自升式钻井船桩靴承载能力研究

论文摘要

自升式钻井船是一种机动、高效、作业稳定的海上工程船,既能自升,又能迁航,具有性能好、功能强、通用性好等优点,近年来被广泛应用于海上平台的建造和维护、海底管线的铺设和维修、海上油井的钻探等许多海上石油工程。自升式钻井船的重要技术特点是采用尺寸相对较大的独立大桩靴,就位时插桩、迁航时拔桩是发挥其特点和优势的基本前提。如何控制桩靴入泥深度,使其既满足承载力要求又能安全拔桩,是亟待解决的关键问题。本文综合利用有限元数值模拟和经典土力学理论两种方法,对桩靴基础的竖向承载力进行研究,并对钻井船桩靴尺寸、土体特性参数的影响进行分析。具体的研究工作包括以下几个方面:1、总结目前国内外对自升式钻井船的研究现状;2、采用经典土力学极限承载力理论研究桩靴承载能力,讨论均质土和层状土中桩靴承载力计算方法以及穿刺可能性分析方法,考虑桩靴入泥的动态过程,在桩土相互作用下,分析不同土质下桩靴入泥深度的计算方法。3、采用ABAQUS有限元法,考虑桩土接触面作用,分析竖向荷载作用下桩靴基础的承载力。研究钻井船桩靴尺寸、土体特性参数(包括粘聚力、弹性模量、内摩擦角)、摩擦系数等各种因素对桩靴贯入阻力的影响规律,以及贯入阻力随入泥深度的变化规律。在此基础上,将流固耦合的数值方法引入到桩土相互作用的分析中,进一步研究贯入阻力与入泥深度关系以及压桩结束后孔隙水压力的变化规律。4、以渤海五号钻井船为例,在预压荷载21MN作用下,对比理论计算与有限元分析两种方法的结果,发现二者能够较好的吻合,从而证明ABAQUS有限元分析的可行性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 自升式钻井船的发展
• 1.3 自升式钻井船的主要装置
• 1.4 研究课题的工程背景及意义
• 1.5 本文主要研究内容和方法
• 第二章 自升式钻井船桩靴承载能力分析
• 2.1 概述
• 2.2 自升式钻井船受荷分析
• 2.2.1 海洋工程地质的特点
• 2.2.2 自升式钻井船的荷载
• 2.3 浅基础破坏理论
• 2.4 自升式钻井船在单一地层中地基承载能力计算
• 2.5 自升式钻井船在层状地基上承载能力计算及穿刺分析
• 2.5.1 一般层状地基承载能力的计算
• 2.5.2 硬壳层情况下地基承载能力的计算分析方法
• 2.5.3 穿刺分析
• 2.6 预压分析
• 2.6.1 预压的作用
• 2.6.2 地基稳定性分析
• 2.7 自升式钻井船桩靴入泥分析
• 2.7.1 桩靴入泥的基本过程
• 2.7.2 桩靴入泥的组成
• 2.7.3 桩靴入泥深度的估算方法
• 2.7.4 桩靴入泥深度计算分析举例
• 2.8 本章小结
• 第三章 考虑桩土相互作用的桩靴承载能力数值研究
• 3.1 概述
• 3.2 ABAQUS 中土的弹塑性模型
• 3.2.1 Mohr-Coulomb 模型
• 3.2.2 Drucker-Prager 模型
• 3.2.3 Drucker-Prager 与Mohr-Coulomb 模型转换关系
• 3.3 ABAQUS 对非线性问题的处理
• 3.4 桩土接触问题的模拟
• 3.4.1 接触面间的相互作用
• 3.4.2 主面与从面的概念
• 3.4.3 接触算法
• 3.5 初始应力场的模拟
• 3.6 土体边界尺寸的确定
• 3.7 土体流动状态分析
• 3.8 弹塑性有限元计算
• 3.8.1 基本假定
• 3.8.2 有限元数值模型
• 3.9 极限承载力公式和数值计算结果
• 3.10 单层粘土数值计算结果与讨论
• 3.10.1 贯入阻力随入泥深度的变化
• 3.10.2 粘土特性参数的影响
• 3.10.3 钻井船桩靴尺寸的影响
• 3.11 双层粘土穿刺数值计算与讨论
• 3.11.1 上层土相对厚度的影响
• 3.11.2 上下土层相对强度的影响
• 3.12 引入流固耦合的数值分析
• 3.12.1 模型参数
• 3.12.2 计算结果与讨论
• 第四章 实例分析
• 4.1 概述
• 4.2 计算结果讨论
• 4.2.1 有限元模型
• 4.2.2 计算结果
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 有待于进一步研究的问题
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢