离岸工程地基基础承载力研究

【摘要】：近几十年来对油气资源的需求急剧增加,使得油气的开采逐渐由陆地走向近海,进而再到深海。我国近海和南海深水海域储藏着丰富的油气资源,在应用海洋平台进行油气资源的勘探开发时,自升式平台和浮式采油系统(FPSO)有广泛的应用前景。自升式平台采用spudcan基础,浮式采油平台广泛采用锚板或吸力锚作为锚固基础。但是,在世界范围内,至今对上述三种基础的承载力研究仍不充分,还需要进行多方面的研究。 spudcan基础主要承受上部结构和自身重力形成的竖向荷载和由风浪、洋流等引起的水平和力矩荷载,因而研究其在竖向荷载、水平荷载和力矩荷载共同作用下的承载力特性具有重要的意义。有限元法在求解岩土工程极限承载力问题时,极限状态的评判还没有统一的标准。特别是当土体服从非相关联流动法则时,即使应力状态处于塑性极限包络面(破坏面)内时,土体仍存在局部非稳定区。因此,提出新的、严格判别岩土结构极限状态的标准很有意义。为此,本文围绕spudcan基础、锚板和吸力锚的承载力特性和破坏模式进行研究,主要工作包含以下内容: 1.对软土中深埋锚板的抗拔承载力进行了分析。针对不排水均质黏土中深埋条形锚板和圆形锚板,分别构造两种简单的机动容许速度场,利用塑性力学极限分析的上限法求解锚板的极限抗拔承载力。采用非线性有限元方法对构造的速度场和承载力计算结果进行了验证。说明了提出的速度场合理、简单,并严格符合机动容许场的要求,便于实际应用,能为工程设计提供参考依据。 2.采用弹塑性有限元法,分析了均质和正常固结软土中,spudcan基础在复合荷载作用下的承载力。针对均质软土和正常固结软土地基中的spudcan基础,基于大型通用有限元软件ABAQUS,建立三维弹塑性有限元模型,研究基础在简单加载和复合加载下的承载力特性。比较了不同土质、不同埋深的spudcan基础在V-H,V-M和H-M平面上的归一化破坏包络面,得到了F-H-M荷载空间的地基破坏包络图,并将有限元分析得到的结果与相关的经验公式进行了对比。 3.有限元法结合Hill稳定条件(FEM Hill方法)判别极限状态的程序实现。首先简要介绍了岩土工程中的几个材料破坏标准,并讨论了它们相互的关系。重点介绍了Hill稳定条件在岩土工程中应用的情况。然后详细阐述了利用python语言对ABAQUS进行二次开发,使有限元法与Hill稳定条件相结合的具体实施过程,用Hill稳定条件作为有限元分析岩土结构极限状态的判定标准。 4.验证了FEM Hill方法求解岩土工程极限问题的可行性。用该方法分析了条形基础极限承载力和锚板的抗拔承载力等二维承载力问题,并阐述了有限元方法结合Hill稳定条件求解承载力问题的优点。 5.利用FEM Hill方法分析了库伦材料中吸力锚的承载力特性。针对库伦材料中的吸力锚基础,建立了三维弹塑性有限元模型,采用FEM Hill方法求解地基的极限承载力和潜在失稳区域。考察了加载点的变化、剪胀角、粘聚力、内摩擦角和土体重度等因素对承载力的影响,并且得到了破坏包络图的拟合公式,可为库伦材料中吸力锚基础的设计提供参考依据。