钻井船插拔桩对临近桩靴承载力的拟静力模拟研究.pdf
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1、第 卷第 期 年 月水道港口 收稿日期:;修回日期:基金项目:国家杰出青年科学基金项目()作者简介:唐德佳(),男,山东省人,工程师,主要从事海洋石油设施建造、项目管理等方面研究。:(),通讯作者:曹添铭(),男,博士研究生,主要从事海上结构与地基相互作用研究。:钻井船插拔桩对临近桩靴承载力的拟静力模拟研究唐德佳,曹添铭,梁超,陈广思(中国海洋石油集团有限公司物装采购中心,天津 ;天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 )摘要:自升式钻井船桩靴的插拔过程将会对临近井口平台的桩靴基础产生不利影响。基于 软件,采用拟静力的数值模拟方法计算了桩靴承载力的变化规律,通过与模型试验结果的对比验
2、证了方法可行性。结果表明:桩靴承载力折减率 随相对贯入深度 的增加而增大,即桩靴贯入深度越小,桩靴承载力的影响程度越小;折减率 随两桩靴的相对间距 的增大而减小,即桩靴插拔位置距已在位桩靴越远,对桩靴承载力的影响程度越小,相对间距 超过 时,影响可忽略不计。关键词:自升式钻井船;桩靴插拔;承载力;中图分类号:;文献标识码:文章编号:()图 钻井平台对临近平台的影响 近年来,我国广泛采用自升式钻井平台进行海上油田开采。自升式平台由上层船体平台、桩腿、桩靴和升降装置等部分组成。平台作业过程中,需经拖航到达预定位置,并进行插桩作业,将大直径桩靴压入海底泥面,平台作业完成后,将桩靴上拔后离开,在原位置
3、会留下桩坑脚印。钻井船的插拔桩过程强烈挤压周围土体,进而影响临近井口平台的稳定性,如图 所示。针对平台桩靴承载力及插桩过程阻力的研究,早期学者根据传统地基承载力理论进行预测,主要基于 或 提出的条形基础地基承载力解 ,规范 提出了考虑土体回流的计算公式。等 通过开展一系列的离心模型试验对桩靴基础的贯入问题进行了研究,等 和 等 通过模型试验得到桩靴基础在竖向荷载 、水平荷载 、弯矩荷载耦合作用下的承载力以及 荷载空间承载力包络面。数值模拟方面,等 采用基于网格重划分小应变插值技术的 ()方法对上层砂土下层粘土地基进行了分析,研究了插桩阻力并预测了穿刺的易发位置。等 、等 利用网格自适应技术 (
4、),对桩靴插桩过程进行了分析。等 利用耦合欧拉 拉格朗日 法()引入到了桩靴在粘土层中的贯入阻力预测,计算结果与现有离心模型试验 吻合较好。安永宁 采用有限元方法计算地基承载力并与各经典公式和规范方法对比,验证有限元方法的便利性和有效性。在实际工程中,已在位平台会有钻井船临时停靠进行钻修井作业,钻井船桩靴的插拔过程对已在位的临近桩基础造成不利影响。已有离心机试验 ,表明桩靴插入与拔出引起周边土体应力场发生变化,进而影响已在位的桩基础,其中影响承载力、桩身弯矩、桩身变形的关键因素包括桩靴尺寸、贯入深度、桩靴与水道港口第 卷第 期临近桩基础间距。针对以上不同因素的影响程度,许多学者借助数值模拟方法
5、开展桩靴插拔对临近桩基础的影响研究,其中 方法较为常见,也取得了许多有价值的研究成果。目前的研究成果多集中在对桩靴插拔本身的研究或其对临近钢管桩基础的影响,但工程中许多已在位平台采用桩靴基础,钻井船桩靴插拔过程对已在位桩靴基础的影响亦不可忽视,针对临近桩靴影响的研究,刘润等 开展了砂土中模型试验,但尚未有学者采用数值模拟方法对不同因素的影响程度开展规律性研究。本文基于岩土工程软件 ,开展桩靴插拔对临近平台桩靴承载力影响进行研究,旨在揭示已在位桩靴承载力受桩靴插拔的影响。简化的拟静力方法 拟静力模拟方法的建立桩靴插拔过程的模拟涉及大变形问题,常规有限元模拟方法易出现网格畸变,动力算法因无法准确模
6、拟桩靴插拔后土体强度的降低,在研究桩靴插拔引起的临近结构物承载力变化方面存在缺陷。因此建立合理的拟静力方法成为解决这一问题的重要途径。观察桩靴插拔的模型试验过程,研究桩靴对土体的扰动范围和土体强度的下降规律是建立桩靴插拔过程拟静力模拟的关键。根据 等 和 离心机模型试验以及 等 数值模拟研究可知,桩靴插拔对土体的扰动区域,在水平方向约为桩靴以外 倍桩靴直径 范围内。张海洋等 的桩靴插拔模型试验表明,插拔桩过程对周边土体的影响主要包括两个方面:一是对周围土体产生卸荷作用,土体应力状态改变;二是导致周围土体强度的下降,且土体强度的下降程度随距桩靴脚印中心距离及埋深的增加而逐渐减弱。刘润等 给出了桩
7、靴插拔后周边土体强度随间距的变化,如图 中曲线所示。以此为基础,将桩靴插拔的动态作用过程简化为对周边土体扰动的拟静力模拟方法,即将桩靴插拔后的地基分为 个区域:()桩靴脚印区;()影响区;()无影响区,如图 所示。摩擦角 距离规律 整体分区图 土体分区示意图 图 中脚印区为桩靴插拔后在土体中遗留的坑洼孔穴,数值计算中难以模拟孔穴内的真实状态,将脚印区简化为与桩靴直径 相同的圆柱体区域,高度等于桩靴插深 ,土体填满孔穴,对脚印区原土体参数进行折减,形成等效土体参数,模拟孔穴对整个脚印区土体的影响;影响区为插拔桩作业引起的周围受扰动土体区域,依据模型试验结果,圆环影响区径向范围距脚印区边缘 ,深度
8、范围等于桩靴插深 ,此部分可按照试验确定的土体强度折减规律对影响区土体进行折减计算,模拟插拔对土体的影响;其余部分土体为无影响区。拟静力分析模型的建立按照上述分区方法建立数值模型,采用 软件对张海洋等 的离心机试验结果进行模拟,计算砂土中桩靴插拔桩对临近桩基础竖向承载力的影响。计算模型如图所示,图中 为桩靴直径,为桩靴贯入深度,为临近桩到脚印区外边缘最小间距。土体采用摩尔 库伦本构模型,对各区域设置相应的模型 年 月唐德佳,等钻井船插拔桩对临近桩靴承载力的拟静力模拟研究材料属性参数,其中脚印区土体,降低原有土体强度、压缩模量、容重等参数,模拟桩靴贯入 拔出动作结束后的孔穴扰动土体,将影响区内的
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