张力腿平台整体式负压基础沉贯及抗拔过程数值分析

论文摘要

张力腿平台目前广泛应用于深海石油开发,其平台基础主要分为负压桶形基础和桩基础。由于深海中地质条件普遍较差,相比桩基础而言,负压桶形基础是一种更加适合张力腿平台的基础形式。目前负压桶形基础用于张力腿平台时,其适用水深还不能满足深海开发的要求。为此,我们提出张力腿平台整体式负压基础方案,将四条张力腿下部的桶形基础连接在一起,即四个负压桶形基础成为一个整体基础,这样可以提高每单个桶基的抗拔性能、稳定性。同时由于将桶基一起协调沉贯到位,这样也相应地缩短了海上施工时间。然而在一些实际应用桶形基础过程中出现了负压沉贯失败和抗拔失效的问题,迫切要求我们对桶形基础沉贯和抗拔过程进行定量的分析研究。本文针对张力腿平台整体式负压基础研究中面临的问题,取典型的粘土和砂土土壤环境,采用PLAXIS有限元软件,对张力腿平台整体式负压基础沉贯过程以及抗拔特性进行了数值模拟分析。经过研究将张力腿平台整体式负压基础沉贯过程系统分为:自重沉贯、中期固结、负压沉贯。采用分步施工算法计算桶基自重沉贯深度;对自重沉贯后土体的中期固结进行定量分析,总结超孔隙水压消散规律;应用ANSYS有限元软件,采用临界水力坡降法计算最大许用负压;实际施工负压和沉贯中渗流引起的摩擦力折减,二者之间是一个相互迭代耦合的过程,采用PLAXIS有限元软件进行渗流场数值模拟,得出实际施工负压下桶壁内外摩擦力的折减系数以及总阻力,在小于许用负压前提下,确定实际施工负压;应用接触面单元的概念,模拟桶形基础与土的相互作用,考虑伴生渗流场的影响,对桶形基础的抗拔过程进行数值分析。本文经过研究探索出可行的数值计算方法,更好地应用于实际工程中。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出及研究的意义
• 1.2 国内外研究现状及发展
• 1.3 本文的研究内容
• 第二章 桶形基础沉贯及抗拔计算土力学原理
• 2.1 渗流计算基本原理
• 2.1.1 渗流的本构关系－Darcy 定律
• 2.1.2 渗透系数
• 2.2 渗流问题的控制方程
• 2.2.1 运动方程
• 2.2.2 连续性方程
• 2.2.3 稳定渗流微分方程式
• 2.3 渗流方程定解条件
• 2.4 桶形基础负压沉贯渗流场的基本方程和定解条件
• 2.5 桶形基础负压下沉阻力计算有限元法
• 2.5.1 有效应力原理
• 2.5.2 土中渗流时的两项力系及渗流力
• 2.5.3 桶基负压下沉阻力的计算方法
• 2.5.4 改进的负压下沉阻力计算公式
• 2.6 太沙基一维固结理论
• 2.7 桶形基础抗拔计算有限元法
• 2.7.1 土体本构模型
• 2.7.2 Mohr-Coulomb 弹塑性模型
• 2.7.3 土与基础接触问题的模拟
• 2.7.4 桶形基础竖向承载力计算有限元法
• 第三章 有限元分析软件简介
• 3.1 ANSYS 在渗流分析中的应用
• 3.2 PLAXIS 有限元软件
• 3.2.1 PLAXIS 有限元软件简介
• 3.2.2 有限元分析模型
• 3.2.3 分步施工算法
• 3.2.4 中期固结分析
• 3.2.5 渗流计算
• 第四章 张力腿平台整体式负压基础沉贯及抗拔过程计算方法
• 4.1 桶基自重沉贯计算方法
• 4.2 中期固结计算方法
• 4.3 桶基负压沉贯计算方法
• 4.3.1 临界水力坡降
• 4.3.2 许用负压计算
• 4.3.3 折减系数计算
• 4.4 桶基抗拔特性计算方法
• 第五章 张力腿平台整体式负压基础沉贯及抗拔过程数值计算
• 5.1 粘土环境下桶基沉贯及抗拔过程数值计算
• 5.1.1 粘土环境下桶基自重沉贯计算
• 5.1.2 粘土环境下桶基自重沉贯后中期固结
• 5.1.3 粘土环境下桶基负压沉贯
• 5.1.4 粘土环境下桶基抗拔特性计算
• 5.2 砂土环境下桶基沉贯及抗拔过程数值计算
• 5.2.1 砂土环境下桶基自重沉贯计算
• 5.2.2 砂土环境下桶基自重沉贯后中期固结
• 5.2.3 砂土环境下桶基负压沉贯
• 5.2.4 砂土环境下桶基抗拔特性计算
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢