) (9)

　　其中，qu為基础破坏时的土体单位面积极限承载力(kPa)，B为沉板宽度或直径(m)，L为防沉板长度(m)

　　3 结 论

　　(1)该文中总结了3种不同海底土质条件下，防沉板极限承载力的计算公式及参数的选取。并结合实际工况条件，计算得到渤海某A平台防沉板的极限承载力为7.6×106N，某B平台防沉板的极限承载力为43.9×106N，可为设计施工提供一定的指导作用。

　　(2)该文中公式是基于基础静荷载条件下考虑的，快速的基础安装可能会引起较大的沉降。

　　(3)在根据文中公式选择防沉板的尺寸时，建议至少考虑 2.0 的安全系数。

　　(4)海底泥面0～2m的土质对防沉板极限承载力计算及防沉板设计非常重要，因此，工程地质勘察应高度重视海底表层取样或原位测试的质量及可靠性。

　　(5)在海洋工程勘察中，防沉板基础极限承载力对后期工程的影响是不容忽视的，应根据建设工程的需要、地基的复杂程度等综合多种方法确定给出合理的极限承载力。

　　参考文献

　　[1] 王朝阳，付殿福，孙友义.水下生产系统基础型式对比分析[J].石化技术，2017，24(4)：11-13.

　　[2] 张所辉，吴姝娜，金涛.开孔方形防沉板在海底黏性土中的承载特性[J].计算机辅助工程，2020，29(1)：24-30.

　　[3] 傅健.阶梯式防沉板在深水导管架安装中的应用[J].中国海洋平台，2020，35(4)：91-94.

　　[4] 李志刚，贾鹏，王洪海，等.水下生产系统发展现状和研究热点[J].哈尔滨工程大学学报，2019，40(5)：944-952.

　　[5] 刘润，刘孟孟，杨树耕.饱和软黏土中不同形状深水防沉板基础承载特性研究[J].海洋学报，2016，38(3)：131-144.

　　[6] American Petroleum Institute， Geotchnical and foundation design considerations[M].American：ANSI/API Recommended practice 2GEO，2014： 18-21.

　　[7] 李书兆，贾鹏，尹丰，等.南海某油田防沉板极限承载力研究[J].石油矿场机械，2020，49(04)：14-19.

　　[8] 张乐，袁廷廷.深水导管架分离式防沉板设计简析[J].中国水运，2018 (8)：47-48.

　　[9] SKEMPTON A W.The Bearing Capacity of Clays[C]//The bearing capacity of clays.Longdon：Building Research Congress，1951：180-189.

　　[10] DAVIS E H， BOOKER J R.The Effect of Increasing Strength with Depth on the Bearing Capacity of Clays[J].Geotechnique，1974，24(3)： 551-563.

　　[11] TERZAGHI K.Theoretical Soil Mechanics[C]//Theoretical Soil Mechanics. New York：John Wiley and Sons， Inc. ，1943：118-143.

　　[12] BROWN J D，Meyerhof G G.Experimental Study of Bearing Capacity in Layered Clays[C]//Mexico： The 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering，1969： 45-51.

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