考虑地基影响时自升式平台的结构强度研究

按现行规范，自升式平台结构计算的边界条件是将地基的作用简化为泥面下某处约束。这种简化忽略了海底地基与平台结构的相互影响，从而会引发平台结构安全问题。.本项目选取胜利十号或作业五号自升式平台作为研究对象，首先对我国渤海海域的海洋环境载荷进行分析；采用理论分析和实验研究方法，研究表层为粉质粘土的渤海海底层状地基的土力学本构模型，并确定其土力学特性参数；再通过数值模拟和模型试验，考虑海底地基的弹塑性，选取M-C或D-P模型，研究地基土-桩靴-桩腿-自升式平台结构整体系统的静强度与极限承载力；考虑地基土非线性，研究自升式平台结构的动力响应；最后，在自升式平台主体与桩腿上选取测点，实施海洋平台现场测试，进行数据对比分析研究。最终揭示载荷作用下平台对地基的影响及地基变化因素对海洋平台结构的影响规律。并提出针对我国渤海海域地基影响下自升式平台强度计算的修正方法，为自升式平台结构设计的改进提供依据。

现有自升式平台强度设计中地基承载力采用静态设计法,将地基作为一种不变的边界条件，将桩土作用简化为泥面下简支约束，从而忽略了地基土的非线性及低强度特性.桩土贯入过程属于动态高度非线性、大变形问题,土体流动特性对桩端承载影响很大.建立桩土有限元模型,采用任意朗格朗日-欧拉法（ALE）模拟桩土贯入,利用罚函数法求解桩土面-面动力接触效应.分析结果表明:桩靴上部空腔破坏,土体回流冲击桩靴上端面,并在桩靴上下端面形成速度逆差,造成桩靴下部形成瞬态吸力,造成桩端承载骤增.因此采用静态设计法得到地基承载能力低于实际贯桩桩端承载,易导致地基破坏,对平台结构强度不利.基于静压贯桩试验，采用ABAQUS/ALE （Arbitrary Lagrangian-Eulerian）有限元分析方法模拟自升式平台插桩过程. 针对贯桩过程中桩端底部压力分布规律，利用静力压桩试验结果对数值模拟结果进行验证，试验结果与数值结果吻合. 并针对贯桩过程中桩的贯入速度,Mohr-Coulomb模型中土体各参数对贯桩过程的影响进行探讨. 数值模拟结果表明，桩的贯入速度,典型加载形式包括Tabular和Smooth,对桩端承载力呈现形式有明显不同，但桩端极限承载力不因加载速度形式不同而变化很大；弹性模量(E)对桩靴承载力影响不大；泊松比(γ)控制空腔的形成、发展形式，对桩端承载力有不同程度的影响.摩擦角(φ)、内粘聚力(C)影响土体剪切强度及桩端承载力，其中以摩擦角(φ)影响为主.针对桩靴穿刺现象，利用穿刺压载试验结果对数值模拟结果进行验证表明：穿刺发生时，桩端承载骤降：桩靴外侧压力约为内侧压力5~10倍，压力变化为非线性分布，与中国船级社《海上移动平台入级与建造规范》中关于桩靴底部压力呈线性分布假定不符.桩土动接触法则应用于平台插桩设计具有重要的现实意义.