Analysis of spudcan-footprint interaction in a single soil with nonlinear FEM

The footprints that remain on the seabed after offshore jack-up platforms completed operations and moved out provide a significant risk for any futurej ack-up installation at that site. Detrimental horizontal and/or rotational loads will be induced on the base cone of the jack-up platform leg （spudcan） in the preloading process where only vertical loads are normally expected. However, there are no specific guidelines on design of spudcan re-installation very close to or partially overlapping existing footprints. This paper presents a rational design approach for assessing spudcan-footprint interaction and the failure process of foundation in a single layer based on nonlinear finite element method. The rela- tionship between the distance between the spudcan and the footprint and the horizontal sliding force has been obtained. Comparisons of simulation and experimental results show that the model in this paper can deal well with the combined problems of sliding friction contact, fluid-solid coupling, and convergence difficulty. The analytical results may be useful to jack-up installation workovers close to existing footprints.

Failure mechanisms of a spudcan penetrating next to an existing footprint

Reinstallation of mobile jack-up rigs next to existing footprints is a problematic operation because the spudcan located near the footprints is subjected to eccentric and/or inclined loading conditions. Geotech- nical centrifuge studies have measured these loads for combinations of changing footprint geometry, footprint soil properties and the offset of the reinstallation from the footprint centre. These tests have been of full model spudcans in order to accurately measure the combined loads developed. They have not provided information on the mechanisms of failure occurring during this complex installation. Ob- servations from a visualisation test, where a half spudcan is penetrated against a transparent window in a geotechnical centrifuge, are reported in this paper. The mechanisms of failure at different stages during the nenetrntirm are nr^nted

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。

“踩脚印”工况下自升式钻井平台桩靴结构优化

为了降低自升式钻井平台在旧桩坑附近插桩时可能产生的工程风险,开展了一系列桩靴结构型式的优化研究和对比分析,提出六孔莲蓬形桩靴、平底桩靴、内凹形桩靴3种新型桩靴结构型式。首先借助CEL分析方法研究了上述桩靴结构在偏心距为0.5D的“踩脚印”贯入过程中桩靴-地基土体相互作用机制、受扰动土体的塑性变形水平范围及桩靴倾斜角和桩腿偏移距等与传统桩靴结构的差异,并采用有限元法及规范计算法对比分析了桩靴结构承载特性,最后评估了上述桩靴结构在成层土地基插桩过程中发生穿刺事故的风险。结果表明,相同“踩脚印”工况下,提出的3种新型桩靴结构产生的水平滑动力、桩腿顶部弯矩峰值相较于传统纺锤形桩靴结构降低值依次分别为32.59%、22.47%、28.18%和26.32%、12.88%、18.02%。可见,3种新型桩靴结构型式均能较好地降低桩靴“踩脚印”过程中产生的不利影响,其中六孔莲蓬形桩靴降低效果最好,内凹形桩靴次之,但后者结构型式更为简单,制作方便。其次,若考虑降低桩靴贯入对邻近导管架平台的影响,六孔莲蓬形桩靴结构因对周围土体扰动影响最小而效果最佳。若考虑桩靴在成层土或不连续贯入插桩作业时发生穿刺事故的可能性,当施加相同的稳定荷载并插桩到相同深度时,平底桩靴发生穿刺事故的可能性更小。

自升式平台方形桩靴“踩脚印”时结构强度计算方法

桩靴是自升式平台的基础,对整个自升式平台起到支撑和稳定的作用。在自升式钻井平台“踩脚印”的过程中,桩靴底部受到土体不均匀的承载力,可能会造成桩靴局部应力过大,进而导致桩靴损坏。鉴于自升式钻井平台“踩脚印”对桩靴结构的潜在危险,设计了三桩腿的自升式钻井平台“踩脚印”试验模型,获得了不同入泥深度时桩靴底部的压力分布状况。通过分析发现,在入泥深度为5 m时,桩靴两端产生最大的压力差,而在入泥深度为15 m时,桩靴底部压力最大,根据不同入泥深度对应的桩靴底部压力分布值构造了二次多项式函数,在此基础上,采用有限元软件ABAQUS建立了详细的方形桩靴有限元模型,将构造的压力分布函数按照分布规律分别施加到桩靴底部,计算出桩靴在不同深度以及不同偏心距时的桩靴应力结果。结果表明:在“踩脚印”过程中,应力最大位置出现在桩靴顶部圆管以及底部壳板位置,桩靴底部两侧受力不平衡对桩靴强度计算具有较大影响,相比直接将最大压载施加到桩靴底部的保守计算方式,本文方法和计算结果更加接近实际工程工况。

遗留桩坑对自升式平台滑移风险的影响及对策

运用有限元分析方法研究了前期作业遗留桩坑对自升式钻井平台滑移风险的影响,提出了降低滑移风险的对策,并进行了实例分析。考虑流体在孔隙结构中的渗流、滑动摩擦接触以及材料与几何非线性,建立了桩-土相互作用的流固耦合有限元模型,通过数值模拟结果与已发表文献中实验结果的对比,验证了模型的可靠性。利用建立的模型分析了前期作业遗留桩坑影响下的桩基土体破坏过程、运移形式及遗留桩坑对桩-土相互作用的影响,结果表明:插桩初期遗留桩坑底部与桩靴底部出现塑性破坏区域,然后破坏区域随着压载的增加不断增大,直至形成连续滑移面;桩靴周围土体的运移形式随着桩靴与遗留桩坑距离的增大出现明显变化;随着桩靴-遗留桩坑中心距的增大,峰值水平滑移力先增大再逐渐减小。在最终位置插桩前以适当的距离和深度进行试踩可有效降低平台滑移风险。

自升式钻井平台桩靴踩脚印应对措施对比研究

基于现有规范与文献研究提出的减小桩靴踩脚印附加响应的相关措施,首先基于耦合欧拉-拉格朗日(CEL)定量分析了传统纺锤形桩靴与新型桩靴在不同工况条件下插桩时桩靴地基土体相互作用机制,明确了最不利桩靴踩脚印工况时的插桩偏心距与桩坑深度。基于该最不利工况条件,对比分析了新型六孔莲蓬形桩靴、试踩法与地基钻孔法3种桩靴踩脚印应对措施的适用性与有效性。结果表明,相较于传统纺锤形桩靴,采用六孔莲蓬形桩靴使桩靴倾斜角与桩腿偏移距分别降低了33.13%和48.26%,说明结构在位稳定性更高。此外,通过对比分析得出,采用最佳设置方式进行试踩与钻孔处理后再进行桩靴贯入时,桩靴受到的水平滑动力峰值与桩腿RP_(1)处弯矩峰值相较于未处理时分别降低了29.47%、29.17%、34.7%、37.7%。可见,3种应对措施均能有效降低桩靴踩脚印后产生的不利影响,提高桩靴结构的在位稳定性。以最终减小不利附加响应程度作为评定标准:地基钻孔法>新型六孔莲蓬形桩靴>试踩法,由于地基钻孔法与试踩法均需增设额外机械设备及施工工序,大幅提高了工程造价,因此,在实际工程中,需要根据实际情况恰当选择应对措施。研究成果可为实际工程中应对桩靴踩脚印工况响应提供一定参考与借鉴。

自升式平台踩脚印失稳机理大变形有限元分析

自升式平台桩靴踩脚印失稳相关研究较少,且多为实验研究,土体的流动破坏模式和桩靴失稳机制尚不十分清楚。运用CEL有限元方法来模拟桩靴贯入均匀土体的过程,选择出最合适的网格密度,在此基础上模拟桩靴在旧桩坑附近的二次插桩过程,分析了旧桩坑的几何形状(包括深度、坡度和直径)、二次插桩偏心距对桩靴基础二次插桩稳定性的影响规律,考察桩靴的最大峰值水平力Hmax、最大峰值弯矩Mmax,并联合土体的流动破坏机制分析了桩靴踩脚印失稳机理。

桩坑附近桩靴二次就位过程中滑移载荷研究

自升式平台在遗留桩坑附近就位时,桩靴的滑移风险对于平台结构安全具有重大威胁。基于耦合欧拉−拉格朗日方法,建立了遗留桩坑附近插桩过程的有限元模型,对加载速率和网格密度等进行参数分析,确定了合理的模型参数,并进一步研究了相关参数的影响规律。结果表明,滑移载荷产生的主要原因在于桩靴贯入过程中土体破坏面的不对称;峰值滑移载荷随桩坑坡度、深度和直径的增大而增大;减小桩靴底面坡度可以有效减小桩靴上的滑移载荷。研究揭示了桩坑和桩靴几何参数对滑移载荷的影响机制及其规律,对于深刻认识“踩脚印”问题和有效指导桩坑附近二次就位作业具有科学意义。

自升式平台压载作业桩腿侧向滑移的极限RPD

对“踩脚印”过程的齿条相位差(Rack Phase Difference,RPD)计算原理进行研究,推算适用于桩腿侧滑的RPD计算方法;采用有限元分析方法模拟桩腿在不同方向、不同距离的侧滑,计算自升式平台桩腿、升降系统以及固桩区结构强度,确定平台系统的临界极限能力;通过搜索,最终确定平台“踩脚印”时的极限RPD值。将RPD理论应用于自升式平台“踩脚印”插桩过程,当桩腿变形接近临界值时,RPD监测系统报警并提醒作业者及时调整平台插桩状态,可有效减少桩脚的侧滑风险,对设计者和作业者有很强的指导作用,具备较高的应用价值。

自升式钻井平台重复就位滑移风险分析及对策研究

海底遗留桩坑的存在容易造成自升式钻井平台重复就位桩腿滑移风险。基于欧拉-拉格朗日耦合理论,运用有限元分析方法,建立了自升式钻井平台重复就位桩-土相互作用模型,通过数值模拟结果与已发表文献中实验结果的对比,验证了模型的可靠性。分析了前期作业遗留桩坑对重复就位平台桩腿可能产生的滑移风险,分析了不同中心距下的水平滑移力和弯矩,确定了重复就位的安全距离,提出了降低滑移风险的试踩对策,可为钻井平台重复就位提供一定的借鉴经验。

自升式平台“踩脚印”土池试验

基于一套三桩腿自升式平台"踩脚印"试验系统,通过设置典型工况条件,测量平台桩腿上的弯矩、水平力和平台整体的倾斜角度,研究偏心距、脚印尺寸和单、双坑因素的影响规律。结果表明,桩靴周围土体不对称是引起踩坑桩腿底部弯矩的主要原因;桩腿上的最大载荷和平台整体的倾斜角度随着偏心距的增大而减小,随着脚印尺寸的增大而增大;非踩坑桩腿顶部是整个平台受力最大、最易损坏的位置,对深刻认识"踩脚印"问题和指导实际作业具有重要意义。