复杂海洋土中桩靴基础在多元荷载共同作用下的失效机理和承载力包络面研究

Spudcan foundation is an important type of offshore foundation to support the jack-up platforms for offshore oil and gas exploration. However, this type of platforms experienced considerable fatal failures in the past few years. The main reason is that multiple potential failure modes and the corresponding mechanisms of the spudcan foundation remain unclear under the coupled effects of the complex soil properties and the harsh offshore loading environments. This project will study the multiple failure modes, the bearing capacity and the failure envelopes of the spudcan foundations considering the spatial variability of the offshore soil (internal cause) and the multidirectional random loadings (external cause). Large scale model experiments and the random large-deformation numerical methods will be developed, which provide the necessary techniques to analyze the interaction between the spatially variable soil and the shear path. The coupling effects of “complex seabed-spudcan foundation-combined loading” will be systematically studied. Based on these works, the spatial variability of the seabed will be revealed. Mathematical model for the failure envelope will be established for the spatially variable soil under combined loadings. Moreover, the confidence levels of the model will be investigated probabilistically. Finally, the risk assessment method for the foundation will be proposed. This study will provide new methods to analyze the stability of the spudcan foundation considering the coupling of the complex soil and the combined loading based on the study of failure mechanism. The results from this project will enable a rigorous risk assessment of jack-up platforms in oil and gas exploration as well as offshore site investigation.

桩靴基础是支撑自升式钻井平台进行海洋油气勘探的主要基础形式，但复杂的海洋土分布和恶劣海上荷载的共同作用却导致基础失效事故频频发生，由于多种失效模式并存，桩靴基础在复杂海洋土中的失效机理尚不清楚。本项目针对海洋土的复杂空间变异性（内因）和荷载的随机多向性（外因）两个方面深入研究桩靴基础的多模式失效及其机理、多元荷载下的承载力及其包络面。通过大尺度模型试验和随机场大变形数值方法，深入研究桩靴基础安装过程中剪切破坏与土体空间变异性的相互作用，进而对“复杂海床-桩靴基础-多向荷载”之间的耦合力学机理进行系统研究，揭示土体空间变异特征的作用规律，建立复杂海洋土中桩靴基础在组合载荷下的承载力包络面数学模型及置信水平，提出基础的稳定性评价方法。本研究在揭示复杂海洋土中失效机理的基础上，提出考虑土体空间变异性和多元荷载耦合效应的桩靴基础稳定性分析方法，为海洋油气勘探开发中自升式平台的风险评价提供系统方法。

自升式钻井平台以其便于安装和移位等优势在海洋油气勘探中被普遍应用，由于复杂的海洋地质条件和恶劣的海洋环境，自升式钻井平台的桩靴基础在预压安装阶段和服役阶段事故频发。因此，研究桩靴基础在复杂海洋地质条件和海洋环境荷载作用下的失效机理和承载力尤为重要。目前，大多数粘土中桩靴基础的失效机理和承载力研究多是基于地基土为均质粘土的假设。实际上，由于自然物理化学风化、搬运、沉积等作用下，粘土的物理力学特性往往存在着强烈的空间变异性。为此，本项目考虑粘土的空间变异性研究桩靴基础预压安装阶段的贯入机理以及服役阶段的失效机理，提出基于概率统计学的风险分析方法。本项目首先研发了空间变异性地基的原理模型装置，提出了空间变异性饱和粘土的制备方法。随后，发展了复杂地基中桩靴基础大变形贯入的物理模型技术，通过动态测量桩靴基础贯入全过程的土体大变形位移场、贯入阻力及其对应的贯入深度，揭示了空间变异性土体中桩靴基础贯入的大变形机理，阐明了土体空间分布特征与变形机制之间的物理联系，定量给出了复杂地基土体中桩靴基础的贯入曲线，为复杂地基土体中竖向承载力的预测提供了基础。其次，本项目基于随机场理论和非线性有限单元法发展了随机大变形有限元分析方法，并采用该随机大变形有限元分析方法模拟了桩靴基础在空间变异性粘土中的贯入全过程，提出了预测桩靴贯入阻力的百分位值法，并利用该方法对巴西东北部海域和墨西哥湾海域的插桩案例进行了预测。结果表明，百分位值法能够给出具有一定置信度的贯入阻力区间和贯入深度区间，可以用于指导现场的插桩，降低插桩风险。最后，本项目采用固定位移比加载法研究了桩靴基础的失效机理和承载力失效包络面，建立了空间变异性粘土中桩靴在多向荷载作用下的承载力包络面模型，为桩靴基础在风暴过程中的风险分析提供了方法。