自升式钻井平台桩靴拔桩过程中非线性桩土作用机理研究

The problems of too long extraction time due to the larger breakout resistance of jack-up spudcans than the breakout capacity of the rig, which have long perlexed the industry, especially with the increasingly deep penetration depth in recent years.The problem of spudcan extraction involes many factors.The failure mechanism of the soil during the extraction process, which is a typical coupling problem of strain localization of porous medium and seepage, is complex.In this project it is intended to carry out groups of relevant experiments to this problem, and throgh comparign, analyzing the stress path of different points in the soil furtherly study the soil failure mechanism during spudcan extraction process. In addition,a constitutive model, which taking into the consolidation and drainage effects, is intended to be builded based on the Modified Cam-Clay Model by theoretically analyze and derivate. By comparing and analyzing with experiments results, the related theoretical methods would be revised and improved. Furthermore, adequate field data would also be used to make a further verification and completion of the model, to ensure the accurate application of the calculation model proposed in this project.

自升式平台桩拔桩阻力过大导致拔桩时间过长、工期延误，甚至是平台事故，长期困扰着业界，尤其是近年来随着平台作业深度不断增加。桩靴基础的拔桩问题涉及影响因素多，拔桩过程中土体的破坏机制复杂，是一个典型的多孔介质应变局部化与渗流作用相互耦合的问题。本课题将就这一问题进行大量有针对性的试验研究，对比分析试验所得桩周不同位置土体应力路径的变化规律，在观察现象的基础上进一步探究桩靴基础拔桩过程的土体破坏机理。结合试验数据，通过理论分析、推导，在修正剑桥模型的基础上建立考虑固结排水效应的本构关系,进而建立适用于自升式平台桩靴基础拔桩阻力计算的理论模型。通过与大量模型试验结果进行对比、分析，修正相关理论方法,并通过现场数据对所得理论模型做进一步验证与完善，使之可以准确地应用于自升式平台桩靴基础拔桩阻力的计算。

自升式钻井平台以其经济性和高效率被广泛应用于海洋油气资源的勘探开发中，然而其在拔桩过程中仍然经常遭遇挑战。对于自升式平台拔桩过程中具体的土体塑性破坏、流动（回流）和桩底吸附力的机理尚不能给出精确的分析，对于拔桩阻力尚未有合理的、准确的计算方法。本课题基于大比尺模型试验系统进行了拔桩试验，结合理论分析和数值模拟研究了拔桩过程中的桩土相互作用机理，提出了拔桩阻力计算理论体系，另外本课题还对冲桩减小拔桩阻力的作用机理进行了初步探索。.本课题首先通过试验研究了拔桩阻力与吸附力的关系，得到了不同参数对于拔桩阻力的影响规律：在作业阶段，插桩造成的超孔隙水压力有一定的耗散，拔桩开始后桩靴底部产生负的超孔压并逐渐增大，随后负超孔压迅速减小；拔桩阻力随着作业时间的增加而增加，但超过一定时间后拔桩阻力的变化就不再明显了，当满足不排水条件时，拔桩速率对于拔桩阻力几乎没有影响；研究发现，桩靴拔桩阻力等于桩底吸附力与基于有效应力分析的拔桩阻力之和。然后，研究了拔桩吸附力生成的机理，分析了不同参数对于吸附力的影响规律：吸附力的产生可分为超孔压消散阶段、负超孔压与土体联合作用阶段和负超孔压作用三个阶段；拔桩吸附力随着作业载荷和作业时间的增大而增大，在不排水条件下拔桩时的阻力随渗透系数的增大而增大；研究了实际吸附力相对于理论最大吸附力之比与无量纲作业时间之间的函数关系，提出了拔桩过程中实际吸附力的计算方法。最后通过冲桩模型试验，研究了上部和下部冲桩的机理，得到了冲桩压力、排量、时间以及喷嘴数量和布局对于冲桩效果的影响规律。.本课题首次提出了自升式钻井平台桩靴基础拔桩过程中的吸附力发展机理，提出了吸附力的精确预测理论，阐明了桩靴入泥深度、作业时间、土质参数对于吸附力发展的影响规律和评估方法，对于各类海洋工程基础抗拔能力的评估具有重要的借鉴意义。本课题对于提升国内油服企业平台运营实力、指导平台拔桩具有重要的意义。