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自升式平台插/拔桩机理研究

杨栋  
【摘要】:海底土质复杂,自升式平台在进行插桩和拔桩作业时经常遇到刺穿和难以拔出的问题。因此,本文通过建立自升式平台插/拔桩CEL数值模型,运用有限元软件ABAQUS/Explicit对模型进行准静态分析,在此基础上结合理论计算方法开发了自升式平台插/拔桩分析系统;最后,基于该系统对自升式风电安装平台进行数值建模并进行仿真分析,证明了本文研究方法对工程实践的指导意义。具体工作和主要研究成果如下:(1)在弹塑性理论的基础上展开了对土体本构模型中的摩尔-库伦模型、杜拉克-普拉格模型和凡·米塞斯模型的研究。其中,本文选取凡·米塞斯模型模拟土壤本构关系。之后阐述了欧拉-拉格朗日耦合法(CEL)和土的破坏模式,为下文研究作相关铺垫。(2)在CEL有限元法的基础上,通过HYPERMESH软件建立了平台桩靴和土体的网格模型并将其导入ABAQUS中进行仿真计算。桩土接触采用通用接触算法、边界条件采用加强沉浸边界法模拟,最后通过关键字法平衡土壤初始地应力。在此基础上,对影响插/拔桩阻力的各种因素作了研究。此外,通过分析插桩过程土体变形图可知土体会发生表面隆起、空腔形成、壁面坍塌和土壤回流4种失效模式,分析拔桩过程土体变形图给出了浅基础和深基础上拔时的土壤流动机制。(3)对经典的插/拔桩计算公式进行了研究,并结合数值分析中模型建立方法和参数对结果影响的研究开发了自升式平台插/拔桩分析系统,将土体参数、插/拔桩速度等输入软件中可直接得到理论值和用于数值模拟的源文件。(4)对某公司的自升式风电安装平台进行了现场插桩试验,试验结果为平台最终插深7.3m。随后,基于自升式平台插/拔桩分析系统建立其数值模型并导入ABAQUS进行计算,有限元仿真结果为6.7m,与试验结果相差8.9%。其中,有限元计算结果显示,插桩阻力在1#土层中先是快速增加而后变化速率放缓;进入2#土层后阻力发生突变,略微减小之后开始增加;在3#土层中,阻力又开始快速增加。土壤发生了表面隆起、空腔形成、壁面坍塌和土壤回流4种失效模式。


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