海上自升式钻井平台插/拔桩机理及新型桩靴静/动承载力研究

论文摘要

海上自升式钻井平台的机动性很强,需要适应不同土质条件,所以平台基础承载能力的预测,穿刺现象的预防和顺利拔桩的能力都是至关重要的问题。本课题就是针对这些实际问题,从机理上研究了海上自升式钻井平台预压-工作-迁航过程中桩靴的性能特点和桩靴型式的改进等若干问题,弥补了国内对于海上自升式钻井平台桩靴基础理论研究的不足。本文引入流固耦合理论建立了饱和粘土条件下土-桩靴系统的有限元模型,从而更为准确的描述了海上自升式钻井平台插桩/拔桩过程中桩靴的工作性状;通过桩靴在多种土质及贯入条件下的计算和分析,提出了桩靴在深贯入条件下的极限承载力系数为10.30（不考虑土体回流作用）和12.25（考虑土体回流作用）,极限上拔阻力系数为12.62;同时文中给出了平台插桩/拔桩过程中土体孔穴深度、桩靴承载力、桩靴底部吸力和桩靴上拔力的计算方法。本文定性和定量的分析了多层土条件下,桩靴承载力和孔穴的变化规律,揭示了桩靴发生穿刺现象的实质;进一步提出了桩靴极限安全深度的概念,系统描述了上下土层强度比、上层土相对厚度、下层土标准化抗剪强度和土体强度非均匀系数等参数变化对桩靴承载力的影响;最后给出了适用于工程使用的上硬下软粘土中桩靴承载力系数的计算方法。在桩靴上拔力分析中,本文提出了将上拔力分为桩靴上部阻力和桩靴底部吸力的概念,通过数值模型模拟了多种加载条件和不同桩靴贯入深度时桩靴周围孔压的消散规律和桩靴上拔力不同组成部分的变化规律,证明了这种概念的准确性和可行性;在此基础上,确立了桩靴在不同贯入深度上拔时土体不同的破坏模式,给出了桩靴底部吸力在平台工作荷载、上拔速度和贯入深度等参数变化时的发展规律,数值模拟的吸力变化范围在总上拔力的27%-80%,这为平台上拔能力储备和桩靴底部环喷系统的准确设计提供了可靠的理论依据。通过给传统桩靴增加筒裙结构,本文提出了承载能力更好的筒型桩靴型式,理论研究表明筒裙系统可以增长基础的有效埋置深度,从而提高平台基础的固定度和平台整体刚度;通过swipe和固定位移比的加载方法,绘制了复合加载模式下筒型桩靴和传统桩靴的V-H、V-M和V-H-M受力空间的破坏包络面和循环荷载条件下,两种桩靴基础的V-Vc、V-Hc受力空间的破坏包络面,理论上证明了筒型桩靴可以把桩靴的水平和弯矩承载能力提高10%以上,尤其是水平承载力,在动荷载条件下可以增长20%以上;在风浪流等极限风暴动荷载作用下,典型的海上自升式钻井平台在较硬粘土中使用筒型桩靴比使用传统桩靴在整体承载力上可以提高46%。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.1.1 海上自升式钻井平台概述
• 1.1.2 桩靴基础性能概述
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 桩靴承载力的研究现状
• 1.2.2 桩靴周围土体回流破坏机理的研究现状
• 1.2.3 桩靴穿刺现象的研究现状
• 1.2.4 桩靴上拔问题的研究现状
• 1.2.5 桩靴基础型式的研究现状
• 1.3 本课题研究背景及创新点
• 第二章 桩靴贯入阶段承载力的数值模拟研究
• 2.1 饱和粘土的连续介质模型
• 2.1.1 连续介质土的控制方程
• 2.1.1.1 控制微分方程
• 2.1.1.2 控制方程的变分形式
• 2.1.2 土－桩靴系统的有限元形式
• 2.1.2.1 土体的有限元形式
• 2.1.2.2 桩靴的有限元形式
• 2.2 土－桩靴系统的数值模型
• 2.3 桩靴承载力数值计算
• 2.3.1 孔穴高度的计算方法
• 2.3.2 桩靴承载力的计算方法
• 2.3.3 渤海5 号实例计算
• 2.4 小结
• 第三章 桩靴穿刺现象数值模拟研究
• 3.1 多层土地基中桩靴承载力计算方法讨论
• 3.1.1 砂土/软粘土情况
• 3.1.1.1 Hanna&Meyerhof方法
• 3.1.1.2 投影面积法
• 3.1.2 硬粘土/软粘土情况
• 3.1.2.1 Brown&Meyerhof方法
• 3.1.2.2 投影面积法
• 3.2 层状粘土中桩靴发生穿刺现象可能性的数值研究
• 3.2.1 数值模型的建立
• 3.2.2 孔穴高度计算结果分析
• 3.2.3 层状土中桩靴承载力和穿刺现象分析
• 3.2.3.1 极限安全深度的影响
• 3.2.3.2 上下土层强度比cub / cut 的影响
• 3.2.3.3 上层土相对厚度t D 的影响
• 3.2.3.4 标准化抗剪强度cub /γb′D 的影响
• 3.2.3.5 土体强度非均匀性系数kD / cub 的影响
• 3.2.3.6 承载力系数的计算方法
• 3.3 小结
• 第四章 桩靴上拔力的数值模拟研究
• 4.1 数值模型的建立
• 4.1.1 有限元模型
• 4.1.2 工作荷载下桩靴周围孔压消散规律分析
• 4.1.3 上拔过程桩靴周围孔压变化规律分析
• 4.2 桩靴上拔力影响因素分析
• 4.2.1 工作荷载加载时间的影响
• 4.2.2 桩靴上拔速度的影响
• 4.2.3 上拔力的组成分析
• 4.2.4 工作荷载大小的影响
• 4.3 桩靴上拔力系数计算分析
• 4.3.1 土体破坏模式的确定
• 4.3.2 上拔力系数的计算结果分析
• 4.3.3 桩靴上拔力的计算方法
• 4.4 小结
• 第五章 传统桩靴和筒型桩靴型式的比较研究
• 5.1 传统桩靴和筒型桩靴的极限承载力比较
• 5.1.1 数值模型的建立
• 5.1.2 静荷载下极限承载力的比较
• 5.1.3 循环荷载下极限承载力的比较
• 5.2 筒基桩靴作为海上自升式钻井平台基础的优势
• 5.2.1 数值模型
• 5.2.2 刚性度的比较
• 5.2.3 承载能力的比较
• 5.3 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本课题的主要结论
• 6.2 本课题的展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢