桩靴基础在极地海洋冻土层中极限承载力热-力顺序耦合分析

论文摘要

北极地区蕴含了大量的油气资源,其总储量大约占世界上未开发油气资源的22%,这些资源中的大部分都位于深度500米以内的近海区域。但北极海域海底存在冰川时期残留下来需要大量时间才会逐渐融化的的永久冻土层。而自升式海洋钻井平台作业时将其桩基础贯入到海底土层中,桩基础与海底冻土会发生热传导使冻土融化。冻土融化后强度降低,从而导致桩基础的承载能力降低,对自升式海洋平台的稳定性产生重大威胁。因此,对自升式平台桩基础在极地近海海底冻土层中的极限承载力特性的研究是海洋工程科学的重要内容,但目前国际上尚未见到对该问题的研究。本文以平底桩靴、裙式桩靴、圆柱形桩基础为基本研究对象,基于Abaqus/Standard中的纯粹热传导以及隐式小变形有限元方法,通过建立桩靴与冻土的热-力顺序耦合有限元模型来模拟桩靴在海洋冻土中热传导过程,探究竖向极限承载力变化规律,分析冻土融化后强度折减系数对极限承载力的影响。本文第一部分模拟了平底桩靴、裙式桩靴、圆柱形桩基础在海洋冻土中的热传导过程。计算了三种桩靴基础在不同埋深率（H/D）下的温度场,并分析了三种桩靴对冻土的传热性能及其形状对温度场的影响。平底桩靴对土体温度的影响最大,冻土融化下边界最深;而裙式桩靴的裙摆周围冻土融化率较低,对冻土温度的影响最小;圆柱形桩基础的导热性能与平底桩靴相差不大。本文第二部分将前一部分中计算的三种桩靴在冻土中形成的的温度场数据通过Abaqus/ODB结果文件以预定义温度场的方式输入到相应的极限承载力模型中来建立热-力顺序耦合有限元模型,实现桩靴与冻土的热-力顺序耦合的模拟。基于该模型研究了桩靴竖向极限承载力在温度场作用下的变化规律。三种桩靴的竖向极限承载力均与温度场的时间量成负相关关系,与埋深率（H/D）成正相关关系。在桩靴底部冻土温度处于潜热效应温区时,极限承载力变化率达到峰值。冻土融化强度折减系数(su,T/su0)对平底桩靴竖向极限承载力有重大影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 北极海洋油气资源与北极海底冻土层
•   1.2 自升式海洋钻井平台简介
•   1.3 冻土融化后强度变化的国内外研究现状
•   1.4 桩靴基础承载力的国内外研究现状
•   1.5 论文的研究目的和主要研究工作
• 2 理论方法简介
•   2.1 隐式小变形有限元方法
•   2.2 热传导概述
•     2.2.1 热学基础
•     2.2.2 瞬态热传导
•   2.3 热传导分析的有限元方法
• 3 桩-冻土温度场
•   3.1 引言
•   3.2 潜热效应的模拟
•   3.3 热传导有限元方法的验证
•   3.4 平底桩靴的温度场
•     3.4.1 有限元计算模型
•     3.4.2 网格依赖性分析
•     3.4.3 平底桩靴温度场计算结果
•   3.5 裙式桩靴的温度场
•     3.5.1 有限元计算模型
•     3.5.2 裙式桩靴温度场计算结果
•   3.6 圆柱形桩基础温度场
•     3.6.1 有限元计算模型
•     3.6.2 圆柱形基础温度场计算结果
•   3.7 结论
• 4 三种桩靴基础的竖向极限承载力
•   4.1 引言
•   4.2 小应变有限元方法可靠性验证
•   4.3 平底桩靴竖向极限承载力
•     4.3.1 有限元计算模型
•     4.3.2 土体强度折减程度及流动机制
•     4.3.3 su,T/su0=0.5 竖向极限承载力计算结果
•     4.3.4 su,T/su0=0.1 竖向极限承载力计算结果
•   4.4 裙式桩靴竖向极限承载力
•     4.4.1 有限元计算模型
•     4.4.2 土体强度折减程度及流动机制
•     4.4.3 竖向极限承载力计算结果
•   4.5 圆柱形桩基础竖向极限承载力
•     4.5.1 有限元计算模型
•     4.5.2 土体强度折减程度及流动机制
•     4.5.3 竖向极限承载力计算结果
•   4.6 结论
• 5 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 附录 A 论文中符号的意义和单位
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 韩笑

导师: 于龙

关键词: 桩靴基础,极限承载力,热传导,温度场,极地海洋冻土层,小变形有限元

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,建筑科学与工程

单位: 大连理工大学

分类号: TU475;P75

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.002234

总页数: 69

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