1、,海洋桩靴基础在随机变异粘土中的三维数值模拟,开题报告,主要内容,进度安排,4,为完成课题已具备和所需的条件,5,研究过程中可能遇到的困难以及解决措施,课题来源及研究目的和意义,1,国内外研究现状及分析,2,主要研究内容和方案,3,6,1,主要内容,进度安排,4,预期达到的目标和取得的研究成果,5,研究过程中可能遇到的困难以及解决措施,课题来源及研究目的和意义,1,国内外研究现状及分析,2,主要研究内容和方案,3,6,2,课题来源及研究目的和意义,海洋石油钻井平台目前我国三大石油集团正在使用的自升式钻井平台大约30艘左右，并且采用独立桩靴基础的海上自升式钻井平台为数较多，而其中超过70%的平台
2、是由3个或4个独立桩靴基础支撑于海床土中。由此可见，海上钻井平台在我国海上油田的勘探开发中占有极其重要的地位。,3,国内海洋石油钻井平台,我国自升式钻井平台数量统计（2010截至）,课题来源及研究目的和意义,4,钻井平台和桩靴基础简图,桩靴,桩腿,海平面,海床,海床,H,Wv,课题来源及研究目的和意义,MSI工程公司关于海洋钻井平台事故的调查结果显示，自升式钻井平台可能发生的事故种类繁多，但由于桩靴基础承载力不足而发生的事故所占比例在半数以上。,3,海洋钻井平台事故统计分析,MSI, Guidelines for jack-up rigs with particular reference t
3、o foundation integrity, MSI Engineering Limited for the Health and Safety Executive, Research Report, 2004, 289,课题来源及研究目的和意义,桩靴基础失效的几种主要形式：预压过程发生基础穿刺现象，多发生在上硬下软土层； 风暴荷载产生的基础下降过大； 冲刷作用减小桩脚承载面积导致失稳； 地震等引起的海底泥沙运动对桩靴基础冲击造成失稳；,3,课题来源及研究目的和意义,4,海洋钻井平台倒塌灾难,桩靴基础失效导致平台倾覆,桩靴基础失效造成桩腿屈曲,海洋工程地质的复杂性,海底的地形、地貌通常被海水
4、浸没，不能直接观察，给客观认识带来了困难；海底工程地质取样不同于陆地，从海底取出的土样离开海底后，所处的环境温度、压力等条件已经与海底完全不同，不能反映真实的海底土的物理状态；海底地形和沉积物不稳定。在海浪、潮汐等各种因素作用下，海底地形和沉积物不断演化，更加不稳定。,3,17,空间变异土介绍,Y-Z 平面,(kPa),木桶理论,空间变异粘土,研究意义,23,海底地质复杂，自升式钻井平台事故发生事故较多是桩靴基础承载力不足而引起的失效破坏。,工程中海底土的现场试验和离心机试验等成本很高而且数据结果有限，现行研究大多通过考虑土体参数的空间变异性模拟可能出现的各种复杂工况。,国内对于海洋钻井平台桩
5、靴基础的工作性能及承载力的研究相对较少，还在起步阶段，主要还是均质土或者分层土的数值模拟研究和理论分析。,国内考虑土体变异性可靠度分析主要限于边坡稳定分析，水利边坡规范建议对1级边坡进行可靠度分析，可靠度方法是岩土工程分析发展的一种趋势。,研究目的,23,利用可靠度分析方法给出指导工程实践的桩靴在空间变异土质条件下承载力可靠指标。,采用随机场理论和有限元方法相结合来探讨空间变异土体和荷载的变异性是如何影响桩靴基础承载力及其失效机理。,改善在过去的设计规范中对于桩靴基础承载力计算的保守和模糊性。,主要内容,进度安排,4,预期达到的目标和取得的研究成果,5,研究过程中可能遇到的困难以及解决措施,课
6、题来源及研究目的和意义,1,国内外研究现状及分析,2,主要研究内容和方案,3,6,7,本课题的国外研究现状及分析,9,英国牛津大学Martin等通过多年对于粘土地基离心机实验和理论分析总结，提出用于桩靴基础的地基失效模型，地基土在水平力、竖向力和力矩荷载组合作用下屈服面为橄榄球形。Templeton等用有限元方法对桩靴基础的弯矩和水平承载力进行分析，并且提出了弯矩和水平承载力的相关公式。,Cassidy (2013)等发现单独竖向力、水平力和力矩荷载分别作用下，地基极限承载力随土的不排水抗剪强度变异性增大而减少。不考虑土壤的各向异性的特点时，桩靴基础承载力可能会被严重高估 (Grifths a
7、nd Fenton 2001)。Grifths (2002)等观察发现在随机土中基础承载力均值相对于均质土承载能力降低了约2030%左右。,本课题的国内研究现状及分析,9,国内考虑土体参数变异性研究大部分在边坡:陈晓平等根据静力触探成果估计抗剪强度的自相关距离，评价自相关距离对土坡稳定影响。朱红霞等以天津港现场勘察资料为基础，建立了地基土剖面的随机场模型，并将其应用于港口边坡稳定的可靠度分析。,天津大学张浦阳等（2008）引入流固耦合理论建立了饱和粘土条件下地基土-桩靴系统有限元模型，给出上硬下软粘土中桩靴承载力系数计算方法。付丽娜（2008）通过改变不同桩靴尺寸、贯入深度等参数，对多种条件贯
8、入和上拔过程进行数值模拟，对了解桩靴一般受力性能具有一定参考价值。,国内外研究现状简析,9,进度安排,4,预期达到的目标和取得的研究成果,5,研究过程中可能遇到的困难以及解决措施,课题来源及研究目的和意义,1,国内外研究现状及分析,2,主要研究内容和方案,3,6,主要内容,11,主要研究内容和方案,17,将随机场导入相应三维有限元模型后，提交运算,利用Python脚本语言编程，输入命令流建立ABAQUS有限元模型，验证均质土分析结果可靠性,利用蒙特卡洛模拟方法，以土体不排水剪切强度为变量生成三维空间随机场,利用Matlab、Photoshop等软件工具对计算结果进行分析和后处理,将分析得到的数
9、据图表进行整理并与已有文献对比,改变位移加载方式，probe试验获得桩靴V-H-M承载力包络面,17,ABAQUS有限元模型,17,有限元分析结果,文献的结果,桩靴基础周围土壤回流机理对比,17,竖向承载力系数随埋深变化,17,土体不排水剪切强度随机场分布（截面）,X-Z 平面,Y-Z 平面,(kPa),17,均值=13.05标准差=1.63变异系数=0.128,最大值:17.85,承载力-位移曲线,17,桩靴基础的承载力包络面,承载力包络面,V,H,M,“Probe”方法位移加载,进度安排,4,预期达到的目标和取得的研究成果,5,研究过程中可能遇到的困难以及解决措施,课题来源及研究目的和意义
10、,1,国内外研究现状及分析,2,主要研究内容和方案,3,6,主要内容,19,进度安排,21,进度安排,4,预期达到的目标和取得的研究成果,5,研究过程中可能遇到的困难以及解决措施,课题来源及研究目的和意义,1,本课题的国内外研究现状及分析,2,主要研究内容和方案,3,6,主要内容,22,预期达到的目标和取得的研究成果,23,通过随机场理论和有限元方法相结合的方法分析空间变异土体和荷载的变异性影响桩靴基础承载力及其失效机理的一般规律。,运用恒定位移比“probe”试验获得桩靴基础在随机变异粘土中竖向（V）、水平（H）、力矩（M）方向承载力的三维屈服包络面。,最后根据不同大小的承载力包络面，分析得到相应的桩靴基础承载力的失效概率，进而根据不同的失效概率计算桩靴基础承载力的可靠指标或者安全系数。,进度安排,4,预期达到的目标和取得的研究成果,5,研究过程中可能遇到的困难以及解决措施,课题来源及研究目的和意义,1,本课题的国内外研究现状及分析,2,主要研究内容和方案,3,6,主要内容,24,可能遇到的困难以及解决措施,25,谢谢大家,恳请各位老师和同学批评指正！,
