【论文推介】海洋桩靴基础穿刺破坏实时预测研究（《海洋工程》2022年第3期论文） - 海洋工程测量通用规范

论文导读与观点概要

自升式海洋平台如自升式钻井平台、自升式风电安装船等以其移动方便、造价低、适用性强的优点，在浅海区域被海上地质勘探、风电安装等工程广泛使用。自升式平台的通用结构有安装船、桩腿和升降系统等。当平台开始作业时，桩腿下伸到海底，站立在海床上，然后利用升降机构将船体托起至海平面一定距离。通过向船舱注水的方式对桩腿施加预压荷载，桩腿底端的桩靴基础在荷载作用下贯入到海床面以下，直至地基承载力等于预压荷载。当桩靴基础在上砂下黏土层中贯入时，由于下卧软土层的影响，贯入阻力并非是随深度增加而一直增加的正相关关系。贯入阻力可能从砂土层的某个位置开始快速下降，此时正在贯入的桩靴基础因上部预压的荷载无法立即卸除，导致预压荷载大于地基的极限承载力，土体发生冲剪破坏。桩靴基础快速向下贯入，最终刺穿硬土层进入软土层，这个过程就是桩靴基础的穿刺破坏。

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Osborne和Paisley通过对钻井平台事故的调研，发现穿刺破坏是桩靴基础在安装和操作过程中最常见的工程事故之一。据统计，穿刺事故占海洋平台总事故的比例高达53%。从图1中可以看出发生穿刺破坏时的点对应的贯入阻力为峰值阻力，对应的贯入深度为穿刺破坏深度，如果能够确定桩腿施加的预压荷载与其贯入深度的关系，预测峰值阻力和穿刺破坏深度，那么在桩靴贯入过程中作业人员可以提前采取相应的措施避免桩靴基础发生穿刺破坏，从而大大降低穿刺事故发生的概率。

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国内外学者对桩靴基础在上砂下黏土层中的穿刺破坏做了大量研究。对于桩靴基础峰值阻力的预测方法，目前国内外规范普遍采用荷载扩展分析法和冲剪系数分析法(例如国际上使用较为广泛的是SNAME规范和ISO规范，我国使用的是《海洋井场调查规范》(SY/T 6707—2016))。戴兵等利用荷载扩展分析法评估了渤海某井位处桩靴穿刺时的峰值阻力，发现计算结果偏小，因此提出将荷载扩展分析法与硬土层剪切破坏后桩靴底端的土体变化结合分析峰值阻力。Yu等通过LDFE分析桩靴在上层松砂下层黏土中的贯入行为，发现SNAME规范推荐的两种计算方法均低估了穿刺风险。李飒等采用离心机模型试验和有限元法分析桩靴在硬夹层分布土层的穿刺行为，发现桩靴的贯入阻力与贯入深度的关系曲线有两种形式。Teh等通过离心机试验，揭示了桩靴贯入过程中土体的破坏机理，并提出峰值阻力和穿刺破坏深度的计算方法。Lee等对桩靴在上层密砂下层超固结黏土的双层土中的贯入进行了共30组离心机模型试验，发现当贯入阻力达到峰值时，桩靴基础贯入深度基本在砂土层厚度的3/20左右，验证了Teh等提出的穿刺破坏深度公式，并提出了能够考虑滑动面阻力、下卧黏土层竖向承载力和砂锥有效应力等因素的峰值阻力计算方法。Hu等认为Teh、Lee等提出的计算方法没有考虑砂土的密实程度和桩靴的几何形状，故其具有一定的局限性。为此，Hu等对Lee等提出的计算方法进行了修正，提出了适用性更强的计算方法。为了检验不同计算方法的准确性，国际土力学与岩土工程学会(ISSMGE)开展了对同一个实际工程案例穿刺破坏的盲测，得到了多个不同的峰值阻力，大部分的预测结果与实际的峰值阻力差异较大。存在差异的一个主要原因是对海底土层情况认识不足，没有考虑土层的不确定性。

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为了考虑不确定性因素，近几年有学者利用概率法预测桩靴基础的穿刺破坏。Jiang等提出PMPE方法，建立测量值与土层参数的回归关系，提高土层参数估计值的精确度。基于贝叶斯理论的概率预测法能够将桩靴安装前用现有计算方法预测到的穿刺区域与桩靴安装过程中的监测数据结合起来，对桩靴基础安装前预测的穿刺区域不断更新。Li等基于Hu等提出的计算方法，融合监测信息，提出一个可以实时更新桩靴穿刺预测结果的概率方法，这种概率预测法得到的结果更接近实际穿刺破坏点。但是该方法是否适用规范推荐的计算方法尚不清楚。因此，文中采用规范推荐的两种计算方法，分别结合贝叶斯定理和监测数据，建立适用于规范法的穿刺破坏实时概率预测模型。

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基本结论

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针对桩靴基础在上砂下黏土层中贯入的穿刺风险，将桩靴基础贯入过程中的监测数据与穿刺破坏机理相结合，通过66组离心机模型试验结果表征土体不确定性的影响，发展了贝叶斯预测模型，实现了穿刺荷载和穿刺深度的实时预测，并得到以下结论：

1)实时概率预测法相较于传统的分析方法，得到的穿刺破坏深度和峰值阻力更接近实测值。

2)利用概率法预测穿刺风险，监测点的数据越多，得到的可能穿刺区域就越集中，最有可能发生穿刺破坏的点越靠近实际穿刺点。

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3)文中建立了适用于规范法的穿刺破坏实时预测模型，该预测模型不受计算方法的影响，无论采用荷载扩展分析法还是冲剪系数分析法，预测的穿刺区域和其对应的概率值几乎一致，而且预测的最有可能穿刺点的峰值阻力与实际测量值的差值均在10%以内。

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本文引用格式：王园园, 罗武章, 李锦辉. 海洋桩靴基础穿刺破坏实时预测研究[J]. 海洋工程, 2022, 40(3): 10-21.  (WANG Yuanyuan, LUO Wuzhang, LI Jinhui. Study on real-time prediction of punch-through of spudcan foundation[J]. The Ocean Engineering, 2022, 40(3): 10-21.  (in Chinese)）

通信作者简介：李锦辉  

李锦辉，女，博士，哈尔滨工业大学（深圳）教授，博士生导师，教育部特聘教授。牵头获广东省自然科学一等奖、国际岩土安全协会青年科学家奖、香港岩土工程与岩土环境协会AGS Geotechnical Award等荣誉和奖励。主持了包括国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、英国劳氏船级社基金会主席项目等在内的科研项目30余项，发表文章110篇，SCI收录60余篇，出版英文专著和教材2部，获授权国家发明专利和软件著作权9项。担任本领域SCI期刊 《COMPUTERS & GEOTECHNICS》、《Journal of Ocean Engineering and Marine Energy》副主编、《GEORISK》编委。目前任国际岩土安全学会秘书长、国际土力学和岩土工程学会机器学习与大数据技术委员会理事（TC309）、国际工程地质与环境协会海洋工程地质专业技术委员会理事（C34）、国际土力学和岩土工程学会工程风险评估与管理委员会理事（TC304）等职务。

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期刊简介

Introduction

《海洋工程》是中国科协技术协会主管，中国海洋学会主办，南京水利科学研究院和上海交通大学承办的综合性中文科技期刊，双月刊，创刊于1983年，现已成为我国海洋工程领域具有较大影响力的学术期刊。报道范围涵盖深海工程、近海工程、海上风电工程、河口海岸工程、港口航道工程、海洋能源利用工程、海底矿产资源开发工程、水下工程、潜水救捞技术等。

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《海洋工程》立足于自身定位，突出刊物特色，遵循理论与实践相结合的原则，在内容上理论性与实用性兼顾。贯彻科学技术要面向生产，为国民经济建设服务和“百花齐放，百家争鸣”的方针，交流科研成果，开展学术讨论，为提高我国海洋工程的科学技术水平，促进我国海洋资源的开发利用作出积极贡献。

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本刊是全国中文核心期刊，中国科技核心期刊，《中国科学引文数据库》（CSCD）核心期刊，美国《剑桥科学文摘》(CSA)、日本科学技术振兴机构数据库（JST）、科技期刊世界影响力指数(WJCI)等收录期刊，中国科技论文统计源期刊等。

先后荣获中国国际影响力优秀学术期刊、国家级优秀海洋期刊、中国科协高水平中文期刊培育项目资助等荣誉。

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