硬土上覆软土地基中桩靴基础的承载力研究

摘要

浅水到中层水深度的大多数海上钻探是通过自升式钻井平台进行的，这是由于它们具有公认的灵活性，机动性和成本效益。在海床上安装桩靴以提供自升式钻井平台作业期间的基础稳定性。这些平台用于近海勘探钻井、新平台的安装、维护工作以及有限寿命油田的油气生产。桩靴是连接到自升式钻井平台每条桩腿的锥形基础。　　在安装和预加载过程中，桩靴穿透是自升式钻井平台行业的重要关注点之一。对于自升式钻井平台桩靴穿透有着潜在的灾难性影响，因为大规模不受控的穿透可能导致桩腿弯曲，使得平台无法工作，甚至可能导致平台倾覆。桩靴穿透一般发生在分层沉积物中，最近有一些新的设计方法，用于预测桩靴基础贯入砂土上覆粘土地基中的桩靴承载力。本文使用耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法模拟大变形桩靴基础动态贯入过程，采用模型不确定性研究修正了ISO规范建议的四种硬土上覆软土的承载力公式，提出了四种修正后适用于预测桩靴基础贯入硬土上覆软土地基的峰值承载力的设计方法，具有更好的预测参考结果。　　此外，粘土质海床的随机非均匀性早已得到承认，但直到最近才通过随机有限元分析明确探讨了空间变异性对于桩靴基础的影响，但未曾对多层土体进行研究过。本研究将大变形有限元计算与随机场理论在蒙特卡罗模拟框架中结合起来，采用欧拉-拉格朗日耦合有限元计算方法，在考虑应变软化效应和强度随深度线性增加的同时，对硬土上覆软土地基的连续贯入进行了数值模拟。结果表明，土体强度的随机性对土体的流动和破坏机理有明显的影响，进而影响了桩靴的承载能力。发现对数正态概率分布函数较好地拟合了承载力系数的分布。建立了失效概率与安全系数之间的相关关系，从而明确不同安全系数对应的可靠性水平。这种相关性可能有助于可靠性设计的进一步发展。

目录

主要符号

1 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 主要研究内容及技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 研究采用的技术路线

2 三维随机场和有限元模型的建立

2.1 引言

2.2 有限元模型的建立

2.2.1 模型不确定性研究的有限元模型及敏感性分析

2.2.2 随机不确定性研究的有限元模型及敏感性分析

3 桩靴基础承载力的模型不确定性研究

3.1 引言

3.2 基础承载力的设计方法

3.3 模型不确定性表征框架

3.4 模型系数M

3.5 模型系数MCEL

3.6 模型系数Ms

3.7 回归分析

3.8 随机残余部分（η）的概率模型

3.9 修正模型系数M' 的模型统计

3.10 本章小结

4 桩靴基础承载力的随机不确定性研究

4.1 引言

4.2 随机场的离散方法

4.3 三维随机场的建立

4.4 土体流动与破坏机理

4.5 承载力的确定性解释

4.6 承载力的不确定性解释

4.6.1 蒙特卡洛模拟

4.6.2 空间变异性土体中桩靴基础的承载力

4.6.3 承载力系数检验

4.7 失效概率:基于可靠性的设计

4.8 本章小结

5 结论与展望

5.1 本文结论

5.2 本文创新点

5.3 今后研究展望

参考文献

附 录

A 学位论文数据集

致谢