土木工程开题报告.ppt

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 公司名称钻井平台名称桩腿类型最大作业水深(m) 制造年份备注 中国石油集团海洋工 程有限公司 中海油9号4根圆柱形桩腿762008进口 中海油10号4根圆柱形桩腿762009进口 中海油1号4根圆柱形桩腿251998国产 中国石化集团勘探2号3根桁架形桩腿带桩靴901976进口 胜利5号4根圆柱形桩腿带桩靴251981进口 胜利6号4根圆柱形桩腿带桩靴301982进口 胜利7号3根圆柱形桩腿带桩靴301982进口 胜利8号3根圆柱形桩腿带桩靴201981进口 胜利9号3根圆柱形桩腿带桩靴301978进口 中国海洋石油总公司渤海4号3根桁架形桩腿带桩靴901977进口 渤海5号4根圆柱形桩腿401983国产 渤海7号4根圆柱形桩腿带桩靴401983国产 渤海8号3根圆柱形桩腿带桩靴751980国产 渤海9号4根圆柱形桩腿401984进口 渤海10号3根桁架形桩腿带桩靴751980进口 渤海12号3根桁架形桩腿带桩靴551978进口 南海1号3根桁架形桩腿带桩靴901976进口 南海4号3根桁架形桩腿带桩靴901978进口 中国海洋9313根桁架形桩腿带桩靴971976进口 中国海洋9353根桁架形桩腿带桩靴902006进口 中国海洋9413根桁架形桩腿带桩靴1222006国产 中国海洋9423根桁架形桩腿带桩靴1222008国产 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 to 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 (Griffi ths and Fenton 2001)。 Griffi ths (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 桩桩靴基础础周围围土壤回流机理对对比 17 竖竖向承载载力系数随埋深变变化 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 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，