自升式平台桩靴拔桩过程中冲桩作用机理及评估方法研究

The extraction difficulty due to deep penetration and large suction is one of the main risks for jack-up operations in soft clay. Jetting is the most effective way to reduce spudcan extraction resistance. However, the engineering practice of jetting mainly relies on experience due to the lack of academic research. In the proposed work, the large-deformation Finite Element model will be developed with the scripting interface provided by Abaqus, and the jetting during spudcan extraction will be numerically simulated. The numerical model is based on the Arbitrary Lagrangian Eulerian approach and takes into account the coupled structure-soil-fluid interaction. The centrifuge model tests of jetting during spudcan extraction will also be conducted. Based on the experimental and numerical results, the structure-soil-fluid interaction will be analyzed, and the influences of jetting pressure, flow rate, time, the undrained shear strength and permeability of clay on jetting efficiency will be studied. The evaluation methods for jetting efficiency to reduce the undrained shear strength of clay and suction will be achieved through data fitting. The proposed work is dedicated to reveal the mechanism and evaluation method of jetting effect on spudcan extraction, providing reliable theoretical guidance to the engineering practice.

入泥较深和吸附力较大等因素导致的拔桩困难是自升式平台在软黏土中作业的主要安全隐患之一。 冲桩是减小拔桩阻力、消除拔桩困难最有效的一种手段，但是工程实践主要依靠经验开展，相关学术研究较少。本项目拟根据任意拉格朗日欧拉方法，基于ABAQUS二次开发建立考虑结构-土-液耦合的大变形有限元模型并进行冲桩数值分析，同时开展冲桩离心模型试验。综合试验和数值模拟结果，分析冲桩过程中的结构-土-液相互作用过程，研究冲桩压力、流量、时间，土体不排水抗剪强度和渗透系数等参数对于冲桩效率的影响规律；结合理论分析，通过数据拟合得到冲桩导致的土体不排水抗剪强度和吸附力减小量的计算公式。该研究的目标在于，揭示自升式平台拔桩过程中冲桩减阻的作用机理，建立冲桩减小拔桩阻力的评估理论并通过工程现场数据进行验证和完善，为冲桩系统设计和冲桩作业参数的确定提供理论指导。

入泥较深和吸附力较大等因素导致的拔桩困难是自升式平台在软黏土中作业的主要安全隐患之一。尽管工程实践证明冲桩对于减小拔桩阻力具有非常显著的作用，然而此前关于冲桩的学术研究成果匮乏，冲桩系统设计和现场作业仍主要参考经验进行。本项目基于1g大比尺插拔桩试验系统，建立了一套自升式平台冲桩试验系统，并进行了15组冲桩试验；同时基于ABAQUS有限元软件，结合二次开发建立了用于拔桩过程中冲桩过程分析的有限元模型，并进行了大量数值分析。结合试验研究和数值分析研究发现，顶部冲桩对于冲桩效果的贡献非常有限，而且顶部冲桩一定程度上会分散底部冲桩可用的冲桩水量，因此将冲桩水更多地集中用于底部冲桩可能更好。拔桩前冲桩主要通过提高桩靴底部土体的孔压来减小吸附力；当桩靴拔活后，桩靴和土体之间出现了空隙，冲桩水主要用于填充该空穴。拔桩前冲桩时，桩靴底部土体孔压随着冲桩时间的增大而增大，但冲桩时间大于一定时间后冲桩效果即不再显著提高；冲桩流量对于冲桩效果的影响不明显。但拔桩后冲桩时，冲桩流量对于冲桩效果的影响显著，冲桩填充比为0.7时可以完全消除吸附力，而填充比越小，拔桩阻力越大；同时，冲桩压力越大，冲桩效果越好。冲桩喷嘴的位置越接近桩靴边缘，桩靴周围的土体受冲桩而弱化的程度越高，因而越容易发生局部流动破坏，冲桩效果越好；冲桩喷嘴越多，冲桩的效果越好。此外，还基于渗流理论，将冲桩喷嘴近似为恒压点源，研究提出了冲桩效果分析的方法，将其与有限元方法结合后，该套方法可以有效用于冲桩作用效果的分析。本项目揭示了冲桩过程中的冲桩水渗流扩散及孔隙水-土颗粒-结构耦合机理，这对于相关海洋土工结构设计与分析具有重要的科学价值。本项目取得的研究成果尚未取得推广应用，但其应用前景广阔，可以用于指导更有针对性地设计和优化冲桩系统，以及确定实际冲桩现场作业参数，解决现有冲桩作业效率低的问题。