基于无网格方法的自升式平台桩土效应研究

Effect of leg-soil for self-elevating unit belongs to the research category of fluid-structure-soil coupling. Ocean flow field, pile structure and geological environment factors are taken into account for the bearing capacity of ocean base. The effect of leg-soil caused by material non-liner, contract non-liner and geometrical non-liner of ocean foundation soil can cause the punch-through and break-pile behavior. It’s very strong destructive. It researches on the bearing capacity mechanism for ocean foundation soil, and gives a calculation method of penetration depth and pile extraction resistance.The research focus on the mechanical mechanism between foundation and soil under different ocean environments. It adopts the mess-less method to calculate the large deformation problem caused by elastic and plastic mechanics. It establishes the calculation model of bearing capacity for ocean foundation soil considering the non-liner factors. It can give a calculation method of penetration depth and pile extraction resistance for multi-layer anistrope soil in different ocean geological environments, and can reveal the influence law between the non-liner characteristics and effect leg-soil of self-elevating unit.

自升式平台桩土效应综合考虑了海洋流场、桩基结构及地质环境等因素对地基承载能力的影响，属于流-固-土耦合研究范畴。海洋地基土的材料非线性、界面接触非线性和几何非线性诱发的桩土效应会引起桩基结构穿刺和断桩等事故，具有极强的破坏性。本课题旨在通过对海洋地基土承载力机理的系统研究，探寻一种自升式平台桩基入泥深度及拔桩阻力计算方法。本课题针对诱发桩基结构安全性事故的非线性因素，建立海洋地基土的承载力计算物理模型，采用无网格方法对桩基土体区域弹性力和塑性力引起的大变形进行数值求解，研究不同海洋地质环境下的桩基与土体之间的力学机理，并结合试验方法对计算结果进行校验。通过本课题的研究，形成一套适用于海洋非均质多层土壤地质条件下的桩基入泥深度及拔桩阻力计算方法，揭示非线性因素对自升式平台桩土效应的影响规律。

本课题选取自升式平台海底层状土承载力、平台插桩入泥深度、平台拔桩阻力等为研究对象，以提升作业安全性为目标，开展以下研究工作：.1）鉴于传统地基承载力计算方法在处理参数复杂的海底地质条件下的局限性，开展浅基础地基极限承载力的经验计算方法及其适用性研究。依据土壤弹塑性力学性征，对承压土层以滑移破坏面为边界进行区域划分，基于极限平衡理论，对承压地基进行力学平衡求解，从理论上研究地基土主动区、过渡区和被动区的土体应力和应变行为。通过研究单层不同质土壤的极限承载力计算方法，给出一种新的圆形浅基础站立于层状海洋地基土，在不同失效模式下的承载力计算方法。.2）针对自升式平台因插桩深度的预估不足可能导致刺穿的隐患，开展桩靴与土体相互作用机理研究。考虑桩靴与土体相互作用涉及到的非光滑摩擦准则、土体大变形和材料非线性等力学特性，构建有限元模型，模拟平台插桩时桩土相互作用及土体的破坏过程。计及桩靴形状特点、插桩过程和桩坑深度等因素的影响，修正桩靴入泥深度规范计算公式，给出一种实用的入泥深度计算方法。采用经验公式、数值模拟和实验技术对桩靴入泥过程进行分析，并与修正的规范公式计算结果进行比较，结合平台实际作业井位记录的插桩深度，验证有限元方法计算的准确性和修正公式计算的实用性。.3）针对平台拔桩阻力预估不足可能导致的安全隐患，基于桩-土相互作用机理和流-固耦合理论，考虑桩周土体回填后淤积固结强度等因素的影响，对平台在典型区块拔桩过程中土体运动、土体破坏和孔隙水压变化等进行研究。采用经验公式和有限元方法，对典型井位的拔桩阻力进行计算比较，重点研究土体孔隙压力、冲桩和上顶力等因素对基底吸附力的影响，给出不同持力层的吸附力和冲桩效果对比分析结果，提出拔桩阻力有效的计算方法，结合实际井位拔桩阻力数据比较，验证方法的有效性。