层状土地基条件下具桩靴自升式钻井船插桩深度分析研究

应用有限元数值模拟方法,研究了自升式钻井船的桩靴在复杂层状地基土中贯入一定深度时的地层响应情况,取得了桩靴贯入过程中地基土破坏形式、荷载影响深度、不同承载力计算方法的适用性等多方面认识。在上硬下软及上软下硬的层状土中,所有公式的计算结果无论在数值还是趋势方面都与有限元模拟成果相差较大,这主要是由于单一的公式未考虑到插桩荷载影响深度内下伏不同地层对总承载力的贡献。有限元模拟成果显示,在3. 0B深度范围插桩荷载影响较大;桩靴自上覆硬土层贯入软土层时,会有一定厚度的硬土被压入到软土层,且厚度随插入深度变化,导致出现地层结构的动态重分布。根据层状地层中有限元模拟成果,提出了考虑到3. 0B深度范围所有地层的强度贡献、并考虑地层结构动态重分布的桩靴下地基土极限承载力计算方法,其计算结果与有限元模拟成果最为接近。工程实例计算表明,得出的计算结果以及有限元模拟结果都与实际插桩深度较为接近。     

具桩靴自升式钻井船插桩过程有限元模拟研究

在评价具桩靴自升式钻井船的插桩深度及承载力时,包括浅基础、桩基础在内的多种计算方法均有各自的适用条件和局限性。应用有限元数值模拟方法,分别研究了桩靴在均质黏土和均质砂土中贯入一定深度时的地层响应情况,取得了桩靴贯入过程中地基土破坏形式、荷载影响深度、不同公式的适用性等多方面认识。在均质黏土中,随着插桩深度的增加,地基土先后经历了整体剪切破坏、局部剪切破坏、冲剪破坏三种破坏形式;在均质砂土中,地基土的破坏形式主要表现为整体剪切破坏。插桩荷载的影响深度约为3倍桩靴截面宽度。浅基础公式的计算结果与有限元模拟成果更为接近。     

自升式平台桩靴强度分析

合理的桩靴设计是立插桩式海洋自升式平台在海上安全工作的关键因素之一。以某自升式海洋平台桩靴为研究对象,利用规范和SACS软件对桩靴结构设计进行强度校核和屈曲强度分析,并对桩靴的承载力和计算方法进行研究。     

自升式平台圆柱桩腿与桩靴相交处的简化疲劳分析

研究了自升式平台圆柱桩腿与桩靴相交处结构的简化疲劳分析方法。首先建立平台整体水动力模型,计算得到基于一定概率下的波浪载荷。然后建立部分圆柱桩腿和整个桩靴的有限元模型,依据该概率下的波浪载荷计算得到桩腿与桩靴连接结构的最大热点应力范围。最后根据简化方法公式计算了此处结构在该概率下对应的许用应力范围并进行校核。该方法可为同类型结构的简化疲劳评估提供重要的参考意义。     

关于自升式海洋平台插桩特性的分析研究

采用通用程序语言VBA,结合工程技术人员对相关规范和理论的理解和实际工程经验,开发出适用于自升式平台桩靴插桩计算分析的程序,实现计算的相对标准化,针对300ft、400ft自升式海洋平台桁架式桩腿结构形式在中国南通海域插桩特性分析研究,阐述了同类海洋平台的插桩深度预测分析过程及方法,该方法和思路的应用对海洋平台的结构安全评估有重要意义。     

自升式钻井平台抗滑移能力分析

在理论公式的基础上,通过Abaqus软件模拟桩靴在土壤中的滑移过程,建立一种分析桩靴抗滑移阻力数值方法。首先研究各船级社抗滑移理论公式;在此基础上,建立桩靴-土系统有限元模型,利用CEL方法,建立研究所需工况,研究土体受力产生流动变形,得出抗滑移阻力数值解和土壤流动机制;最后将抗滑移阻力理论解与数值解进行对比分析与讨论。弥补现有理论公式不足,为计算桩靴抗滑移阻力提供一种精确的方法。     

自升式钻井平台抗滑移能力分析

在理论公式的基础上,通过Abaqus软件模拟桩靴在土壤中的滑移过程,建立一种分析桩靴抗滑移阻力数值方法.首先研究各船级社抗滑移理论公式;在此基础上,建立桩靴-土系统有限元模型,利用CEL方法,建立研究所需工况,研究土体受力产生流动变形,得出抗滑移阻力数值解和土壤流动机制;最后将抗滑移阻力理论解与数值解进行对比分析与讨论.弥补现有理论公式不足,为计算桩靴抗滑移阻力提供一种精确的方法.     

自升式平台桩靴结构优化设计

结合有限单元法和尺寸优化理论,对某自升式海洋平台的桩靴结构进行了设计与优化。根据桩靴设计要求确定各部件尺寸和相应材料参数,以此建立桩靴的有限元模型。针对CCS对桩靴提出的工况依次进行分析计算,获得各工况下应力与位移的分布特征和土壤作用力在结构中的传递路径。然后进行板厚尺寸的优化。计算结果表明,桩靴在偏心工况且偏心角度为60°时应力达到最大,且土壤流失可能性最高;尺寸优化后,桩靴的质量明显减少,应力分布更加均匀,材料利用率得到有效提高。     

精确模拟土壤反力对桩靴性能影响的研究

传统自升式钻井平台桩靴设计的方法,仅仅将土壤反作用力作为一个确定值,施加到桩靴上,并未考虑到桩靴与土壤相互作用过程中,土壤的性质的变化及变形对桩靴作用的影响.文章着重研究固体(土壤)力学对桩靴结构力学的影响.通过经验理论分析,并借助有限元精确模拟土壤,进行土壤对桩靴影响的细化研究.通过对比分析,得出对土壤的细化研究后,桩靴性能可以得到提高和优化的结论.     

自升式海上平台桩靴入泥深度预测

为了准确预测自升式海上平台桩靴入泥深度,基于扩展型桩靴在多个海上风场驻位时采集的工程数据对多种桩端承载力理论与基础承载力理论进行检验,经浅持力层与深持力层工程检验原位测试法应用于扩展型桩靴承载力计算具有良好的结果,可准确推测扩展型桩靴入泥深度。原位测试法在浅持力层误差不大于2.6 m时准确率达到100%,若在安装平台范围内深持力层土层发生变化时,桩靴入泥深度准确率达65%,该方法中粉土与粉质粘土地质桩靴阻力修正系数在0.05～0.06之间。     

Controlled installation of spudcan foundations on loose sand overlying weak clay

Offshore jack-up rigs are often used for site exploration and oil well drilling. The footings of jack-up rigs are known as spudcan foundations. The risk of rapid uncontrolled penetration of spudcan in seabed (“punch-through”) exposes jack-ups to significant risk during installation in strong over weak layered seabeds. An example for this is a thin loose sand layer overlying a weaker stratum of clay. To prevent spudcans from “punch-through”, an in-situ measurement concept is suggested in this paper to control the installation process of spudcan foundations. First, three-dimensional finite element studies using a Coupled Eulerian–Lagrangian method are carried out to simulate the penetration process. The numerical results have been validated with existing analytical solutions and centrifuge model test data. Furthermore, parametric studies are carried out to quantify the influences of the sand thickness and shear strength of the clay on the bearing capacity of spudcans. Based on the numerical studies an idea for the development of an in-situ measurement concept is suggested to control the spudcan penetration process in-situ.     

风电安装平台插桩过程的试验与理论研究

针对风电安装平台在多层土中的插桩过程,通过现场取样测试获取土壤的物理参数,并通过插桩试验得到其平均插桩深度,以此建立插桩过程的数值模型,对插桩阻力与深度的变化规律以及土壤的流动失效机制进行了研究。结果表明,经验法选取土壤弹性模量与实际相差较大,试验测出的平均插桩深度为7.3m;数值结果与试验结果吻合良好,证明了理论模型的正确性;土壤发生了表面隆起、空腔形成、壁面坍塌和土壤回流四种失效模式。     

The undrained bearing capacity of a spudcan foundation under combined loading in soft clay

Mobile jack-up drilling rigs are typically supported by individual, large diameter spudcan foundations. Before deployment, the suitability of a jack-up to a location must be shown in a site-specific assessment under loads associated with a 50-year return period storm, which ultimately need to be resisted by the foundations. The capacity of the spudcans under combined vertical, horizontal and moment loading is therefore integral to the overall site-specific assessment of the jack-up.In soft clays, spudcans can penetrate deeply into the seabed, sometimes up to several footing diameters, with soil flowing around the downward penetrating footing, sealing the cavity. Although this is generally believed to provide some additional bearing capacity to the footing, no detailed study or formal guidance is available to date. This study, therefore, investigates the influence of soil back-flow on the failure mechanisms and quantifies the effect on the capacity of a spudcan under general loading through finite element analyses. A closed-form analytical expression is developed that describes the capacity envelope under combined loading, applicable to embedment depths ranging from shallow to deep.     

自升式平台桩靴/地基承载力的数值分析

桩靴/地基承载力的准确预报是确保自升式平台进行海上插桩作业安全性的重要前提,常规的规范算法在处理复杂地基条件时存在困难。基于非线性数值分析方法,在对加载点位置、网格尺寸、地基边界等关键技术进行研究的基础上,以某400ft水深自升式平台为例,分别对海底均质土和成层土的承载力进行了研究。同时,对各土层参数的影响进行了详细分析,为探索插桩过程中地基破坏原理和承载力计算提供了一些参考。     

半圆型防波堤地基承载特性的有限元数值分析

半圆型防波堤是适用于软土地基的轻型重力式结构,地基承载特性是工程应用中需解决的重要问题。以大型通用有限元软件ABAQUS作为分析平台,建立了波浪荷载作用下半圆堤结构的弹塑性有限元分析模型。结合工程实例,分别参照地基极限承载力、结构允许变位判别标准对半圆堤的地基承载特性以及影响因素进行了有限元数值分析,并与汉森公式计算结果进行比较。结果表明:基于允许变位判别标准下的地基承载力分析结果相对安全,地基极限承载力计算的有限元结果与理论公式结果基本吻合,证实了汉森公式对半圆堤结构的适用性。进一步利用有限元方法分析了地基土强度、基础宽度、加固深度等因素对地基承载力的影响。     

浅析柴油锤海上打桩效果的相关影响因素

针对海上打桩施工过程中基桩下沉不到位的问题,在有限元软件ANSYS/LS-DYNA中以非线性、粘一弹塑性弹簧单元模拟桩一土相互作用,建立打桩下沉过程的数值模型,分析柴油锤作用下的动态土强度折减系数、入土深度、桩径、锤击能量、锤击力等因素对桩体可打人性的影响,并给出部分型号柴油锤的停锤标准,对桩基工程施工有一定的参考价值...     

双排桩结构在滩海软基中的受力特性研究

研究了双排桩在滩海陆岸平台中的应用。根据弹性抗力杆件有限元法,采用数值计算软件ANSYS,分析了双排桩结构在不同的工况下的受力特性及双排桩的刚度、入土深度对结构内力和变形的影响。研究结果表明,双排桩在滩海软土地基上有很好的适用性,双排桩入土深度对结构的整体稳定性有很大的影响。桩身刚度的提高在一定程度上可以减少双排桩的水平位移,但桩基直径增加到临界极限后,双排桩出现近似刚体的运动,这种情况对软土地基受力状态是不利的。     

Determination of limiting cavity depths for offshore spudcan foundations in a spatially varying seabed

The importance of accurate prediction of limiting cavity depths during offshore spudcan foundations installation has been variously highlighted in the literature. Nonetheless, most of the previous research is deterministic in nature and confined to homogenous soils. Since offshore clayey soils can be highly spatially variable, there is a practical need to take proper account of the spatial variability in the prediction of limiting cavity depths. In a bid to remedy this situation, large deformation finite element calculations combined with three-dimensional random fields were repeatedly conducted in this study within a Monte-Carlo framework. The continuous penetration of a spudcan initiated from surface was explicitly modeled until a full-localized flow-around mechanism was observed. Spatial variability was found to clearly affect the soil back-flow and thereby the limiting cavity depth, the latter of which takes a range of values that can be approximately modeled as a log-normal distribution. Characteristic limiting cavity depths at various probability levels were ascertained. An algebraic expression was proposed to explicitly predict the characteristic limiting cavity depths in random soils from the fractile. Particular attention was paid to the lower and upper 5% characteristic values, which are likely to be useful for reliability-based design.     

自升式钻井平台桩靴结构强度分析

桩靴是钻井平台的重要支撑构件,其结构强度对整个钻井平台的安全起着至关重要的作用。以某自升式钻井平台桩靴为研究对象,根据ABS(美国船级社)规范要求,建立桩靴结构强度的力学模型,并合理简化,分析了预压载和自存两种工况下的设计载荷。利用有限元软件MSC.Patran/Nastran对两种工况下桩靴的强度进行分析,研究得到桩靴强度工程化分析流程以及结构强度特性,分析结果为自升式钻井平台的桩靴设计提供参考。