倾斜荷载作用下吸力式沉箱抗拔性能试验研究

发布时间：2020-04-20 05:06

【摘要】： 为了更加经济有效地开发海洋油气资源,张力腿平台(TLP)、立柱式平台(SPAR)、船形浮式系统(FPSO)、顺应式平台(CT)和半潜式平台(FPS)等新型海洋平台结构在工程中得到了广泛的应用。这些平台结构型式一般都是通过锚链与埋置在海床土体中的基础进行连接,因此随着这些新型海洋平台的应用,大型浮式结构在深海海底的锚泊问题对岩土工程界提出了新的挑战。深海海域环境十分恶劣,浮式结构锚泊基础形式的选择必须综合考虑上部结构构造、海床土质条件、复杂荷载组合、施工的可行性与经济性等多方面的因素。基于这些因素,在过去的10多年里,“吸力式沉箱基础”fsuction caissonfoundation)作为一种新的浮式结构基础形式受到全球海洋石油界的广泛关注,受到了众多石油公司的高度重视。本文围绕倾斜荷载作用下软土地基上吸力式沉箱基础的失稳模式及沉箱基础稳定性等方面进行了较系统而深入的探索研究。论文的主要研究工作包括下列方面: (1)通过对室内模型试验现象定性观察,得出沉箱基础周围土体的破坏模式与ABAQUS数值模拟土体破坏模式比较一致。沉箱基础破坏模式由沉箱底部旋转失稳破坏和桶壁局部剪切破坏组成即沉箱桶后界面与主动侧土体之间形成裂缝,桶前土体被挤压隆起形成被动侧破坏楔体,桶底部形成了以桶体中轴线上某点为中心点的圆弧形旋转破坏面。对于长径比相同的吸力式沉箱,当荷载倾斜角度ψ(与水平方向夹角)增大,沉箱基础桶壁部位水平阻力逐渐减小,桶体与土体之间的摩擦阻力逐渐增大,沉箱基础底部球形旋转破坏面的中心点逐渐偏离中轴线。沉箱破坏模式由沉箱底部旋转失稳破坏逐渐变为桶壁局部剪切破坏。当ψ=30°时两种破坏模式表现明显。 (2)ABAQUS有限元模拟计算结果与模型试验数据处理结果进行对比,对于不同长径比的沉箱基础,其承载力的试验极限值与ABAQUS极限值误差最小为1.8%,最大为55.5%,承载力的试验极限值与ABAQUS剪切值(即有限元模拟的荷载—位移曲线屈服阶段切线值)误差最小为1.05%,最大为29.6%。上述结论验证了本文建议的计算吸力式沉箱基础地基承载特性的有限元模型及有限元计算结果的合理性。 (3)利用ABAQUS软件对实际工程中的吸力式沉箱抗拔承载力进行模拟分析,主要考察无吸力情况下倾斜荷载作用下吸力式沉箱的抗拔性能,探讨荷载倾斜角度ψ对沉箱基础极限承载力的影响。当荷载倾斜角度ψ=90°时,沉箱基础极限承载力相对很大。当荷载倾斜角度ψ=0°时,沉箱基础极限承载力相对很小。研究表明吸力式沉箱基础在竖直上拔荷载单独作用下的极限承载力最大,而随着荷载方向逐渐偏向竖直方向,吸力式沉箱基础的极限承载力逐渐减小,当水平荷载单独作用下时吸力式沉箱基础的极限承载力最小。本文得出不同长径比情况下沉箱基础竖直-水平承载力的归一化承载力破坏包络面。吸力式沉箱基础的竖直-水平承载力的相互影响关系曲线近似为椭圆,L/D=1.0荷载倾斜角度为15°～45°时竖直-水平承载力的相互影响效果明显;L/D=2.0荷载倾斜角度为15°～60°时竖直-水平承载力的相互影响效果明显;L/D=3.0荷载倾斜角度为15°～60°时竖直-水平承载力的相互影响效果明显。探讨长径比对吸力式沉箱基础承载力的影响。荷载倾斜角度ψ=15°时,不同长径比情况下水平荷载分量归一化参数N_h和垂直上拔荷载分量归一化参数N_v基本相同。荷载倾斜角度为30°～75°时,不同长径比情况下垂直上拔荷载分量归一化参数N_v大于水平荷载分量归一化参数N_h。
【图文】：

海洋平台,张力腿平台

的浮式平台包括张力腿平台 (TLP)、立柱式平台(SPAR)、船形浮式系统 (FPSO)、半潜式生产系统 (FPS)和顺应式平台(CT)〔‘]。其中张力腿平台为目前应用最广泛的深海石油平台形式。各种海洋平台系统如图1.1[’]所示。目前的张力腿平台基础主要分为吸力沉箱基础 (suctioncaissonfoundation)(又称为吸力锚、吸力桩、负压锚或桶形基础)和桩基础。随着水深的增加桩基础的施工难度和造价都大大增加。挪威土工研究所困GI)于1992年在北海成功地建造了以吸力式沉箱为锚固基础的Snorre张力腿平台，，这种新型基础非常适合于海洋浮式平台

沉箱基础,吸力

倾斜荷载作用下吸力式沉箱抗拔性能试验研究吸力式沉箱基础如图1.2所示，是一种底端敞开、上端封闭的钢质圆桶结构，并且在桶顶有连接泵系统的出水孔。沉箱基础与普通桩基础最主要的区别在于它利用负压下沉，而不是依靠类似打桩等手段将桩打入海底地层。吸力式沉箱基础在安装时，首先靠自重和上部结构的重量，插入海底一定深度，形成有效密封后，再通过泵抽出桶中的空气和水形成负压，利用桶内外的压力差把基础驱入海底地层中的设计深度。当平台需要移动时，可再充气把基础从地层中拔出。由于采用沉箱基础，可以节省钢的用量。同时，施工过程中，采用负压下沉，可加快施工速度，节省施工时间，从而节省海洋平台的施工安装费用;由于沉箱基础的插入深度较浅，因此在实际施工沉箱基础前，只需对浅部土体进行勘察研究[21。沉箱基础的施工时间短
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：P75;TU473

【引证文献】