桩靴基础在单层粘土及砂覆粘土地层中失效机理及承载力的大变形随机有限元研究

摘要

自升式钻井平台作为一种海上可移动式钻井设备，可用于海上石油和天然气的勘探和开采，其中，作为自升式钻井平台的重要组成部分的桩腿，底部附有一个巨大的倒圆锥型的基础，即为“桩靴”，作用是减少桩腿在粘土内的贯入距离，承担海底对平台的支撑力，便于在海床中定位或增大基础与地基之间的滑动摩擦力，桩靴基础有效直径通常10-20m，埋入海床土体的深度为2-3倍的桩靴直径，以获得足够的承载能力来保证作业过程中的安全性。　　迄今为止，有不少学者对均质土体以及非均质土体进行了大量的研究，但海洋岩土由于复杂的形成过程，呈现出空间变异的性质，其失效机理和承载力与均质土体以及非均质土体有很大的区别，尽管已经有学者基于小变形有限元分析探究单层粘土地基土体对桩靴基础的承载力与失效机理的影响，但小变形有限元方法难以模拟桩靴基础的连续贯入过程中土体的回流情况，因此本文结合耦合欧拉-拉格朗日的大变形随机有限元数值模拟和蒙特卡洛方法，研究粘土地基和砂覆粘土地基考虑粘性土体空间变异性时，桩靴基础的失效机理和承载力的变化。　　对于单层粘土地基，不排水抗剪强度变异系数与相关长度发生变化时，随机场呈现出明显的不同，进而导致桩靴基础失效机理差异和承载力的波动情况，因此激发抗剪强度系数对数概率密度的分布存在明显的差异，但根据失效概率计算出的激发抗剪强度系数特征值却具有一定的平稳性，在本研究中激发抗剪强度系数特征值的平稳性并未受到不排水抗剪强度变异系数与相关长度影响，因此，在工程应用中可采用该值进行设计以满足目标可靠度的要求，保证工程的经济安全性具有一定的实践意义。　　对于砂覆粘土地基，上部砂层土体强度较高，底部粘性土体强度降低，在贯入过程桩靴基础在砂层中达到峰值承载力后，易产生穿刺破坏，在考虑粘土层的空间变异性时，峰值深度基本不变，该深度处的下层粘土强度变异性对砂土内部的破坏机理影响不大，但下垫层粘土被不同程度地扰动，并在砂楔块下提供不同的阻力，对桩靴基础临界深度处的承载力影响较大，因此本文根据临界承载力的对数概率密度函数，结合失效概率和可靠度综合评估峰值承载力的可靠度水平。

目录

主要符号

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 基于单层粘土对桩靴基础失效机理的研究

1.2.2 基于砂覆粘土地基对桩靴基础失效机理的研究

1.2.3 基于单层粘土地基对桩靴承载力的研究

1.2.4 基于砂覆粘土地基对桩靴基础承载力的研究

1.2.5随机场理论的发展

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 研究采用的技术路线

2 三维随机场理论

2.1 引言

2.2.1 随机场的基本概念

2.2.2 随机数的数字特征

2.2.3 相关长度与相关函数

2.2.4 平稳性和各态历经性

2.3 修正的线性插值法

2.4 随机有限元模型

2.4.1 空间变异性土体的材料特性

2.4.2 空间变异性土体参数选取

2.4.3 耦合欧拉-拉格朗日方法（CEL有限元模型）

2.5 本章小结

3 基于单层粘土桩靴基础的失效机理及承载力分析

3.1 引言

3.2 模型介绍

3.3 模型验证

3.3.1 定量情况下的承载力验证

3.3.2 定量情况下的塑流场与离心机试验比较

3.4.1 不同深度处的失效机理

3.4.2 不同工况下在1.4D深度处桩靴基础失效机理研究

3.5.1 激发抗剪强度系数概念的引入

3.5.2 激发强度系数随深度的分布图

3.5.3 蒙特卡洛模拟验证

3.5.4 激发抗剪强度系数概率密度分布与拟合

3.5.5 激发抗剪强度系数特征值的分析

3.6 本章小结

4 基于砂覆粘土桩靴基础的失效机理及承载力分析

4.1 引言

4.2 模型介绍

4.3 模型验证

4.3.1 贯入阻力-位移曲线

4.3.2 临界贯入深度处的失效机理

4.3.3 在不同试验中峰值承载力的验证

4.4 考虑下伏粘土空间变异性的临界贯入深度破坏机理研究

4.5 下伏粘土空间变异性对桩靴基础承载能力的影响

4.5.1 桩靴基础承载力

4.5.2 蒙特卡洛收敛验证

4.5.3 峰值承载力的统计特征

4.5.4 失效概率与安全系数

4.6 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 研究展望

参考文献

附录

A 攻读硕士学位期间发表学术论文情况

B 学位论文数据集

致谢