非均匀荷载条件下自升式钻井平台桩腿协同下入方法研究

摘要

随着海洋油气的开发，自升式钻井平台的应用越来越广泛。保证自升式钻井平台“站得稳”，才可以有效避免穿刺事故发生，最大限度地保障平台作业安全。因此，本文采用模型试验和数值模拟相结合的方式对非均匀荷载条件下桩腿的下入过程进行研究，最后将CEL模拟结果与实际工程相结合，证明了本文研究方法对工程实践的适用性。具体进行了以下几个方面的工作，得出相关结论： 首先，在非均匀荷载条件下，不同类型的平台桩腿在下入过程中与土体间的相互作用肯定存在一定差异，而这种差异势必会对桩腿协同下入造成一定影响。通过室内全模型的桩腿下入试验和理论分析，分别得到了圆柱式桩腿和桁架式桩腿的下入深度与下入阻力之间的关系曲线，结果表明：同一下入深度处的下入阻力会随着下入速度的增加而增大。在下入深度为10cm～18cm范围内，圆柱式桩腿与桁架式桩腿的下入曲线差异明显。圆柱式桩腿的下入曲线较为平滑，而桁架式桩腿的下入曲线较为陡峭。 影响自升式钻井平台桩腿下入过程的两个关键因素就是桩腿型式和土体性质。针对土体性质的复杂变化会造成非均匀荷载问题，运用数值模拟方法研究了非均匀荷载条件对桩腿的下入过程的影响，结果表明：对于单层土体，桩腿下入速度和土体抗剪强度是影响桩腿下入过程的两个重要因素。桩腿下入速度对计算结果质量和计算效率有重大影响，通过对不同下入速度进行模拟，最终确定3mm/s为该模型条件下最适合的下入速度。土体强度主要决定桩腿下入过程中土体的回填程度。当Su<0.2kPa时，土体回填程度最大；当Su=5kPa时，土体会部分回填；当Su>20kPa时，土体几乎不会回填。对于复杂土体，主要考虑土体间强度比和上层土体厚度的影响。桩腿下入到存在软土层的土体中，其下入曲线会出现一个峰值，土体间强度比越小峰值越高，上层土体厚度越大峰值越高。 然后运用CEL方法进行了非均匀荷载条件下自升式钻井平台桩腿的整体下入过程模拟，通过对单桩压载方式和桩腿协同下入方式的对比发现：单桩压载方式对周围土体扰动较大，三条桩腿周围都有一个近乎圆形的影响范围，可能会导致桩腿下入困难。而协同下入方式对周围土体扰动较小，土体扰动程度较大的区域仅在三条桩腿靠近的内侧，桩腿下入阻力数值稳定。 最后通过对JU2000E自升式钻井平台桩腿协同下入的模拟结果与理论计算结果相对比，再结合现场的实际数据，显示：在同样压载量的条件下，协同方式下桩腿下入深度在9.5～10.3m的范围内，理论计算得出桩腿下入深度为9.8m，而现场结果显示JU2000E自升式钻井平台桩腿的实际下入深度为10.5m，与协同下入方式的结果更接近，说明了桩腿协同下入方法的对工程实践的适用性。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 土体承载力研究现状

1.2.2 桩腿下入阻力及下入深度研究现状

1.2.3 桩腿“穿刺”研究现状

1.2 .4 平台桩腿下入数值模拟研究现状

1.3 研究内容

第二章 自升式钻井平台桩腿承载力计算

2.1 土体力学参数计算方法

2.1.1 内摩擦角计算

2.1.2 粘聚力计算

2.2 土体极限承载力计算方法

2.2.1 砂性土体极限承载力

2.2.2 粘性土体极限承载力

2.2.3 成层土体极限承载力

2.3 桩-土相互作用

2.3.1 群桩效应

2.3.2 土体回填效应

2.4 带桩靴的桩腿承载力计算方法的选用

2.5 本章小结

第三章 不同类型平台桩腿的全模型下入试验

3.1 平台桩腿缩尺模型试验

3.1.1 试验原理

3.1.2 试验场地与设备

3.1.3 试验流程

3.2 实验结果及分析

3.3 本章小结

第四章 非均匀荷载对桩腿下入过程影响的CEL模拟研究

4.1 耦合的欧拉-拉格朗日（CEL）方法简介

4.2 缩尺桩腿模型下入过程的CEL模拟

4.2.1 CEL数值模型建立

4.2.2 模拟相关参数的确定

4.3 非均匀荷载对桩腿下入过程的影响分析

4.3.1 桩腿下入速度的影响

4.3.2 土体强度的影响

4.3.3 等效圆柱式桩腿

4.3.4 不同土性互层的影响

4.3.5 土体横向厚度变化的影响

4.4 本章小结

第五章 非均匀荷载条件下平台桩腿协同下入方法研究

5.1 桩腿下入过程的穿刺现象

5.2 桩腿预压下入过程

5.3 非均匀荷载下桩腿协同下入的CEL模拟

5.3.1 自升式钻井平台单桩下入

5.3.2 自升式钻井平台桩腿协同下入

5.4 非均匀荷载条件下桩腿协同下入方法

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间获得的学术成果

致谢