自升式平台水平偏移的数值模拟方法研究

自升式平台的水平偏移会增加作业难度,严重时降低平台的坐底稳定性。基于平台主体发生水平偏移U的原因,将水平偏移分成三部分:桩腿弯曲引起的水平偏移Ub,桩靴转动引起的水平偏移Ur以及桩靴平移引起的水平偏移Ud。利用有限元软件ABAQUS建立圆柱腿自升式平台-地基耦合模型,考虑桩土之间法向挤压、切向摩擦的接触关系,利用Coulomb定律计算摩擦力。利用子程序DLOAD实现波浪力的加载,波浪采用Airy波模型。针对桩周无回填土体、桩周土体未完全固结以及固结完成三个阶段,探究桩靴直径、回填土强度、以及埋置深度对U,Ud和Ub的影响。并与中国船级社《海上移动平台入级与建造规范》(2005)中推荐的方法进行对比。最后给出了相关的结论。     

自升式平台穿刺过程结构响应研究

为减少自升式平台穿刺造成的损失,需要对自升式平台穿刺过程中的结构响应进行研究。根据某典型平台图纸,使用有限元法建立细化模型。在穿刺过程中采用CONNECTOR单元及非线性弹簧模拟自升式平台围阱区的齿轮齿条接触及桩土作用。考虑到模型中包含的高度非连续过程,穿刺过程采用显式动力学方法求解。通过分析模型穿刺后的结构形态,危险点分布,穿刺速度对结构的影响及预压载值的变化,探讨自升式平台穿刺过程中的结构响应特征。结果表明:平台导向板附近桩腿结构最容易在穿刺中损坏;穿刺速度对与桩靴相连的桩腿结构影响很大;为减少穿刺对结构的影响,可以考虑主动刺穿或减少气隙进行单桩预压载等措施。     

海底地基形位测量仪研制与海上试验研究

为了实现对海洋平台海底地基形位进行高效精细测量,基于多波束测深原理研制了拥有自主知识产权国产首套海底地基形位测量仪;文中给出海底地基形位测量仪的工作原理、系统组成,设计方案和主要关键技术,并在对该设备进行水池测试的基础上进一步开展了JZ20-2MUQ石油钻井平台海上外场实地测量试验研究,并对测量数据进行了细致处理获得了平台桩腿受冲刷影响形成的坑形信息;与传统潜水员探摸结果进行比对的结果表明该设备技术先进、测量结果有效可信,可以为海洋平台地基基础测试分析与安全评估提供重要的桩基形位信息。     

水平荷载作用下砂土中非柔性桩的p-y曲线修正

中国近海风机大多采用长径比10～20范围内的非柔性桩基础,而现有规范方法主要针对长径比大于20的柔性桩,对我国风机基础的适用性一直存在争议。本文利用有限元法研究砂土中非柔性桩的水平受荷响应,主要关注容许范围内的桩基倾斜,因此采用硬化土小应变本构模型描述砂土的应力应变关系。建立钢管桩-土三维有限元模型进行变参数分析,探究土体相对密实度、桩基直径对初始地基反力模量的影响;讨论了正切双曲线函数和双曲线函数描述土体弹簧刚度(即p-y曲线)的合理性;最终提出了适用于砂土中非柔性桩的修正p-y曲线表达式,并通过与三种不同砂土相对密实度与桩基组合工况下的有限元结果对比,验证了修正p-y公式的合理性。结果表明：土体相对密实度、桩基直径与初始地基反力模量均呈正相关;双曲线函数更适合描述非柔性桩的p-y曲线;修正后的p-y公式提高了水平荷载作用下非柔性桩响应的预测精度。     

水上振动沉管碎石桩施工关键技术应用

针对振动沉管碎石桩水上施工应用少、合适船机设备少、桩身质量控制难等问题,通过改造施工船机设备,优化关键技术参数和施工工艺,依托具体工程开展现场研究。采用三管式碎石桩船,研发了大开度活瓣钢桩靴,配置沉桩定位及视频监控系统实现施工过程的可视化;碎石添加采用干法填料、管身开孔润料、提升过程不留振的工艺,可顺利拔管成桩;采用皮带机供料、计量斗计量、提升斗运输的一体化加料工艺,碎石填料可精确控制。结果表明:通过将桩间距2.3 m 分别调整为桩间距2.4 m、排间距2.18 m 和桩间距2.1 m、排间距2.5 m,整个桩身分为三段,并控制平均拔管速度为1.5 m/min,充盈系数采用1.38,合理分批次加料、干法填料,两次留振时间分别控制在20 s和60 s等措施,经重型动力触探法检测,表层2 m 锤击数平均值为8.3,2 m 以下锤击数平均值为11.2,满足表层2 m 的碎石桩重型动力触探锤击数达到7击以上,2 m 以下贯入10 cm 锤击数不小于10击的设计要求。     

浮式风机极限载荷与疲劳载荷对比分析

根据IEC61400-3设定工况,采用NREL开发的5 MW风机基础模型,应用FAST,以Aero-Hydro-Servo-Elastic耦合仿真技术对风机进行研究。对时域仿真得到的短期载荷,应用分块极大值法联合Gumbel分布外推计算风机极限载荷;以雨流计数法、线性累积损伤理论和S-N曲线为理论基础应用MLife软件,计算风机疲劳载荷。对比分析不同工况下浮式风机、近海单桩风机和陆上风机的极限载荷与疲劳载荷,进而探讨影响浮式风机动态响应的因素。结果表明,对于陆上风机和近海单桩风机,风是其主要载荷来源;而波浪是浮式风机主要载荷来源。对风机进行设计要根据特定海域统计的海洋气候条件,避免风机及其支撑结构的固有频率与波浪频率近似而产生共振;风机制造装配在一定误差范围内,质量不平衡对风机载荷几乎没有影响。     

单元升降式网箱强度校核

随着近海渔业的枯竭,海洋养殖业逐渐向深远海发展,但深远海养殖易受极端天气影响,本文基于海洋采油平台设计了一种八边形单元升降式网箱,为降低极端天气对养殖效益的影响提供了可能。针对单元升降式网箱结构安全性问题,本文基于ANSYS/Mechanical建立了单个单元网箱和四单元网箱在水面和水下两种状态的分析模型,通过相位角搜索程序确定不同状态下的工况,最终计算出两组网箱在两种状态下的应力和变形情况,完成对网箱强度的校核。仿真计算结果表明：单元升降式网箱可以通过下降到水面以下的方式有效应对极端天气;支撑桩腿与套筒之间的连接处是单元升降式网箱的结构薄弱处。单元升降式网箱为模块化、高效益化、灵活化深海养殖提供了一种解决方案。     

海南儋州海域造礁石珊瑚种类组成及动态变化研究

文章通过断面法调查分析了儋州海域海花岛沿岸、南华墟沿岸和磷枪石岛沿岸造礁石珊瑚的种类组成与群落分布,结果表明：儋州海域造礁石珊瑚共有12科25属55种,相较于此前的研究增加了10个种,优势种为斯氏角孔珊瑚、澄黄滨珊瑚、柱角孔珊瑚;活造礁石珊瑚覆盖率急剧下降,由2012年的42.92%下降至现在的22.24%,降幅高至48.18%;造礁石珊瑚死亡率高居不下,长期维持在35%左右;初级群落以团块状造礁石珊瑚为优势种的趋势愈发明显,且单一绝对优势种的情况频繁出现,说明该海域造礁石珊瑚群落受到了较为严重的破坏,导致群落退化演替,分析认为这种破坏是由自然因素和人为活动共同造成的。     

HPLC法同时测定湘产枳壳中5种成分含量的研究

目的：建立高效液相色谱（HPLC）法同时测定湘产枳壳中芸香柚皮苷、柚皮苷、橙皮苷、新橙皮苷和橙皮内酯的含量。方法：采用Venusil XBP C_{18（4.6mm×250mm,5μm）色谱柱,以乙腈-0.1%磷酸水为流动相（80〖DK〗∶20）,流速1.0ml/min,柱温35℃,变波长检测。结果：芸香柚皮苷、柚皮苷、橙皮苷、新橙皮苷、橙皮内酯分别在100～2000ng、420～8400ng、32.12～642.4ng、260～5200ng、42.75～855ng内呈良好线性关系,平均回收率分别为98.7%、101.0%、100.7%、100.6%、98.6%,且精密度、重复性、稳定性良好;各批次样品中芸香柚皮苷、柚皮苷、橙皮苷、新橙皮苷、橙皮内酯的含量范围分别为0.48%～0.84%、4.44%～8.50%、0.19%～0.95%、3.03%～10.19%、0.16%～0.30%;聚类分析分为3类,即11号样品为一类,2号与10号样品为一类,其余样品为一类;橙皮苷含量在各批次样本中波动较大。结论：本研究建立了湘产枳壳中5种成分的HPLC含量测定方法,该方法简便,准确度高,可为湘产枳壳质量控制提供科学依据。}     

越冬对池塘专养模式下中华鳖(Trionyx sinensis)形质的影响特征

根据目标养殖生物的形质特征变化,研究其生存对策因养殖环境的持续性改变而发生切换的途径与机制,具有重要的理论与应用价值。利用池塘专养模式下2⁺龄余姚本地品系中华鳖(Trionyx sinensis)同生群个体越冬前后的生物学测定数据,在比较体尺比例性状、肥满度指数、重长系数和脏器质量比例性状的基础上,采用主成分分析和判别分析方法,系统开展了越冬对中华鳖形质的影响特征研究。结果表明:(1)所涉29项体尺比例性状、4项肥满度性状、4项重长系数性状和19项脏器质量比例性状中,越冬前后具显著差异(P<0.05)的分别为25项、2项、2项和12项,即越冬对实验鳖的形质特征具显著影响,实验鳖具通过饰变形质以响应越冬胁迫的生存适应对策;(2)经主成分分析,提取到的5个特征值均大于1的主成分,其累积贡献率达80.427%,其中PC₁可归纳为以强化就近寻食为主要特征的公共因子,PC₂可归纳为以减少入泥阻力进而降低入泥呼吸能耗为主要特征的公共因子,PC₃、PC₄和PC₅可统归为以减脂强体助力越冬入泥挖掘能力为主要特征的公共因子;(3)采用逐步判别法,以判别贡献率较大的头长/躯干长、颈长/躯干长、背甲长/躯干长、左前肢长/躯干长和左前肢下臂长/躯干长为自变量,所建Fisher分类函数方程组可较清晰区分越冬前后实验个体,其中两者的个体判别准确率和综合判别准确率均为96.67%。研究结果揭示了中华鳖越冬前后生存对策发生切换的机制,可为其越冬生物学研究及构建养殖管理技术体系提供基础资料。     

钻井船插桩对导管架平台群桩影响的CEL有限元分析

采用CEL大变形非线性有限元方法并结合非线性地基梁模型对海洋石油941钻井船在番禺10-2平台钻井插桩时对邻近导管架平台群桩的影响进行了分析,并得到以下结论:1)钻井船插桩过程中,桩身最大位移及出现的位置随钻井船插桩深度增加而下移且钻井船插桩位置与群桩距离越近,对桩的影响越大;2)在插桩过程中,桩身最大弯矩出现的位置与桩身最大位移出现的位置一致,而桩身最大剪力出现的位置较桩身最大弯矩出现的位置偏下;3)与没有插桩影响的群桩相比,桩身最大弯矩与桩身最大剪力明显增加。     

黏土地基上海洋平台桩靴峰值阻力上限分析

在自升式平台的预压载过程中，桩靴在层状地基上较易发生“穿刺”现象，很大程度上影响着平台的安全运行。准确地分析桩靴峰值阻力，避免平台桩靴发生“穿刺”是非常重要的。采用极限分析上限定理，合理构建运动许可速度场，从理论上推导了层状地基上桩靴峰值阻力的上限解答。为了进一步验证峰值阻力理论解答的准确性，采用ABAQUS有限元软件构建了“桩靴—弹塑性海床”的三维数值模型，对桩靴贯入海床的过程进行了数值模拟，分析桩靴周围土体的塑性变形演变规律，研究土体的破坏机理。研究结果表明：推导的桩靴峰值阻力上限解答，能够较好地计算层状地基极限承载能力，通过与离心机试验和数值结果对比，计算误差在18%以内；给出的运动许可速度场能够较好地反映桩靴周围土体破坏模式；桩靴阻力达到峰值时，下层软土中的土塞高度约为桩靴直径的0.2倍。     

海洋桩靴基础穿刺破坏实时预测研究

海上自升式钻井平台以其造价低廉、便于移动和安装的优势被广泛应用于海洋地质勘察、风电安装和油气开采等领域,其基础类型多为桩靴基础。为了保证平台能在恶劣的海洋环境中安全作业,桩靴基础需要贯入海床以下一定深度以获得足够的承载力。然而,当桩靴基础在上硬下软土层中贯入时可能发生穿刺破坏导致平台损坏甚至倾覆。已有的桩靴穿刺破坏分析方法基于预设的地层参数预测穿刺荷载,由于无法考虑海床中地层及土性的不确定性,其准确性有待提高。将桩靴基础贯入过程中的监测数据与穿刺破坏机理相结合,通过66组离心机模型试验结果表征土体不确定性的影响,发展贝叶斯预测模型,实现了峰值阻力和穿刺深度的实时预测。基于规范推荐的荷载扩展分析法和冲剪系数分析法,建立了适用于规范法的概率模型,采用该模型对上砂下黏土层中桩靴基础的穿刺行为进行了预测,结果表明所提方法的预测精度随着监测数据的增加而提高,预测得到的峰值阻力误差在10%以内。     

桩靴贯入黏土层时邻近群桩相互作用分析

为研究钻井船插桩对邻近平台群桩相互作用的影响,采用耦合欧拉拉格朗日(CEL)方法对桩靴贯入黏土层时邻近群桩中各桩荷载分担比、桩头附加位移及两桩相互作用系数进行了分析。首先通过对缩尺模型试验的数值分析,验证了CEL方法的可行性;然后进一步分析了桩靴贯入黏土层时对邻近群桩相互作用的影响;最后探讨了净间距、桩间距对群桩相互作用的影响。结果表明,在桩靴贯入中,前桩的荷载分担比大于后桩,且桩靴贯入至一定深度后,当净间距越小或桩间距越大时,前桩的荷载分担比越大、后桩的荷载分担比越小,但各桩的荷载分担比随桩靴贯入深度增加时的变化规律不变;净间距越大,桩头附加位移及相互作用系数越小;在桩靴贯入时,由于受群桩遮拦效应的影响,桩头附加位移及相互作用系数随桩间距的变化规律同插桩前有所不同,当桩间距大于3倍桩径时,随桩间距的增加而减小,当桩间距小于3倍桩径时,随桩间距的增加而增大。     

黏土中桩靴底部吸附力产生机理研究

在海洋工程中,移动钻井平台在作业结束后需要转场时,经常会遇到拔桩困难的问题,桩靴底部的吸附力是上拔力的重要组成部分,明确其产生机理及发展规律对于上拔力计算与缓解上拔困难问题有重要意义。通过室内模型试验研究了黏土中桩靴底部真空度对桩靴吸附力产生机理的影响,试验结果表明,桩靴底部真空度的变化对上拔力的影响显著,而桩靴贯入深度和上拔速率会对真空度产生影响。当真空度达到峰值时,桩靴底部吸附力与上拔力几乎同时达到峰值,因此可以通过减小桩靴底部真空度的措施来减小上拔力。根据试验结果,提出了运用真空吸盘理论来计算桩靴底部吸附力的计算公式。所述吸附力计算方法与试验结果进行对比,其误差较小,对工程实践具有一定的参考意义。     

Undrained bearing capacity of spudcan under combined loading

The bearing capacities of spudcan foundation under pure vertical (V),horizontal (H),moment (M) loading and the combined loading are studied based on a series of three-dimensional finite element analysis.The effects of embedment ratio and soil non-homogeneity on the bearing capacity are investigated in detail.The capacities of spudcan under different pure loading are expressed in non-dimensional bearing capacity factors,which are compared with published results.Ultimate limit states under combined loading are presented by failure envelopes,which are expressed in terms of dimensionless and normalized form in three-dimensional load space.The comparison between the presented failure envelopes and available published numerical results reveals that the size and shape of failure envelopes are dependent on the embedment ratio and the non-homogeneity of the soil.     

Bearing capacity and critical punch-through depth of spudcan on sand overlying clay

Spudcan may experience punch-through failure on strong over weak layered soils, such as sand overlying clay. A large deformation finite element method （LDFE） is used to simulate the penetration process of spudcan into sand overlying clay. The sand is simulated by smoothed hyperbolic Mohr-Coulomb model, and the clay is simulated by a simple elasto-plastic model which obeys Tresca yield criterion. According to the LDFE results of a large amount of cases, the effects of the strength, unit weight and thickness of the top sand layer, as well as the effect of the strength of the underlying clay on the spudcan punch-through behavior, are investigated. The critical depth occurring punch-through and the critical bearing capacity are presented in charts. Fitting equations to calculate the critical punch-through depth and the critical bearing capacity are proposed for the convenience of engineering practice.     

新型平台桩靴在“砂-黏”地层中穿刺的数值模拟研究

开发了一种新型平台桩靴,可通过活动板转动实现自升式平台不同阶段桩靴受力面积的灵活变化。基于大变形有限元方法,模拟新型桩靴基础在“砂-黏”地层中的贯入过程,分析了活动板转角、砂层厚度比、摩擦角和黏土层不排水抗剪强度对新型桩靴贯入阻力的影响,并与普通桩靴的贯入响应比较。数值分析中,上覆砂土和下层黏土分别采用摩尔库伦模型和修正Tresca模型进行模拟。结果表明：新型桩靴穿刺时,土层参数对峰值阻力的影响规律与普通桩靴相同,但其峰值阻力随活动板转角的变化而变化,无法直接使用具有等效面积普通桩靴的穿刺预测方法。考虑各项关键影响因素,结合穿刺破坏时的地基破坏模式,基于数值模拟结果提出了适用于新型桩靴的贯入阻力预测公式。     

Design of A Bionic Spudcan and Analysis of Penetration and Extraction Performances for Jack-up Platform

The mechanisms of soil structure interaction have drawn much attention in the past years in the installation and operation of jack-up platform. A bionic spudcan produced by biomimetic of egg and snail shell is proposed, and the performance of the penetration and extraction are analyzed by numerical method. The geometric contour of egg and snail shell is measured, and its mathematical model is established respectively. According to the structure of existing spudcan of jack-up platform, three kinds of typical biomimetic spudcan are designed. Furthermore, numerical analysis models of biomimetic spudcan are established respectively to study the soil structure interaction mechanism in the process of penetration and extraction, and contrastive analysis of resistance characteristics are carried out. To conclude, the results show that the biomimetic spudcan facilitates the platform installation, and it is also beneficial to the improvement of the bearing capacity of spudcan.     

Deep Penetration of Spudcan Foundation into Double Layered Soils

The spudcan foundation has been widely used in offshore engineering for jack-up figs. However, “punch through”failure often occurs where a stronger soil layer overlays a softer soil layer. In this study, spudcan penetration into double layered soils is investigated numerically. The soil profde is set up as a stronger soil layer overlaying a softer soil layer,with the soil strength ratio ( bottom soil strength / top soil strength) varied from 0.1 to 1.0 ( 1 means uniform soil). The bearing bohaviour is discussed and the beating capacity factors are given for various cases involving different layer thicknesses and different strength ratios of the two clay layers. The development of the plastic zones and the effect of soil selfweight on the beating capacity are also discussed. From this study, it is found that, when a spudcan is distant from the soil layer boundary, the spudean can be analysed with single soil layer data. However, when a spudcan becomes closer to the soil boundary layer, the influence of the lower soft soil layer is significant, and the beating capacity of the spudean decreases. The critical distance is an indication of the occurrence of “punch through” failure. The critical distance between the spudcan and the layer boundary is larger for a rough spudean than the one for a smooth one, and the critical distance decreases with increasing soil strength ratio. The depth of cavity formed during initial spudcan penetration depends on the top layer soil strength, soil strength ratio and unit soil self-weight, and the cavity affects the spudcan beating behaviour as well.