自升式平台桩靴基础的孔压分布和沉降发展规律研究

发布时间：2020-08-25 21:25

【摘要】：自升式钻井平台被广泛用于海上钻井作业和油气开采,通常由一个三角形平台组成,该平台由三至四个独立的圆柱型桩腿支撑,桩腿底部带有称为“桩靴”的独立基础。在桩靴快速贯入土体的过程中其周围土体内产生大量的超孔压,当桩靴停止贯入后,因超孔压的逐步消散,土体会产生排水固结,这会引起部分土体的强度得到提升,并提高对应深度处的桩靴承载力。同时,土体的排水固结也会引起桩靴产生沉降,当同一时间平台不同桩靴的沉降相差较大时,可能会对平台稳定性产生影响。因此,对超孔隙水压力展开研究对于了解桩靴短期和长期的力学行为都有重要意义,对固结阶段的桩靴沉降发展规律进行分析有助于根据已有资料对未来沉降发展情况作出有效预测。为弥补相关领域的空白,本文利用有限元方法对软土中桩靴的贯入和固结过程进行了模拟,得到了以下结论:通过与离心机试验结果进行对比,验证基于有效应力的耦合欧拉-拉格朗日方法(CEL)模拟桩靴贯入软土过程的正确性。结果表明:数值模拟中使用的修正剑桥模型能较好的模拟试验中使用的正常固结高岭土的强度分布情况;数值模拟中的插桩阻力与试验结果相比吻合较好,但稍高一些,这可能是因为数值模拟中的土体强度稍高于试验,同时土体本构模型未考虑贯入过程中桩靴周围土体的应变软化和重塑效应;对于贯入过程中桩靴底部和土体内部的孔隙水压力变化情况,数值模拟能够合理预测其发展趋势及数值大小。对于贯入过程中土体内超孔压的分布情况进行分析发现:桩靴下方土体内有球形超孔压集中区,且球形压力区的尺寸及内部超孔压的大小分布情况与桩靴的贯入深度和土体性质密切相关。使用数值模拟方法对超孔压分布情况展开参数研究,基于研究结果提出了一种简单实用的方法用于预测桩靴贯入过程中其周围土体内的孔压场分布情况,附有必要的图表以便工程人员使用。基于一种两阶段欧拉-拉格朗日有限元分析法,对软土中桩靴“贯入-固结”的过程进行了模拟,并通过与离心机试验结果进行对比来验证方法的有效性。结果表明:数值模拟能较好得预测固结阶段的桩靴沉降和土体内超孔压的消散过程。为研究固结阶段桩靴沉降的发展规律,基于数值模拟和试验结果对3种已有的沉降预测方法进行比较。结果表明:三点法受时间间隔影响较大,需要较大的时间间隔才能保证预测准确度,且会低估最终沉降;Asaoka方法受时间间隔影响小,但也会低估最终沉降;双曲线方法能较好得预测试验和模拟中桩靴的沉降。使用数值模拟方法进行参数研究后发现,不同参数条件下固结阶段桩靴的沉降随时间的变化规律都能用双曲线公式较好地表示。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU473.1
【图文】：

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1 绪论1 绪论背景及研究意义天然气在目前的能源供给中占有很高的地位，也与世界经着社会的高速发展，各个国家对于石油和天然气的需求不也从单一的陆上油田逐渐扩展至海洋，目前我国已经部署开采海洋中的油气资源[1, 2],其中使用最多的钻井平台是移

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(b)图 1.2 已升高至指定位置的自升式钻井平台igure 1.2 Mobile jack-up rig in elevated positio已经广泛用于水深在 120m 内油气田的环境中进行油气钻探活动，钻井平台一式钻井平台通常由一个浮于水面之上立的桁架式或圆柱型桩腿支撑，每个[4]。这种类型的基础通常是圆形或多边形有在底部中心处有凸出尖端，便于定位.3 所示。

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图 1.3 几种常见的桩靴示意图[6]Figure 1.3 Examples of typical spudcan footings[6]自升式钻井平台的常规作业过程见图 1.4 和 1.5。钻井平台首先被拖航到指点的海面，拖航过程中桩腿保持为升高状态，且高于海面。到达后就会开始桩腿，安装过程共分为三个阶段：① 放桩阶段钻井平台被拖航至指定地点的海面上后保持静止，通过升降设备将桩腿下海中。在桩腿与海底泥面接触后，继续贯入桩腿，直至土体提供的承载力等入水面中的平台及桩腿的自重（对应图 1.5 中的 A1点），放桩阶段结束。② 插桩阶段在此阶段将继续贯入桩腿，与此同时通过升降设备将平台升离海面。随着不断升高，浮力将逐渐减小，此前由浮力平衡的平台系统自重及其他荷载将传递至桩靴，因此桩靴将被贯入至更深的位置。最终平台完全升离海面，一

【参考文献】