自升式平台桩靴踩脚印失稳机理有限元分析

作     者：汪纤 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：于龙

授予年度：2016年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082002[工学-油气田开发工程] 

主      题：自升式平台 桩坑 桩靴 大变形有限元 

摘      要：海洋自升式移动钻井平台用于近海油气田的勘探和开采,设计水深一般为1 Om到160m。典型的自升式钻井平台由可漂浮的船体平台结构、三个独立可伸缩的桁架式桩腿组成,每个桩腿下部都连接有桩靴基础。平台在完成作业之后降船拔桩会在海床上留下很明显的孔洞,被称为“桩坑或“脚印。随着油气资源的需求量越来越多,平台在近海海域钻井的次数也愈加频繁,平台经常会回到相同的井位处或其附近进行二次或多次勘探和开采。平台在旧桩坑附近位置插桩时受到的荷载相对复杂,桩靴基础可能会受到变化的偏心或倾斜的荷载作用而滑移进旧桩坑,导致桩腿弯曲变形、平台倾覆,甚至平台与导管架相撞,这种危险的状况称为“踩脚印。目前自升式平台桩靴踩脚印失稳相关研究较少,且多为试验研究,土体的流动破坏模式和桩靴失稳机制尚不十分清楚。本文采用耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)大变形有限元方法分析桩靴基础踩脚印失稳问题。首先,模拟桩靴贯入均匀土体的过程,定量分析桩靴的网格划分方式,土体加密区的网格密度,桩靴的贯入速度以及地基整体形状对桩靴承载力的影响,选择出最优的网格密度和贯入速度等。然后,在此基础上,对桩靴在旧桩坑附近二次插桩的过程进行大量的数值模拟,分别从三个因素研究桩靴基础二次插桩稳定性的影响规律：(1)二次插桩的偏心距β,即桩靴中心线到桩坑中心线的距离。由于偏心距的不同,桩靴受到的峰值水平力Hmax、峰值弯矩Mmax也会不同,考察临界偏心距βcrit,在此处插桩时桩靴受到的峰值荷载将会达到最大值;(2)旧桩坑的深度ZF。考察相同坡度η,不同深度和直径DF的桩坑,偏心距与桩坑直径的比值(β/DF)都等于1/2,即桩靴的中心线都位于桩坑的边缘上。结合土体的流动机制对比分析不同的桩坑深度对桩靴极限承载力的影响。(3)旧桩坑的大小。考察相同直径,不同坡度和深度的桩坑,且桩靴二次插桩的偏心距都相同。结合土体的流动机制对比分析不同大小的桩坑对桩靴极限承载力的影响。