自升式钻井平台插拔桩对邻近平台变形和桩靴承载力的影响研究

自升式钻井平台桩靴插拔过程会扰动周边土体,使邻近平台桩靴基础的承载性能受到不利影响。基于弹性理论,求解桩靴脚印周边土体卸荷程度与影响范围,结合模型试验,揭示距插拔位置不同距离/直径(L/D)条件下土体强度的衰减规律;利用CEL大变形和桩靴脚印拟静力计算方法,分析某油田的自升式钻井平台桩靴插拔过程,揭示桩靴插拔对周边土体应力、邻近平台变形和桩靴承载力的影响规律。

带扩大桩靴桩基施工挤土效应解析研究

提出新型带扩大桩靴预应力管桩基础.不同于均匀截面管桩的施工挤土效应,由于桩靴尺寸大于预制管桩桩身,桩端扩张不宜视作理想球体而更接近于扁球体(旋转椭球体).基于扁球体扩张源对新型带扩大桩靴桩基施工挤土位移场进行解析求解,基于圆孔扩张理论考虑桩周土塑性区域的体积变形,对扁球体扩张应变路径法计算结果进行修正.通过提出的解析解,研究带扩大桩靴桩基施工挤土效应.结果表明,桩周场地可以根据位移场分布规律,大致分为近地表、近桩端以及桩身附近3个区域.扩张源形态越“扁”,桩身附近区域水平“排开”效应略有增强,近地表区域地面“隆起”位移及近桩端区域竖向位移显著减小,这对于挤土桩施工而言是非常有益的.

带扩大桩靴桩侧同步灌浆桩成桩过程试验研究

针对新型带扩大桩靴桩侧同步灌浆预制桩基础的施工成桩过程,开展透明土模型的试验研究.相较于传统预制桩,新桩型成桩完成后,端部扩大桩靴结构及桩周固化后的水泥浆液可以明显提升基桩端阻力和侧摩阻力,使得该新桩型具有较高的抗拔能力.通过透明土材料Laponite RD模拟软黏土施工环境,分别针对常规预制桩、带扩大桩靴预制桩及带扩大桩靴桩侧同步灌浆预制桩开展对比模型试验,采用粒子图像测速(PIV)技术进行成桩施工过程的可视化后处理,以探明该新桩型的成桩过程机理,为新桩型的进一步推广应用提供理论支撑.研究结果表明,新桩型施工挤土位移场的分布形式不同于常规预制桩,呈涡旋状,挤土位移的影响范围小于桩靴同直径的预制桩. X、Y方向的位移云图显示,扩大桩靴结构和同步灌浆施工技术使得桩周土体表面及内部施工扰动的影响范围更小,这对于挤土型桩基施工而言是十分有益的.

黏土中大直径钢圆筒在桩靴贯入时的稳定性研究

某在建水下生产系统附近有自升式平台的频繁桩靴插拔作业,采用了大直径薄壁钢圆筒作为水下生产系统的保护结构,因此钢圆筒在自升式平台桩靴插拔过程中的受力与变形备受关注。开展了离心模型试验,揭示了桩靴贯入过程导致的钢圆筒受力与变形规律;进而应用经离心试验验证的耦合欧拉与拉格朗日数值模拟方法,开展了筒-靴不同相对位置工况下,桩靴贯入对钢圆筒稳定性的影响分析。结果表明:桩靴贯入导致的筒壁附加应力及位移随筒-靴间距的增加而衰减,其衰减程度随筒靴间距的增加而减小,且由于筒靴间距的不同,钢圆筒对应存在两种受力模式。筒靴间距为2倍桩靴直径时,筒身附加应力可达110 MPa,表明桩靴对钢圆筒的影响距离可达2倍桩靴直径以上。

基于贝叶斯算法的自升式平台桩靴基础砂-黏地层峰值阻力预测

自升式平台在含有砂-黏地层井位就位过程中,受下卧软土层影响,易发生桩靴大位移贯入下卧地层造成穿刺破坏,准确预测桩靴基础砂-黏地层峰值阻力及相应深度,对保障平台安全至关重要。基于已有离心机模型试验数据,通过引入服从Beta-PERT分布的不确定性因子,构建了自升式平台桩靴基础砂-黏地层潜在峰值阻力及对应深度的先验概率和似然概率计算模型;结合桩靴贯入过程中的监测数据,利用贝叶斯算法计算并持续更新后验概率,以提高桩靴基础砂-黏地层峰值阻力的预测精度。在此基础上,通过反分析25组离心机模型试验,对基于贝叶斯算法的桩靴基础砂-黏地层峰值阻力预测方法的有效性进行了验证。结果表明,相较于现行ISO规范和SNAME规范推荐的荷载扩展法和冲剪法以及新近发展的3种峰值阻力计算方法,基于贝叶斯算法的概率预测方法可有效提高桩靴基础砂-黏地层峰值阻力的预测精度。研究成果为自升式平台桩靴基础在含有砂-黏地层井位就位安全评估提供了方法支持。

基于代理模型的自升式海洋平台桩靴结构优化

自升式海洋平台桩靴作为平台的重要组成部分存在结构庞大笨重、应力分布不均等问题,以自升式海洋平台JU2000E桩靴为研究对象,应用Ansys软件建立有限元模型,依据美国船级社(ABS)规范对其在预压载工况和风暴自存工况下进行强度分析与校核,采用桩靴各结构板厚作为优化设计变量,通过最优拉丁超立方抽样选取样本点,结合径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络算法建立设计变量和各响应的代理模型,并基于第二代非劣解遗传算法(NSGA-Ⅱ)对桩靴进行多目标优化。对优化后的桩靴进行仿真验证,桩靴重量减轻、应力减小且分布更均匀。

黏土中桩靴插拔对邻近三桶导管架基础的影响研究

[目的]移动式平台进场安装海上风机的插拔桩施工过程风险大,易影响邻近基础结构的工作性能,甚至导致其失稳破坏。[方法]为厘清桩靴插拔过程对临近基础的影响机理,文章针对类矩形桩靴,采用CEL大变形方法,开展了其在均质和非均质黏土中插拔过程模拟,重点分析了插桩过程对邻近导管架基础产生的附加倾覆角演变机理;并基于大变形模拟结果,利用小变形进一步研究了桩靴拔出后土体软化效应对邻近桶各向极限承载力的影响。[结果]研究结果表明,在桩靴挤土作用下,三桶导管架基础均会发生先顺后逆的转动位移,且随着净间距的增加而逐渐减小。同时,挤土导致的土体软化会使邻近桶各向承载力降低。[结论]受插拔桩靴的影响,非均质土中的三桶导管架的倾覆角度更大,所对应的贯入深度更深。插拔桩靴所造成的软化区域影响范围在均质黏土中水平方向延伸较大,深度方向较小。在均质黏土中,平均强度损失较小,三桶导管架的水平向、转角向的承载力损失较少。在均质和非均质黏土中,竖向承载力折减明显,最大折减系数可达0.72。

可移动自升式井口平台的桩靴疲劳寿命分析

针对可移动自升式井口平台(WZ12-8E WHPA)中桩靴的结构型式,考虑了波浪、洋流、土壤特性和腐蚀等综合环境,计算和预测其在8个不同浪向海况下的结构应力和疲劳寿命。首先采用Longuet-Higgins模型将随机波谱转化为规则波谱,并借助SACS软件展开整体分析,获得桩腿截断处的剪力、弯矩和轴向力传递函数。之后借助ABAQUS对桩靴模型开展局部详细受力分析。以计算应力结果为循环幅值,以年统计波数为循环次数,采用Miner累计损伤准则进行损伤评估,最终获得桩靴的疲劳寿命。并对比了美国船级社和挪威船级社两种规范中的S-N曲线对评估其疲劳寿命的差异,为评估和预测桩靴的疲劳寿命提供可借鉴的计算方法。

海上风电安装船桩靴有限元分析

针对目前国内外关于升级改造后的海上风电船桩靴结构强度评估方法较少的问题,以某进行吊机、桩腿升级改造后的风电安装船为研究对象,依据中国船级社(CCS)《海上移动平台入级规范》(2020)的相关要求,采用有限元直接计算方法,建立桩靴三维有限元模型,考虑自重、静水压力、预压载载荷和弯矩的影响,模拟船舶预加载、偏心、风暴自存等组合工况,评估风电船桩靴的结构强度和安全可靠性。结果表明:该船的桩靴在各载荷工况下的应力均小于许用应力,结构强度满足规范要求。

自升式风电安装船桩靴结构优化设计

为在初步设计时考虑桩靴施工和工艺的要求,对某自升式风电安装船的桩靴进行优化设计,建立有限元模型,并根据相关规范计算桩靴在预压载、偏心和风暴自存工况下的结构强度。强度校核结果表明:优化设计后的结构强度满足要求且实船运营良好。研究成果可为桩靴结构优化设计提供一定参考。

自升式钻井平台桩腿桩靴牺牲阳极应用及研究

为预防自升式钻井平台海水电化学腐蚀带来的金属结构伤害,在钻井平台生命周期有效保护桩腿和桩靴,需要选择合理的牺牲阳极类型及数量。从牺牲阳极的更换时间、阴极保护的确定、牺牲阳极的选择及牺牲阳极数量的计算四个方面进行了介绍,结合海上移动式平台检验规则,对不同位置的保护对象分别进行了计算。研究表明,结合坞检时间,通过计算设计可以选择出不同保护对象对应的标准牺牲阳极类型及数量。

自升式钻井平台大桩靴改造中冲桩系统设计

结合某自升式钻井平台桩靴加大适用性改造项目,文章分析了平台桩靴加大后的原船冲桩系统改造和冲桩管系布置,并概述了冲桩系统适应性设计原理和要求。通过使用冲桩系统仿真模拟软件,对喷嘴位置进行优化布局,并最终制定出最优生产方案。

黏土地基上海洋平台桩靴峰值阻力上限分析

在自升式平台的预压载过程中,桩靴在层状地基上较易发生“穿刺”现象,很大程度上影响着平台的安全运行。准确地分析桩靴峰值阻力,避免平台桩靴发生“穿刺”是非常重要的。采用极限分析上限定理,合理构建运动许可速度场,从理论上推导了层状地基上桩靴峰值阻力的上限解答。为了进一步验证峰值阻力理论解答的准确性,采用ABAQUS有限元软件构建了“桩靴—弹塑性海床”的三维数值模型,对桩靴贯入海床的过程进行了数值模拟,分析桩靴周围土体的塑性变形演变规律,研究土体的破坏机理。研究结果表明:推导的桩靴峰值阻力上限解答,能够较好地计算层状地基极限承载能力,通过与离心机试验和数值结果对比,计算误差在18%以内;给出的运动许可速度场能够较好地反映桩靴周围土体破坏模式;桩靴阻力达到峰值时,下层软土中的土塞高度约为桩靴直径的0.2倍。

自安装井口平台桩靴结构强度分析

针对自安装井口平台需要在目标油田进行长期作业不撤离的特点,提出一种适用于自安装井口平台的无浮力式桩靴,桩靴设有新型的自适应式封堵楔块结构,通过封堵楔块运动解决平台站立状态时的桩腿浮力对平台的不利影响,使用有限元法对桩靴结构本体、封堵楔块在平台插桩和站立作业状态时的受力情况进行数值模拟分析,结果表明,新型自安装井口平台桩靴安全。

自升式钻井平台桩靴改造方法在“鸡蛋壳地层”插桩中的应用

对自升式钻井平台桩靴进行加大改造,可以减小单根桩腿预压载压强,提升桩靴就位时安全系数,减小平台就位“鸡蛋壳地层”穿刺风险。本文基于“招商海龙9”自升式钻井平台就位恩平20-5区块桩靴加大改造实际案例;详细介绍了平台桩靴加大改造设计方案,及改造后就位相关区块实际压载情况。实际应用施工资料表明,桩靴加大改造后,桩腿预压载压强大幅减小,对应“鸡蛋壳地层”处安全系数满足规范要求,有效消除了桩靴就位穿刺风险。研究成果作为桩靴加大改造方法在“鸡蛋壳地层”插桩中成功应用案例,将为我国自升式钻井平台就位“鸡蛋壳地层”消除穿刺风险提供宝贵经验与技术指导,助力油气安全高效开发。

ALE方法评估黏土场地的自升式平台桩靴承载力

为研究自升式平台桩靴在黏土场地中的极限承载力,建立Abaqus桩靴-土模型,采用任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrangian-Eulerian,ALE)方法对桩靴的贯入过程进行模拟,提出大值法、中值法、小值法等3种数据处理方法,并拟合桩靴承载力估算公式。将模拟计算结果与SNAME规范公式计算结果进行对比分析,对比结果证明ALE方法模拟桩靴贯入的可行性。为提高工程的安全性,提出对SNAME公式计算结果进行折减的具体公式,以使其与ALE小值法处理结果更吻合。

自升式钻井平台桩靴贯入饱和砂土的机制研究

为研究桩靴贯入饱和砂土的承载机制以及桩靴周围砂土变形机理,开展桩靴的抗压承载土工模型试验以及桩靴-土体相互作用的透明土试验,测得了桩靴荷载-沉降变化规律、桩靴周围砂土的位移向量场和等值线图,初步探讨了桩靴贯入饱和砂土时的承载机制与桩靴周围砂土变形机理。基于圆孔扩张理论及分段位移迭代算法,推导出静载作用下桩靴荷载-沉降变化规律;与试验结果的对比发现:计算误差约为11.7%。通过浅应变路径法(SSPM)计算得到桩靴周围土体位移理论值;与试验结果对比发现:计算误差在16.7%~26.3%。

桁架式桩腿的方型桩靴结构设计研究

针对风电安装平台的结构稳定性问题,本文提出了小肘板结构、大肘板结构、三角形浮箱水密结构3种桁架式方型桩靴复合型结构,采用典型设计载荷工况对3种桩靴结构进行强度分析研究。结果表明:较小肘板结构而言,后两种桩靴结构强度更好;大肘板结构与三角形浮箱水密结构应力水平及变形相当,但后者密封性更好,实际应用中能有效避免淤泥堆积引起的应力集中,延长使用寿命。因此,采用三角形浮箱水密复合型桩靴结构更能满足风电安装平台的结构设计需求。

钻井船插拔桩对临近桩靴承载力的拟静力模拟研究

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PLAXIS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证了方法可行性。结果表明:桩靴承载力折减率η随相对贯入深度H/h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η随两桩靴的相对间距L/D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L/D超过2.0时,影响可忽略不计。

桩靴对饱和粉土中锤击管桩沉贯阻力的影响

带桩靴管桩有利于提高打入桩的贯入效率,并且会改变桩身荷载传递规律减小桩身破损。为探究饱和粉土中开口管桩锤击沉贯机理,对双壁开口模型桩进行了室内贯入试验。锤击沉桩下考虑不同桩靴形式的影响,采集沉桩过程中桩身应变和土塞变化。研究发现,沉桩进入硬质砂土层后沉桩阻力明显增大,桩端阻力占比较大,桩靴能有效减小沉桩阻力;在同一土层位置处,外侧摩阻力会出现衰退现象,内倾30°桩靴桩内单位侧摩阻最大;桩端形式对土塞影响显著,沉桩结束时土塞率内倾30°桩靴试桩、外倾30°桩靴试桩、无桩靴试桩分别为41%、35%和31%。桩靴可有效降低穿越硬质土层的贯入阻力,研究结论可用于指导打入桩施工,为预制管桩打入过程选用合适的桩靴形式提供参考。