遗留桩坑对桩靴基础安装过程的影响及其评价方法研究

For the repetitive deployment of mobile jack-up rigs on the same site, the installation of their spudcan foundations can be problematic due to the footprint left from previous installations, which induces detrimental loads and movements on the spudcan and hence on the jack-up structure. However, up to now no design approach is available for the spudcan-footprint interaction problem, leading to a significant risk on the installation of spudcan foundation near a footprint. This issue is becoming more and more important, with the escalating demand for offshore oil and gas exploitation and windfarm construction. In this proposed project, the response during spudcan installation near a footprint will be studied by means of experimental and numerical techniques. The research involves the following: (1) experimental and numerical techniques for the spudcan-footprint interaction problem will be developed; (2) physical modelling tests and large deformation finite element analyses will be carried out to explore the variation of the geometry and strength of the footprint, with design recommendations proposed; and (3) based on the experimental and numerical results, the evolution of soil failure mechanism during spudcan-footprint interaction will be revealed, and a design approach will be proposed for assessing the loads and movements induced on the spudcan. The outcomes of the proposed research will provide effective design guidance for the spudcan-footprint interaction problem, and hence ensure the safety of jack-up installation near an existing footprint.

可移动自升式平台在同一作业位置反复使用时，其桩靴基础的安装将受到之前作业遗留桩坑的不利影响，导致桩靴安装过程中产生附加荷载和位移。然而，目前相关设计方法仍然缺失，这给遗留桩坑附近桩靴基础的安装带来了极大的安全隐患。随着近海油气开发和风电施工需求的增加，这一问题日益严重。本项目将通过模型试验和数值模拟技术，研究遗留桩坑对桩靴基础安装过程的影响。研究内容包括：（1）发展适用于模拟桩靴基础与遗留桩坑相互作用问题的模型试验和大变形有限元技术；（2）开展模型试验和大变形有限元分析，探明遗留桩坑的几何特点和强度特性，并总结工程实际可以借鉴的实用性规律；（3）基于模型试验和数值模拟结果，揭示桩靴在遗留桩坑附近安装时地基的破坏模式及其演化规律，提出桩靴安装过程中产生的附加荷载和位移的预测分析方法。研究成果将为自升式平台在遗留桩坑附近的安装提供设计依据和安全保障。

桩靴与遗留桩坑相互作用问题，俗称“踩脚印”。踩脚印问题极为复杂，涉及桩靴在平整海床的初次贯入就位，作业完成后的拔出移位，以及在此点位再次作业时的再次贯入。本项目通过数值模拟和模型试验，对踩脚印完整过程进行了研究，主要研究内容包括：①开发适用于踩脚印问题的大变形数值模拟技术；②分析遗留桩坑对桩靴安装响应的影响；③建立踩脚印问题各个阶段的预测分析方法。通过本项目研究，主要取得了以下研究进展：..建立了适用于踩脚印问题的大变形有限元模型，能够准确模拟桩靴在黏土地基中的“贯入-拔出-再次贯入”全过程。进而通过数值模拟分析，并结合物理模型试验结果，揭示了桩靴踩脚印过程中地基破坏模式的演化规律，提出了适用于工程实践的实用性建议。数值模拟和模型试验结果表明：桩靴踩脚印最不利的偏移距离约为形成桩坑所用桩靴直径的0.5~0.75倍，而消除桩坑不利影响的关键距离约为1.5~2.0倍桩靴直径。..桩靴在“砂-黏”地层中的离心机试验结果表明，当前最新的穿刺预测方法存在盲区，在盲区范围内将严重高估桩靴穿刺时的峰值贯入阻力，对自升式平台安装的安全施工十分不利。本项目揭示了穿刺破坏过程中，桩靴下部砂楔破坏面上法向应力和切向应力的分布规律，提出了改进的穿刺设计方法，进一步提高了穿刺峰值阻力的预测精度。..针对桩靴“安装-作业-拔出”的有效应力分析表明：平台作业期间，插桩造成的土体超孔隙水压力将逐步消散，土体不排水抗剪强度随着时间推移显著提高，因此桩靴上拔过程中受到的最大抗力也随着作业时长的增长而增加。提出了一套无量纲化处理流程，建立了最大抗拔力随时间变化的归一化曲线，以此为基础建立了桩靴抗拔力随时间变化的预测模型。..基于大量小变形有限元分析，揭示了桩坑对桩靴在位复合承载力的影响，揭示了不同桩靴与桩坑净间距条件下地基基础在复合荷载作用下的破坏模式，提出了考虑桩坑影响的桩靴复合承载力包络面设计公式。