CN108181188A - 大桩靴自升式平台黏土中分级压载穿刺试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大桩靴自升式平台黏土中分级压载穿刺试验装置及方法，其包括试验土池，所述试验土池设置在所述加载和支撑装置下方，所述测量及冲桩系统和桩靴模型都设置在所述加载和支撑装置上；所述加载和支撑装置包括设置在地面上的水平导轨，以及滑动设置在所述水平导轨上的支撑架；所述水平导轨沿所述试验土池两侧的长度方向设置；所述支撑架由支撑柱及支撑横梁构成，相邻两根所述支撑柱之间都设置有所述支撑横梁，且所述支撑横梁位于所述支撑柱顶部。本发明采用分级压载的试验方法研究均质软黏土地层上压载速度对于地基承载力的影响以及冲桩对于降低地基承载力的作用，并通过与实际工况对比，验证了该实验系统及方法有效可靠。

Description

大桩靴自升式平台黏土中分级压载穿刺试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种海上石油钻井作业中压载穿刺试验装置及方法，特别是关于一种自升式钻井平台在压载过程中的大桩靴自升式平台黏土中分级压载穿刺试验装置及方法。

背景技术

为了获得更大的地基承载力，减少自升式平台在某些软黏土海床区域插桩的入泥深度，提高作业适应性，某些新型自升式平台使用了大桩靴的设计。自升式钻井平台插桩的历史经验显示，穿刺仅发生在遇到上硬下软地层的情况。但是，随着海洋石油钻井作业区域的扩展，自升式钻井平台在某些无明显上硬下软地层的均质黏土海床上进行插桩压载时也会发生穿刺。国外对非连续压载过程进行了一定程度的研究，但相关结论的普遍适用性较差，更难以指导大桩靴的工程实践。而针对大桩靴的穿刺研究，国内外均很少有研究涉及。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种大桩靴自升式平台黏土中分级压载穿刺试验装置及方法，其研究大桩靴在软黏土层中压载过程中的承载力特性与加载速度之间的关系，得出穿刺现象的发生与压载载荷加载的快慢相关，且冲桩操作可降低穿刺现象发生的风险，对于自升式钻井平台在均质黏土层的海底上进行压载操作具有较强的指导意义。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种大桩靴自升式平台黏土中分级压载穿刺试验装置，其特征在于：该装置包括试验土池、加载和支撑装置、测量及冲桩系统和桩靴模型；所述试验土池设置在所述加载和支撑装置下方，所述测量及冲桩系统和桩靴模型都设置在所述加载和支撑装置上；所述加载和支撑装置包括设置在地面上的水平导轨，以及滑动设置在所述水平导轨上的支撑架；所述水平导轨沿所述试验土池两侧的长度方向设置；所述支撑架由支撑柱及支撑横梁构成，相邻两根所述支撑柱之间都设置有所述支撑横梁，且所述支撑横梁位于所述支撑柱顶部。

进一步，所述测量及冲桩系统包括竖直滑动导轨、水箱支架、滚动轴承、水箱、压力传感器、位移传感器、孔压传感器和数据采集设备；每个所述支撑柱上部都设置有所述竖直滑动导轨，位于所述竖直滑动导轨之间滑动设置有所述水箱支架；在所述竖直滑动导轨顶部设置有所述滚动轴承；所述水箱设置在所述水箱支架上，且所述水箱位于所述试验土池上方，通过冲桩管线与所述桩靴模型连接；所述压力传感器、位移传感器和孔压传感器均设置在所述桩靴模型上，将采集到的信号传输至所述数据采集设备。

进一步，所述测量及冲桩系统还包括剪切仪，用于测量所述试验土池内原位土抗剪强度数值。

进一步，所述数据采集设备采用型号为DH5923的动态数据采集仪。

进一步，所述水箱采用四个。

进一步，所述水箱通过加载管道与水泵出口端连接，所述水泵入口端通过加载管道与设置在地面上的储水池连接；位于所述水泵入口端与所述储水池之间的加载管道上设置有流量计，位于所述水泵出口端设置有压力表。

进一步，所述水泵采用利欧XQm型水泵。

进一步，所述桩靴模型包括连接杆以及设置在所述连接杆底部的桩靴；所述连接杆顶部与所述水箱支架底部连接，在所述连接杆上设置有所述位移传感器和压力传感器；位于所述桩靴底部内圈间隔设置有冲桩孔，所述冲桩管线与所述冲桩孔连接，位于所述桩靴底部外圈间隔设置有所述孔压传感器。

进一步，所述孔压传感器为4个，所述冲桩孔设置为6个。

一种基于上述装置的大桩靴自升式平台黏土中分级压载穿刺试验方法，其特征在于包括以下步骤：1)将黏土破碎、搅拌，加水静置，配置具有初始含水率的饱和黏土；2)安装桩靴模型、测量及冲桩系统与加载和支撑装置，安装传感器；3)提取土样，由剪切仪测定土样的不排水抗剪强度；4)对桩靴进行分级压载，首先按不同加载时间加载配重50kg，测量压载-位移曲线，静置30min，将配重加至100kg，测量压载-位移曲线，依次将配重加至150kg和200kg，测量压载-位移曲线；5)拔出桩靴，将桩靴移到新的插桩位置进行分级压载，在对桩靴分级压载的过程中进行冲桩，测量压载-位移曲线；6)根据得到的压载-位移曲线，分析压载速度对地基承载力的影响，以及冲桩对于地层承载力的影响。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的分级压载试验模拟了现场插桩过程，符合工况。2、本发明采用分级压载的试验方法研究均质软黏土地层上压载速度对于地基承载力的影响以及冲桩对于降低地基承载力的作用，并通过与实际工况对比，验证了该实验系统及方法有效可靠。3、本发明针对新型大桩靴自升式钻井平台，研究大桩靴在软黏土层中压载过程中的承载力特性与加载速度之间的关系，得出穿刺现象的发生与压载载荷加载的快慢相关，而冲桩能够有效的降低地基极限承载力，在地基承载力较大或穿刺风险较高的地层可以采用冲桩的方式降低穿刺风险，对于自升式钻井平台在均质黏土层的海底上进行压载操作具有较强的指导意义。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的储水池及水泵结构示意图；

图3是本发明的测量及冲桩系统俯视图；

图4是本发明的桩靴模型结构示意图；

图5是图4的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种大桩靴自升式平台黏土中分级压载穿刺试验装置，其针对新型大桩靴式平台在均质软黏土海床情况下的研究；本发明包括试验土池1、加载和支撑装置2、测量及冲桩系统3和桩靴模型4。试验土池1设置在加载和支撑装置2下方，测量及冲桩系统3和桩靴模型4都设置在加载和支撑装置2上。

加载和支撑装置2包括设置在地面上的水平导轨5，以及滑动设置在水平导轨5上的支撑架6。水平导轨5沿试验土池1两侧的长度方向设置。支撑架6由支撑柱及支撑横梁构成，相邻两根支撑柱之间都设置有支撑横梁，且支撑横梁位于支撑柱顶部，以有效保证支撑架6的稳固性。

如图1、图3所示，测量及冲桩系统3包括竖直滑动导轨7、水箱支架8、滚动轴承9、水箱10、压力传感器11、位移传感器12、孔压传感器13和数据采集设备；数据采集设备可以采用已有设备。在加载和支撑装置2中每个支撑柱上部都设置有竖直滑动导轨7，位于竖直滑动导轨7之间滑动设置有水箱支架8；在竖直滑动导轨7顶部设置有滚动轴承9，在滚动轴承9与竖直滑动导轨7的配合下，带动水箱支架8沿竖直方向进行上下垂直移动。水箱10设置在水箱支架8上，且水箱10位于试验土池1上方，通过冲桩管线与桩靴模型4连接，用于向试验土池1内注水实现对试验土池1垂直方向的载荷加载。压力传感器11、位移传感器12和孔压传感器13均设置在桩靴模型4上，将采集到的信号传输至数据采集设备。

上述实施例中，测量及冲桩系统3还包括剪切仪，用于测量试验土池1内的原位土抗剪强度，并将测量结果传输至数据采集设备。在本实施例中，剪切仪采用便携式十字板剪切仪。

上述各实施例中，数据采集设备采用型号为DH5923的动态数据采集仪进行数据采集，该数据采集仪共有32个数据通道，采集速度快，抗干扰能力强。

在一个优选的实施例中，水箱10采用四个，实现对试验土池1进行四次分级加载。

上述各实施例中，如图2所示，水箱10通过加载管道与水泵14出口端连接，水泵14入口端通过加载管道与设置在地面上的储水池15连接。位于水泵14入口端与储水池15之间的加载管道上还设置有流量计16，位于水泵14出口端设置有压力表17，进而由水泵14控制冲桩流量并测量冲桩压力。在本实施例中，水泵14采用利欧XQm型水泵14，其排量范围为0～25L/min，扬程最大0.2MPa，额定功率0.125kW。

如图1、图3～图5所示，桩靴模型4包括连接杆18以及设置在连接杆18底部的桩靴19。连接杆18顶部与水箱支架8底部连接，在滚动轴承9和竖直滑动导轨7的配合运动下，由水箱支架8带动连接杆18进行上下垂直运动；在连接杆18上设置有位移传感器12和压力传感器11。位于桩靴19底部内圈间隔设置有冲桩孔20，冲桩管线与冲桩孔20连接，实现在对桩靴19分级压载的冲桩过程中，冲桩水通过冲桩管线对桩靴19下面的土壤进行喷冲；位于桩靴19底部外圈间隔设置有孔压传感器13。在本实施例中，孔压传感器13优选为4个，冲桩孔20优选设置为6个。

上述实施例中，桩靴19尺寸大小可以优选为长300mm，宽236mm，高600mm。

综上所述，本发明在使用时，水箱10平放在水箱支架8上，储水池15内的压载水通过流量计16由加载管道匀速加入水箱10，从而对桩靴19施加压载力；并由压力传感器11和位移传感器12记录压载过程中力与位移随时间的变化并由动态数据采集仪进行数据采集。水箱10加满静置一定时间后重复加载过程共进行四次分级加载。

在试验装置中可以设置有两个桩靴加载位置(如图3所示)，以方便进行对照实验。在图中位置1处进行桩靴分级压载试验，测量压载过程中的压载-位移曲线。在图中位置2处进行冲桩降低承载力的试验，测量压载-位移曲线。对比不冲桩和冲桩前后的压载-位移曲线，即可分析冲桩对于降低地基承载力的作用。

基于上述装置，本发明还提供一种大桩靴自升式平台黏土中分级压载穿刺试验方法，整个试验在试验土池1中进行，其包括以下步骤：

1)将黏土破碎、搅拌，加水静置，配置具有初始含水率的饱和黏土。

2)安装桩靴模型4、测量及冲桩系统3与加载和支撑装置2，安装传感器。

3)提取土样，由剪切仪测定土样的不排水抗剪强度。

4)对桩靴19进行分级压载，首先按不同加载时间加载配重50kg，测量压载-位移曲线，静置30min，将配重加至100kg，测量压载-位移曲线，依次将配重加至150kg和200kg，测量压载-位移曲线。

5)拔出桩靴19，将桩靴19移到新的插桩位置进行分级压载，在对桩靴分级压载的过程中进行冲桩，冲桩排量控制为0.7L/min，测量压载-位移曲线。

6)根据得到的压载-位移曲线，分析压载速度对地基承载力的影响，以及冲桩对于地层承载力的影响。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种大桩靴自升式平台黏土中分级压载穿刺试验装置，其特征在于：该装置包括试验土池、加载和支撑装置、测量及冲桩系统和桩靴模型；所述试验土池设置在所述加载和支撑装置下方，所述测量及冲桩系统和桩靴模型都设置在所述加载和支撑装置上；

所述加载和支撑装置包括设置在地面上的水平导轨，以及滑动设置在所述水平导轨上的支撑架；所述水平导轨沿所述试验土池两侧的长度方向设置；所述支撑架由支撑柱及支撑横梁构成，相邻两根所述支撑柱之间都设置有所述支撑横梁，且所述支撑横梁位于所述支撑柱顶部。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述测量及冲桩系统包括竖直滑动导轨、水箱支架、滚动轴承、水箱、压力传感器、位移传感器、孔压传感器和数据采集设备；每个所述支撑柱上部都设置有所述竖直滑动导轨，位于所述竖直滑动导轨之间滑动设置有所述水箱支架；在所述竖直滑动导轨顶部设置有所述滚动轴承；所述水箱设置在所述水箱支架上，且所述水箱位于所述试验土池上方，通过冲桩管线与所述桩靴模型连接；所述压力传感器、位移传感器和孔压传感器均设置在所述桩靴模型上，将采集到的信号传输至所述数据采集设备。

3.如权利要求2所述装置，其特征在于：所述测量及冲桩系统还包括剪切仪，用于测量所述试验土池内原位土抗剪强度数值。

4.如权利要求2或3所述装置，其特征在于：所述数据采集设备采用型号为DH5923的动态数据采集仪。

5.如权利要求2或3所述装置，其特征在于：所述水箱采用四个。

6.如权利要求2或3所述装置，其特征在于：所述水箱通过加载管道与水泵出口端连接，所述水泵入口端通过加载管道与设置在地面上的储水池连接；位于所述水泵入口端与所述储水池之间的加载管道上设置有流量计，位于所述水泵出口端设置有压力表。

7.如权利要求6所述装置，其特征在于：所述水泵采用利欧XQm型水泵。

8.如权利要求2所述装置，其特征在于：所述桩靴模型包括连接杆以及设置在所述连接杆底部的桩靴；所述连接杆顶部与所述水箱支架底部连接，在所述连接杆上设置有所述位移传感器和压力传感器；位于所述桩靴底部内圈间隔设置有冲桩孔，所述冲桩管线与所述冲桩孔连接，位于所述桩靴底部外圈间隔设置有所述孔压传感器。

9.如权利要求8所述装置，其特征在于：所述孔压传感器为4个，所述冲桩孔设置为6个。

10.一种基于如权利要求1或2或8所述装置的大桩靴自升式平台黏土中分级压载穿刺试验方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将黏土破碎、搅拌，加水静置，配置具有初始含水率的饱和黏土；

2)安装桩靴模型、测量及冲桩系统与加载和支撑装置，安装传感器；

3)提取土样，由剪切仪测定土样的不排水抗剪强度；

4)对桩靴进行分级压载，首先按不同加载时间加载配重50kg，测量压载-位移曲线，静置30min，将配重加至100kg，测量压载-位移曲线，依次将配重加至150kg和200kg，测量压载-位移曲线；

5)拔出桩靴，将桩靴移到新的插桩位置进行分级压载，在对桩靴分级压载的过程中进行冲桩，测量压载-位移曲线；

6)根据得到的压载-位移曲线，分析压载速度对地基承载力的影响，以及冲桩对于地层承载力的影响。