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《自升式鉆井平臺(tái)方形樁靴地基極限承載力理論解.pdf》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線(xiàn)閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫(kù)。
1、第十五屆中國(guó)海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集23自升式鉆井平臺(tái)方形樁靴地基極限承載力理論解121,21,3趙軍,張愛(ài)霞,段夢(mèng)蘭,王飛(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)海洋油氣研究中心,北京102249;2.大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院,遼寧大連116024;3.中海油田服務(wù)股份有限公司,河北三河065201)摘要:針對(duì)自升式鉆井平臺(tái)方形樁靴基礎(chǔ)的地基承載力問(wèn)題,在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,建立了三維地基滑移破壞面模型,根據(jù)極限平衡理論,同時(shí)考慮粘聚力、超載和土的自重作用,給出了相關(guān)平衡方程,并結(jié)合有限元軟件ABAQUS得到了三維方形樁靴基礎(chǔ)地基承載力的理論解。本理論解的結(jié)果和已有的靜載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,并通過(guò)方
2、形樁靴基礎(chǔ)插樁試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。關(guān)鍵詞:自升式平臺(tái);樁靴基礎(chǔ);極限承載力;方形;三維自升式鉆井平臺(tái)是一種特殊的海洋工程船,由船體、樁腿和升降裝置等幾個(gè)部分組成(見(jiàn)圖1),既可以升降船體,也可以升降樁腿。憑借其自身的特點(diǎn),如:靈活性、機(jī)動(dòng)性、經(jīng)濟(jì)性等,自升式平臺(tái)已廣泛應(yīng)用于近海油氣的勘探、開(kāi)發(fā)。自升式鉆井平臺(tái)有座底式、樁腿式和樁靴式幾種類(lèi)型,目前以樁靴式為主。合理、準(zhǔn)確的插樁深度的計(jì)算對(duì)自升式鉆井平臺(tái)的合理選擇、安全就位作業(yè)及拔樁能力評(píng)估至關(guān)重要。預(yù)測(cè)結(jié)果較實(shí)際過(guò)深,給平臺(tái)的決策者帶來(lái)誤導(dǎo),可能導(dǎo)致放棄本來(lái)可以安全作業(yè)的井位,造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失;預(yù)測(cè)結(jié)果較實(shí)際過(guò)淺,可能產(chǎn)生對(duì)于平
3、臺(tái)在該井位作業(yè)的錯(cuò)誤判斷,導(dǎo)致拔樁困難的尷尬局面,造成經(jīng)濟(jì)損失甚至是安全事故。然而,現(xiàn)有規(guī)范所推薦的自升式平臺(tái)樁靴基礎(chǔ)地基承載力的計(jì)算方法將不同形狀的樁靴等效為與其最大橫截面面積相等的扁平薄板,示意圖見(jiàn)圖2。這種等效橫截面積的方法忽略[1]了樁靴幾何特征對(duì)地基承載力的影響,一定程度上造成了預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際作業(yè)記錄間的偏差(如圖3所示),尤其對(duì)于一些典型的樁靴形式,如:BH12自升式平臺(tái)的方形樁靴(見(jiàn)圖4示)。圖1典型的自升式鉆井平臺(tái)及樁靴基礎(chǔ)示意[2]相對(duì)于條形淺基礎(chǔ)平面應(yīng)力-應(yīng)變處理方法而言,矩形淺基礎(chǔ)承載力的理論解較少有人研究,由于矩形基礎(chǔ)尺寸有限,端部破壞效應(yīng)是其承載機(jī)理區(qū)別于條形
4、基礎(chǔ)的主要原因,此時(shí)需要考慮地基承載力的三[3-6][4-5]維效應(yīng)。GGMeyerhof,JBHansen,ASVesic等學(xué)者通過(guò)對(duì)Terzaghi條形基礎(chǔ)地基承載力計(jì)算公式[3-4][7]乘以一修正系數(shù)的方式來(lái)得到矩形淺基礎(chǔ)地基承載力的計(jì)算公式。周中求得了圓形淺基礎(chǔ)地基承載力[8]的理論解,但沒(méi)有考慮主動(dòng)區(qū)和過(guò)渡區(qū)界面上土體的抗剪強(qiáng)度;李偉通過(guò)假定地基滑動(dòng)破壞面,將自重、粘聚力分離出來(lái)進(jìn)行二次求解的方法,在直接引用Vesic經(jīng)驗(yàn)公式中相應(yīng)子項(xiàng)的基礎(chǔ)上,得到了方形淺基礎(chǔ)地基承載力的理論解,但沒(méi)有考慮方形基礎(chǔ)相鄰兩邊對(duì)應(yīng)相鄰過(guò)渡區(qū)與被動(dòng)區(qū)分界面上的相互作用;王[9]哲改進(jìn)了以往算法單
5、獨(dú)考慮土重對(duì)各承載力系數(shù)影響的方式,同時(shí)考慮黏聚力、超載和土體自重的共同[10]作用,得到了矩形地基的承載力,但建立在假定的地基破壞滑移面的基礎(chǔ)上。HongjieYang通過(guò)求解非[11]線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題的方法給出了一種用于矩形地基下限承載力計(jì)算的有限元方法。Michalowski則采用極限分析上限解理論,在假定地基滑移破壞面的基礎(chǔ)上,采用單獨(dú)考慮地基自重影響的方法,求得矩形淺基礎(chǔ)的極限承載力。針對(duì)BH12#自升式鉆井平臺(tái)的典型樁靴形式——方形樁靴(見(jiàn)如圖4),根據(jù)實(shí)驗(yàn)所觀(guān)察到的樁基土體破壞模式構(gòu)造了三維的地基復(fù)合滑移破壞面,綜合考慮粘聚力、超載和土體自重的共同作用,根據(jù)極限平衡理論,求解
6、得到了方形樁靴地基承載力計(jì)算公式,并通過(guò)與所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及幾個(gè)典型公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,驗(yàn)證了本文所得公式的可行性。24第十五屆中國(guó)海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集10000800060004000bearingcapacity(t)2000Resultsgivenbyguidelinefielddata0010203040SpudcanPenetrationDepth(m)圖2現(xiàn)有規(guī)范推薦的樁基承載力計(jì)算方法示意圖3自升式平臺(tái)部分井位插樁深度預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際記錄對(duì)比圖4BH12#自升式鉆井平臺(tái)及其樁靴模型1三維地基滑移破壞面模型1.1實(shí)驗(yàn)分析考慮到地基滑移面在極限平衡法計(jì)算地基承載力
7、中的重要性,針對(duì)研究目標(biāo)——方形樁靴基礎(chǔ)進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析。如圖5所示,是針對(duì)BH12#自升式平臺(tái)方形樁靴基礎(chǔ)(見(jiàn)圖4)所進(jìn)行的插樁深度實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果(實(shí)驗(yàn)用土質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1)??梢?jiàn),插樁過(guò)程中樁靴底部土體的滑移破壞可分為三個(gè)區(qū),與Prandtl-Reissner關(guān)于條形基礎(chǔ)的結(jié)論一致;另外,由于方形樁靴自身的幾何特征,端部破壞效應(yīng)使得地基滑移情況區(qū)別于條形基礎(chǔ),呈現(xiàn)明顯的三維效應(yīng),滑移破壞面沿方形樁靴的對(duì)角線(xiàn)方向有明顯的展開(kāi)趨勢(shì)(見(jiàn)圖5示)。