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滩海吸力式桶形基础承载力特性研究

武科  
【摘要】: 吸力式桶形基础是一种新型的海洋平台结构基础型式,它是伴随着边际油开发的需要应运而生的。这种新型的基础型式弥补了传统的导管架平台和重力式平台等固定式浅海海洋工程结构自重大、工程造价随水深大幅度地增加等不足;比较适宜于软土地基和恶劣的海洋环境,而且具有造价低、可重复使用等优势,被海洋石油专家誉为“导管架平台基础工程技术新时代的曙光”。随着我国在渤海以及近海海洋油气田的开发,桶形基础结构为软黏土地区海洋平台的建设提供了一条新路。然而,吸力式桶形基础在正常工作中,不仅受到上部海洋平台结构巨大自重及其设备所引起的竖向荷载的长期作用,而且一般往往遭受波浪与地震等所引起的水平荷载、力矩荷载的共同作用。目前,针对多种荷载分量共同作用的复合加载模式下吸力式桶形基础承载力特性的研究,尚缺乏被广泛认可的理论体系与计算方法,在我国进行实际工程应用还需要做大量的工作。因此,有必要针对复合加载模式下吸力式桶形基础结构的变形机理及其承载力特性,开展深入而系统的理论分析与数值计算等方面的综合研究,发展和完善深厚软黏土地基上吸力式桶形基础结构的有关设计理论体系与计算方法,为我国海洋平台吸力式桶形基础结构的设计与应用提供理论依据和技术支持。为此,本文着重围绕复合加载模式下软基上吸力式桶形基础结构的失稳破坏机制及其承载力特性等方面进行了比较系统而深入的探索,论文的主要研究工作包括下列方面: 1.针对吸力式桶形基础负压沉贯安装过程形成的桶体内外渗流场,采用改变桶内海床泥面水头边界条件可以模拟不同的负压条件,从而建立了吸力式桶形基础负压沉贯渗流场数值分析模型,确定了沉贯过程中地基土性参数对渗流场水头分布及渗流水头损失等渗流场特性的作用。 2.针对深厚软黏土等不良地基,提出了符合海洋地基稳定性分析的计算分析方法;进而,基于大型通用有限元分析软件ABAQUS,建立了软黏土地基上单桶结构及周围土体共同作用体系的三维弹塑性有限元数值分析模型,采用位移控制方法,通过系统地有限元数值计算,研究了不同荷载分量单独作用下吸力式桶形基础的失稳破坏模式及极限承载力特性,阐述了能够反映吸力式桶形基础地基极限承载力特性的经验计算关系式,为桶形基础的设计提供了重要的参考依据。 3.根据有限元分析所得到的竖向荷载、水平荷载作用下软黏土地基上吸力式桶形基础失稳破坏模式,基于塑性极限分析原理,分别提出了竖向荷载、水平荷载作用下的三维极限分析上限解法。以此为基础,将本文所提出的极限分析上限解法所得到的极限承载与有限元分析所得到的相应结果进行了对比。根据对比结果的一致性,验证了本文所建议的极限分析上限解法的合理性。 4.针对多种荷载分量共同作用的复合加载模式下吸力式桶形基础的承载性能,采用Swipe试验加载方法分别探讨了软黏土地基上单桶基础的承载力特性。 首先,在大型通用有限元分析软件ABAQUS上,通过大量的三维弹塑性有限元数值分析,确定了不同的复合加载模式下地基的各种失稳破坏机制,绘制了不同荷载组合空间内地基的破坏包络面,进而基于Taiebat与Carter所提出的地基三维破坏包络面的经验数学表达形式,对其进行修正,提出了适合不同长径比的桶形基础在不同荷载空间内的地基破坏包络面数学表达式,结合有限元分析所得到的V-H-M荷载空间内单桶基础地基三维破坏包络面,以此评价复合加载模式下单桶基础的稳定性。进一步,针对国内外缺乏考虑倾斜荷载作用下桶形基础承载力特性的现状,通过考虑力矩荷载M=0情况下倾斜荷载作用对单桶基础承载力的影响,探讨了竖向倾斜荷载与水平倾斜荷载共同作用下偏心距e与倾斜荷载的相互关系,以此绘制了偏心距e与倾斜荷载V-H荷载空间内的三维破坏包络面。 其次,基于ABAQUS二次开发,通过考虑软黏土不排水抗剪强度的横观各向异性和非均质性,分别探讨了不排水抗剪强度的横观各向异性和非均质性对吸力式桶形基础承载力特性的影响。 最后,基于ABAQUS二次开发,通过考虑软黏土地基的循环累积变形以及荷载的循环特征,结合Andersen等所提出的软黏土循环强度概念,建立了一种变值(循环)复合加载模式下吸力式桶形基础的三维弹塑性拟静力循环有限元计算模型,针对不同循环次数,通过大量的的变值(循环)复合加载有限元数值计算,阐明了单桶基础在循环荷载作用下地基中应力状态变化特点和地基破坏模式,得到了单桶基础受不同循环荷载作用下循环极限承载力的变化规律;进而把变值(循环)复合加载模式与复合加载模式下桶形基础的不同荷载空间内的破坏包络面进行了对比分析。 5.通过研究双桶、四桶组合基础在复合加载模式下的地基承载力特性,探讨了桶间距对双桶基础地基承载力的影响;进一步,结合我国第一座吸力式桶形基础采油平台CB20B实际工况,探讨了四桶基础结构的稳定性,通过绘制地基破坏包络面,对实际工况中的CB20B采油平台稳定性进行了评价。


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