摘 要：防沉板是樁基式平臺導(dǎo)管架部分重要的組成部件，在導(dǎo)管架坐底過程中，防沉板對導(dǎo)管架安裝過程中的穩(wěn)定性起至關(guān)重要的作用，因此，準(zhǔn)確計算防沉板在海底面的極限承載力也就顯得尤為重要。該文將多種理論公式、API規(guī)范等進行總結(jié)并闡述應(yīng)用條件，以渤海某油田為例，計算了在實際工況下防沉板基礎(chǔ)的極限承載力，對設(shè)計和施工提供一定的指導(dǎo)作用。

　　關(guān)鍵詞：水下生產(chǎn)系統(tǒng) 防沉板基礎(chǔ) 導(dǎo)管架平臺 極限承載力

　　常見的水下生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)形式有防沉板、樁基礎(chǔ)以及吸力樁3種。防沉板基礎(chǔ)以其結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、性能可靠和安裝方便的特點，被廣泛用作水下生產(chǎn)系統(tǒng)各設(shè)備的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在近海導(dǎo)管架平臺的建設(shè)中防沉板通常作為臨時性的支撐結(jié)構(gòu)用于輔助導(dǎo)管架平臺的安裝，且能有效防止導(dǎo)管架在安裝過程中發(fā)生不均勻沉降[2]。而在深海油氣資源的開發(fā)中，鋼制的防沉板承擔(dān)著水下生產(chǎn)系統(tǒng)各個組塊(如水下井口、管匯節(jié)點、管匯終端等)的荷載并將其遞傳到地基當(dāng)中，屬于永久性支撐結(jié)構(gòu)，是水下生產(chǎn)系統(tǒng)各組塊的基礎(chǔ)[3-4]。

　　防沉板基礎(chǔ)按其形狀可分為矩形基礎(chǔ)、方形基礎(chǔ)、圓形基礎(chǔ)、六邊形基礎(chǔ)和格柵基礎(chǔ)等，這些基礎(chǔ)均可根據(jù)需要設(shè)置裙板和開孔[5]。六邊形基礎(chǔ)與格柵基礎(chǔ)目前僅限于研究當(dāng)中，矩形、方形和圓形基礎(chǔ)在實際工程中比較常用。

　　防沉板極限承載力早期計算主要借鑒了Pramdtl、Skemption、Meyerhof、Hansen、Davis和Booker等對淺基礎(chǔ)承載力研究的半經(jīng)驗半理論方法，通過修正系數(shù)實現(xiàn)不同條件下防沉板基礎(chǔ)承載力的計算，美國石油協(xié)會在這些理論方法的基礎(chǔ)上將其收入API RP 2A及API RP 2GEO[6]行業(yè)設(shè)計規(guī)范。

　　該文結(jié)合相關(guān)理論方法、API規(guī)范和實際工作經(jīng)驗，總結(jié)防沉板極限承載力計算的相關(guān)方法，并將其應(yīng)用于渤海某油田實際工程計算中。

　　1 理論方法

　　防沉板基礎(chǔ)埋深一般小于其橫向最小尺寸，通常被認為是一種淺基礎(chǔ)。在防沉板設(shè)計時必須保證下部土體能夠承受防沉板及上部結(jié)構(gòu)的荷載而不發(fā)生破壞或沉降[7-8]，即能夠處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

　　影響防沉板極限承載力的因素有很多，除了土體的性質(zhì)以外，還與防沉板的形狀、尺寸、所受荷載、埋深、基礎(chǔ)傾斜、海床表面傾斜等有關(guān)。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗公式和API規(guī)范，通常對防沉板極限承載力的計算主要考慮以下3種情況。

　　式中，qu為基礎(chǔ)破壞時的土體單位面積極限承載力(kPa)，Su為土地平均不排水抗剪強度(kPa)，實際應(yīng)用中一般平均到基礎(chǔ)底面以下B/2深度內(nèi)，D為基礎(chǔ)的埋深(m)，B為基礎(chǔ)的寬度(m)，L為基礎(chǔ)長度。

　　2 應(yīng)用實例

　　2.1A平臺

　　根據(jù)渤海某A平臺工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示，海底表層土質(zhì)參數(shù)如表1所示。按照上文中提出的方法，當(dāng)防沉板放置在海底泥面處時，防沉板單位極限承載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為基礎(chǔ)破壞時的土體單位面積極限承載力(kPa)，B為防沉板寬度或直徑(m)，L為防沉板長度(m)。公式(7)采用的是Skempton方法，公式(8)采用的是Davis&Booker方法。對于三角形防沉板來說，B為三角形的最小高，L為三角形的最長邊。對于矩形防沉板，L和B為長短邊長。

　　2.2B平臺

　　根據(jù)渤海某B平臺工程地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示，海底表層土質(zhì)參數(shù)如表2所示。按照上文中提出的方法，當(dāng)防沉板放置在海底泥面處時，防沉板單位極限承載力可由下列公式表示。

　　qu =109.76×B(1-0.4B/L) (9)

　　其中，qu為基礎(chǔ)破壞時的土體單位面積極限承載力(kPa)，B為沉板寬度或直徑(m)，L為防沉板長度(m)

　　3 結(jié) 論

　　(1)該文中總結(jié)了3種不同海底土質(zhì)條件下，防沉板極限承載力的計算公式及參數(shù)的選取。并結(jié)合實際工況條件，計算得到渤海某A平臺防沉板的極限承載力為7.6×106N，某B平臺防沉板的極限承載力為43.9×106N，可為設(shè)計施工提供一定的指導(dǎo)作用。

　　(2)該文中公式是基于基礎(chǔ)靜荷載條件下考慮的，快速的基礎(chǔ)安裝可能會引起較大的沉降。

　　(3)在根據(jù)文中公式選擇防沉板的尺寸時，建議至少考慮 2.0 的安全系數(shù)。

　　(4)海底泥面0～2m的土質(zhì)對防沉板極限承載力計算及防沉板設(shè)計非常重要，因此，工程地質(zhì)勘察應(yīng)高度重視海底表層取樣或原位測試的質(zhì)量及可靠性。

　　(5)在海洋工程勘察中，防沉板基礎(chǔ)極限承載力對后期工程的影響是不容忽視的，應(yīng)根據(jù)建設(shè)工程的需要、地基的復(fù)雜程度等綜合多種方法確定給出合理的極限承載力。

　　參考文獻

　　[1] 王朝陽，付殿福，孫友義.水下生產(chǎn)系統(tǒng)基礎(chǔ)型式對比分析[J].石化技術(shù)，2017，24(4)：11-13.

　　[2] 張所輝，吳姝娜，金濤.開孔方形防沉板在海底黏性土中的承載特性[J].計算機輔助工程，2020，29(1)：24-30.

　　[3] 傅健.階梯式防沉板在深水導(dǎo)管架安裝中的應(yīng)用[J].中國海洋平臺，2020，35(4)：91-94.

　　[4] 李志剛，賈鵬，王洪海，等.水下生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和研究熱點[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報，2019，40(5)：944-952.

　　[5] 劉潤，劉孟孟，楊樹耕.飽和軟黏土中不同形狀深水防沉板基礎(chǔ)承載特性研究[J].海洋學(xué)報，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] 李書兆，賈鵬，尹豐，等.南海某油田防沉板極限承載力研究[J].石油礦場機械，2020，49(04)：14-19.

　　[8] 張樂，袁廷廷.深水導(dǎo)管架分離式防沉板設(shè)計簡析[J].中國水運，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.

　　推薦閱讀：海洋工程涂裝質(zhì)量控制