考虑粘土空间变异性的自升式平台推覆分析

发布时间：2020-08-13 03:36

【摘要】：自升式钻井平台逐渐成为勘探、开采海洋油气资源的主流设备。但海洋环境相较于陆地环境存在较多的不确定性因素,自升式平台不仅要承受上部结构自重等竖向荷载,还常遭受飓风、波浪、海流等环境荷载的侵袭,故研究海洋环境中自升式平台在组合荷载工况下的系统承载力、失效模式、失效机理具有很高的学术价值和实际的工程意义。因此本文将采用有限元数值模拟的方法来探究复杂土层条件下组合荷载工况对于自升式钻井平台在作业期间的安全性、稳定性等方面问题。本文拟采用有限元数值模拟的方法来探究自升式平台复杂土层条件中组合荷载工况下的系统承载能力、失效模式、失效机理、荷载在各桩靴间的分布规律等的影响。通过使用有限元软件ABAQUS成功地建立起了完整的自升式钻井平台(上部平台、桩腿、桩靴)及圆柱形的地基土体数值模型,将数值模拟所得承载力结果与参考文献中包含的试验结果及理论公式结果进行了对比验证。将关于地基土体不排水抗剪强度的三维随机场导入到已建立好的数值模型,使用有限元分析的方法获得了在组合荷载工况下各桩靴承担竖向、水平荷载和桩靴的竖向、水平位移随施加在平台的水平荷载变化曲线,将变异土体中得到的结果与均质粘土中所得结果作比较,结合不排水抗剪强度随机场云图,观察自升式钻井平台在空间变异性粘土中各个桩靴基础下部及周围土体发生竖向位移流动情况与土体发生塑性变形的发展情况与均质粘土中的不同之处。计算400个空间变异性粘土的随机场算例,研究自升式钻井平台在空间变异性粘土中出现的失效模式。发现了自升式钻井平台存在桩腿间不均匀沉降而导致平台倾覆、桩靴水平滑移、桩腿全部下沉以及复合的失效模式等多种有别于均质土的失效模式。研究了荷载在各桩靴间的分布规律,发现了桩靴承担水平荷载与其发生水平位移密切相关,竖向荷载会随着施加在上部平台水平荷载的变化在各桩靴基础间进行重分布的规律。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE95
【图文】：

自升式钻井平台,蓝色,红色,海洋钻井平台

腿间存在较大的不均匀沉降差，轻则导致桩腿破坏重则平台迅速倾覆[6-8]。如图 1-1 所示。因此研究自升式钻井平台在组合荷载工况下的承载力、失效模式和失效机理可以服务于海洋钻井平台的研发、设计和后期维护等工作。

自升式钻井平台

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文平台的正常作业更加困难，存在更多的风险。所处在复杂多变的海洋环境中，在各个种类的海洋工程平台出现工程事故的较为频繁。比如，中国海洋 931 钻埋置在海床土体的深度不超过 7.5 m。但是因为某个桩软，在实际的作业中，931 平台的桩靴的最大沉降大大最大容许深度[11]，容易诱发、引起各类工程事故的发生2 年 9 月，一艘沙特钻井公司旗下的钻井船在实际作业刺破坏，具体表现为某根桩腿突然向下贯入，桩腿间存差，该钻井船整体失去稳定性，瞬间向一侧倾覆。因该期临近的采油平台上，顿时现场一片火海并引起了巨大的大量伤亡和经济的重大损失[12]。将采用有限元数值模拟的方法，探究自升式钻井平台在工况下的系统承载力、失效模式、失效机理等问题。并议，将有助于及时预防、避免自升式平台作业期间工程事

自升式平台,桩靴

图 1-3 自升式平台构造简图[14]平台因其具有灵活的移动性，稳定性较好，移动性较好，种水深具有良好的适应性等优点在海洋油气资源开采领域自升式平台在被拖船拖航到达预设位置时，桩腿连带桩靴入，然后泵送海水到船体舱内使得桩靴基础不断向下贯入预定埋深使得平台具有足够的承载力[10]4，最后排出船体舱抬升至海面之上预设高度进行作业，详细情况可见图 1-4。变的海洋环境以及存在一些未知因素的海底工程地质条件全性、稳定性受到了挑战。钻井平台在作业期间常出现安的失效破坏。张浦阳[10]7-8基于对历史上海洋钻井平台桩靴行归纳、总结：桩靴基础周围的地基土体会因为海水的不冲刷，使得桩靴基础与周围地基土体的实际接触面积不断法向桩靴基础提供足够的反力而致钻井平台发生失效破坏平台的预压载阶段因遇到上硬下软的土层（鸡蛋壳层）而、海底地震、海底滑坡等强烈的海底地质灾害直接导致桩

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