第 1 章 绪论
1.1 课题来源与研究目的及意义
1.1.1 课题来源
世界各国经济的发展都需要以足够的能源储备作为战略依托和支撑，石油和天然气作为当下的主要能源，影响着国家的经济命脉。目前我国是一个能源需求的大国，石油和天然气资源处于供不应求的状态，每年都向国外进口数量庞大的石油和天然气资源以满足经济发展及自身的需要。而在我国几个主要的油气田产区开采量逐年下降、日趋枯竭的情况下，随着科学技术的进步和海洋工程近年来的迅猛发展，人们更多地把眼光投向蔚蓝色的海洋。向海洋甚至是深海进军已不再是遥不可及的幻想。勘探、开采海洋中的油气资源已经是世界的必然趋势。而我国海疆辽阔，有自身得天独厚的优势，若能够有计划性、稳步有序地加以开采利用，对于解决能源问题大有裨益。其中，南海更被誉为“另一个波斯湾”。因此，进军海洋油气资源开采具有得天得厚的优势。目前，我国的海洋工程技术虽起步较晚，但发展迅速[1-2]。
具有可移动性好、能够适应多种水深和服役稳定性强[3]等优点，使得自升式钻井平台逐渐在海洋勘探、开采油气行业中成为主流装备。自升式钻井平台最早产生于 1954 年[4-5]。1984 年，我国拥有自主知识产权的“勘探三号”成功出厂并交付使用，这是一个有里程碑意义的标志，从此标志着我国在钻井平台的制造领域跨入了深海俱乐部而不再单纯依赖国外技术。由此我国在海洋钻井平台的制造领域驶入了发展的快车道，渤海、黄海、东海等广阔海域已经遍处可寻我们国家的海洋钻井平台。2006 年，我国建成了第一座深水海洋平台“中国海洋 941”并已交付中海油公司在南海成功服役，可适应在122m 水深条件下正常工作。现在，自升式钻井平台已经成为我们国家海洋油气勘探、开采行业的主要设备。
相对于较为平静的陆地环境，海洋平台经常遭受到飓风、波浪、海流、冰、潮汐等多元随机荷载的侵袭。由于海底土层分布复杂，为了更好地适应海底复杂的地质情况，桩腿下端通常设有桩靴基础，桩靴基础通常埋置在海床土体中一定的深度，是整个自升式钻井平台的重要支撑，也是钻井平台在海洋环境中正常作业的重要保障。从平台的桩腿数量来看，通常自升式钻井平台为三腿式或者四腿式。若遇到偶然因素使得桩腿向下贯入，并且各根桩腿间存在较大的不均匀沉降差，轻则导致桩腿破坏重则平台迅速倾覆[6-8]。如图 1-1 所示。因此研究自升式钻井平台在组合荷载工况下的承载力、失效模式和失效机理可以服务于海洋钻井平台的研发、设计和后期维护等工作。
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1.2 国内外在该方向的研究进展现状
1.2.1 分析平台发生事故原因
上部平台（主船体），桩腿和倒锥形桩靴基础[13]为一座完整的自升式平台的组成部分。图 1-3 为自升式平台构造简图。一般安装钻井平台是将上部的主平台抬升至海面以上的预定高度，使得桩靴基础不断向下贯入至海床土体一定深度。这些钻井平台是可移动性的平台，在钻井平台安装前必须先选取井位，对井位所处位置进行地质勘探，综合钻井平台所设计预期的承载力与井位的地质条件这两方面来决定是否安装。
在对自升式钻井平台安装前，通常需要对相关区域进行海洋地质调查。海洋地质调查常规的手段为通过打钻孔的方式来对海床土体进行现场取样，并将取样的土体带回实验室进行全面分析。
自升式平台因其具有灵活的移动性，稳定性较好，移动性较好，造价经济以及对各种水深具有良好的适应性等优点在海洋油气资源开采领域中成为主流装备。
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第 2 章 自升式钻井平台与地基土体数值模型
2.1 引言
为了采用有限元数值模拟的分析方法对自升式钻井平台的桩靴基础在均质粘土中的承载力开展研究，必需成功建立自升式钻井平台与地基土体的数值模型。包括浮力船体、三根桩腿、三个桩靴基础和圆柱形的地基土体，提取自升式钻井平台在均质土模型的承载力结果，并对结果的正确性进行验证。
建立数值模型的主要步骤分为认识数值模型的概况、设置材料参数的具体数值和选取接触对的接触形式、加载过程、划分网格这四个步骤。数值模型的概况主要根据浮力船体、桩靴基础及互相间距、三根桩腿及互相间距和地基土体的尺寸建立完整的数值模型。设置材料参数的具体数值和选取接触对的接触形式需要明确各个部件材料参数的选取方法、各种材料参数所代表的实际物理意义、设置接触对的目的、选定接触的形式。加载过程主要是所施加荷载所代表的意义和选取施加荷载的合理方法。解决不规则部件的网格划分以及互相接触的两片网格区域的对应问题。划分网格的过程主要是解决不规则部件的网格划分以及互相接触的两片网格区域的对应问题、网格尺寸规格大小的凭据。
将本模型数值模拟桩靴在均质土中所得竖向承载力结果与文献中缩尺模型试验结果与理论公式结果一起进行对比，检验了数值模拟所得结果的正确性，但是存在一定的误差。计算误差的大小并且评价误差产生的合理性和分析误差的产生原因。
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2.2 数值模型
2.2.1 数值模型概况
本模型采用有限元 ABAQUS 软件研究在均质土中自升式钻井平台的桩靴基础的竖向承载力。如图 2-1 所示自升式钻井平台的有限元模型包括三角形的上部平台、三根桩腿、三个桩靴基础，所采用的几何形状尺寸为工程中真实尺寸缩小 250 倍。桩靴基础的水平投影面是圆形，且直径为 72 mm，高度为 19.2 mm。桩靴尺寸图如图 2-2 所示，长度以 mm 为单位。桩腿的水平投影面是圆形,直径为 4.85 mm,高度为 600 mm。桩靴基础与桩腿连接在一起，桩靴基础、部分桩腿埋置于地基土中，现选取桩靴基础的埋置深度为不到 1倍基础直径（64 mm）。本模型中将各根桩腿和各个桩靴均设置为刚体，不发生变形。在预设的参考点上进行加载，参考点预设位置为桩靴基础最大横截面积处质心点。地基土体的形状为规则的圆柱形，直径为 864 mm，高度为432 mm，为了消除边界效应在建模中要求各个桩靴基础到土体侧面和底部边界的距离均超过 3 倍基础直径。限制地基土体的侧面和底面边界在两个水平向的位移，具体做法为对土体侧面和底面设置边界条件，并将两个水平方向的位移设置为 0，地基土体的上表面不做限制。本模型中桩靴底部有一个尖的锥点，能够起到防止桩靴水平滑移的效果。
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第 3 章 自升式钻井平台的推覆分析.............................17
3.1 引言..................................17
3.2 正常固结均质土中自升式钻井平台的推覆分析...................17
第 4 章 自升式平台的失效模式分析及工程建议..................................42
4.1 引言.......................................42
4.2 自升式钻井平台在空间变异土的失效模式................................42
第 4 章 自升式平台的失效模式分析及工程建议
4.1 引言
海床的地基土体为天然材料，其性质存在固有的空间变异性。为了对空间变异性粘土中在组合荷载工况下自升式钻井平台所出现有别于均质土的失效模式进行研究，首先应计算 400 个自升式钻井平台在空间变异性粘土中的随机场算例，其次是从 400 个随机场算例中选取具有代表性的典型算例，能够较为准确、全面地反映自升式平台在变异土中的失效模式，在此基础上进一步研究空间变异土中自升式平台每种失效模式下荷载的分配规律，以便有针对性地提出合理可行的工程建议。
在多向组合荷载工况下，自升式钻井平台在空间变异性粘土中的失效可定义为当自升式钻井平台所承受的竖向荷载不变的前提下，平台无法承担更大的水平荷载时，该自升式钻井平台即可认为失效。自升式钻井平台可以承受的最大水平荷载被称为临界值，反映了自升式钻井平台的系统承载力。
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结论
本文基于有限元数值模拟的法研究了粘土空间变异性对自升式钻井平台的承载力、失效模式、失效机理的影响。本文主要研究内容包括粘土空间变异性和多向组合荷载作用下自升式钻井平台的承载力、失效模式、荷载在各个桩靴间的分配规律、桩靴承担荷载与其发生位移的关系。计算了 400 个空间变异性粘土的随机场算例。本研究还得出以下结论：
（1）在承受相同的竖向荷载的前提下，空间变异粘土中自升式钻井平台水平承载力均值小于在均质粘土中的结果。
（2）在均质土中，平台在仅受竖向荷载作用时，竖向荷载在各个桩靴间均匀分布，随着施加在上部平台的水平荷载逐级增大，竖向荷载在各个桩靴间会进行重新分布，背风侧的桩靴所承担的竖向荷载逐渐增大，迎风侧的桩靴 L3 所承担的竖向荷载逐渐减小。空间变异性粘土中，在仍遵循上述规律的基础之上，背风侧的桩靴所承担竖向荷载增加的速度相较于均质土更快。迎风侧的桩靴所承担竖向荷载减少的速度相较于均质土也更快。
（3）空间变异粘土中，桩靴承担水平荷载与桩靴基础发生的水平位移密切相关。在一个自升式钻井平台的桩靴基础系统范围内，发生水平位移较大的桩靴基础往往承受更大的水平荷载，发生水平位移较小的桩靴基础往往承受更小的水平荷载。
（4）组合荷载工况下，自升式钻井平台在均质土中仅出现向后倾覆的失效模式，空间变异粘土中会出现多种有别于均质土的失效模式。因桩腿间发生不均匀沉降而导致自升式钻井平台向沉降较大一侧迅速倾覆；自升式钻井平台发生水平滑移破坏；三根桩腿集体下沉及以上多种失效模式的复合。
（5）空间变异性粘土中桩靴在水平方向的移动容易诱发自升式钻井平台发生倾覆破坏。随着施加在上部平台的水平荷载逐级增大，自升式钻井平台下部的桩靴基础会发生水平方向的位移，而当桩靴在移动过程中若遇到软弱的土层，桩靴会连带桩腿迅速下沉发生穿刺破坏。该类自升式钻井平台的失效模式破坏性大，因此提出增加桩靴表面粗糙度、增加平台自重或使用结构健康监测技术预防、规避工程事故的发生。
参考文献（略）