自升式海洋平台桩靴基础的插桩和拔桩过程,使海床上形成直径可达十几米的桩坑。平台在旧桩坑附近二次插桩,桩靴可能滑移进旧桩坑,导致平台就位精度不够,严重时引起桩腿弯曲变形甚至平台倾覆。本文采用大变形有限元算法(耦合欧拉-拉格朗日)分析正常固结土中桩坑附近二次插桩过程,主要内容和结论如下:(1)探讨了桩靴受到的水平反力作用机制。桩坑土体缺失导致踩脚印插桩过程中土体向桩坑内流动,这种土体流动的非对称性产生了作用于桩靴的水平反力。对于纺锤形桩靴,在特定二次插桩偏心距下,纺锤底部倒圆锥形单侧接触桩坑斜坡,土与基础法向接触力的水平向分量大大提高了桩靴受到的水平力。(2)探讨了桩靴或桩腿某一截面受到的弯矩的作用机制。桩靴或桩腿某一截面受到的弯矩由两部分组成,一是竖向反力偏心引起的正值弯矩;二是水平反力乘以距该截面距离引起的负值弯矩。桩靴踩脚印过程中,刚接触海床时单侧桩靴接触海床,竖向反力偏心最大,正值弯矩迅速发展至最大值;随着插桩深度增加,桩靴完全入土,竖向反力偏心大大减小,正值弯矩迅速衰减,此时水平反力引起的负值弯矩逐渐起主导作用。截面位置越高,水平反力的影响就越大。(3)采用罚函数方式赋予桩-土接触面摩擦属性,探讨摩擦对桩-土相互作用的影响。结果表明桩靴水平反力H受摩擦的影响较大,竖向力和弯矩受摩擦条件影响较小。(4)分析了二次插桩偏心距和桩坑深度对桩靴水平反力和弯矩的影响,确定了危险作业范围。随着偏心距增大,水平反力和弯矩峰值均呈现先上升后下降的趋势。偏心距为0.5~0.75D时水平反力峰值达到最大值;偏心距为0.25~1.25D时弯矩峰值均较大。桩坑越深,最大水平反力和最大弯矩都有所增加。各种工况峰值水平力和峰值弯矩以图表形式给出,为工程设计提供了依据。(5)对比分析了平底、纺锤形和桶形桩靴二次插桩过程中的反力响应和土体流动破坏机制。相对于常用的纺锤形桩靴,桶形桩靴受到的水平反力较大,弯矩大致相当。但桶形桩靴水平反力和弯矩出现峰值均在桶壁插入海床阶段,此时竖向反力较小。因此桶形桩靴在踩脚印稳定性方面具有一定优势。