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在海洋工程中,固定式海洋平台维修以及钻井需要用到自升式海洋平台。该类临时工作平台常用的基础是桩靴(spudcan)。桩靴压入土层将造成土的扰动,影响固定式海洋平台的基础,造成安全隐患。该问题是海洋工程中急待解决的问题。本文在总结前人研究工作的基础上,以模型实验和数值计算相结合,进一步深化对桩靴压入对固定平台基础扰动的认识,寻找较有效的数值模拟方法,使其对工程实践有一定的指导意义。全文共包括两部分内容。
1)模型实验:模拟桩靴压入土体的过程及桩(或桶)基础的响应,从而了解桩靴挤压土体向下、周围流动的趋势;通过改变实验参数,了解各因素在桩靴压入对固定式平台基础扰动中的作用。结果表明:桩靴压入砂土形成倒圆台形凹陷区,坡角约等于砂土内摩擦角。对于粘土,凹陷区为直径略大于桩靴直径的圆柱形凹陷区。桩靴压入土体的主要影响区域为距离桩靴边缘一倍桩靴半径、距离桩靴压深正下方两倍桩靴半径的区域。土体密度、桩(桶)基与桩靴边缘间距、不同土质及桶基长径比对桩(桶)基扰动影响较大。桩靴压入速度、桩与桩靴的相对尺度对桩靴压入过程中土体、桩基变形有影响,但对最终结果影响不大。
2)数值模拟:采用两种方法和软件进行分析。1、根据小孔扩张理论,采用ABAQUS有限元软件,取土体为mohr-coulomb本构模型,对特定桩靴压深时桩基扰动进行数值模拟;2、以LS-DYNA软件为工具,选用软件中的ALE算法,取土体应力应变曲线为拟合的修正剑桥模型应力应变曲线,对桩靴压入土体过程进行模拟,分析因桩靴压入造成桩基的扰动,重点考察桩靴压入过程中土体和桩基础的响应。根据上述两种数值模拟结果与离心机实验结果的对比可知:第一种方法适用于模拟特定桩靴压入深度时桩基的扰动,精度较高,即获得最后状态,不考察过程;第二种方法适用于模拟桩靴压入土体的过程,考察桩靴压入对土体、桩基扰动的动态过程,但精度略差于第一种方法。因此建议将两种方法综合运用,分析桩靴压入对固定平台基础扰动。