基于均匀和局部腐蚀模型的海上风电单桩基础承载特性

针对不同腐蚀形式对海上风电大直径钢管单桩基础承载特性的影响进行研究。基于Abaqus大直径钢管单桩有限元数值模型,分析均匀腐蚀、局部腐蚀以及均匀腐蚀与局部腐蚀联合作用对大直径钢管单桩水平和竖直承载特性的影响规律。结果表明：均匀腐蚀对单桩基础桩顶挠度影响显著,当腐蚀时间达20 a时桩身最大挠度增幅为15.9%,此时在局部腐蚀作用下其增幅仅2.0%;均匀腐蚀对单桩基础竖直沉降量影响较大,当腐蚀时间达20 a时桩顶沉降量的最大增幅为21.8%,此时在局部腐蚀作用下其增幅仅4.1%;在水平载荷作用下,局部腐蚀和均匀腐蚀均会导致桩身最大应力增大,且无论在水平载荷还是在竖直载荷作用下,在局部腐蚀处均出现小范围的应力集中现象。研究成果可为海上风电大直径钢管单桩基础防腐措施提供理论支持。     

浪溅区局部腐蚀对单桩基础承载特性影响的数值模拟

基于Abaqus桩基数值模型,对浪溅区局部腐蚀下的大直径钢管桩承载特性进行数值模拟分析。结果表明：局部腐蚀对单桩基础水平承载特性影响显著,对竖直承载特性的影响忽略不计;在水平载荷作用下,随着腐蚀深度的增加,应力集中范围自腐蚀区上端逐渐扩大至腐蚀区下端,且应力在腐蚀区中心达到峰值;在竖直载荷作用下,随腐蚀深度的增加,应力集中范围自腐蚀区中心向未腐蚀区扩展。研究结果可为海上风电单桩基础的防腐措施提供理论支持。     

海上风电场大直径钢管桩抗压承载力试验

为研究超大直径钢管桩的抗压承载性能,中广核如东150 MW海上风电场试桩工程采用现场试验的方式,对直径为2 800mm的大直径钢管桩开展单桩轴向抗压静载试验。试验采用快速维持荷载法,结果表明:该桩径为2 800mm、埋深超过80m大直径钢管桩的极限承载力超过50 000kN;桩端轴力约为桩顶荷载的10%,说明传递到桩底的荷载较小,试桩表现出摩擦型桩的特性;大直径开口钢管桩的闭塞效应不明显,钢管桩内侧摩擦阻力较大,导致根据桩身轴力求得的总侧摩阻力明显高于岩土工程勘察报告推荐的数值。     

砂性基础大直径单桩水平承载力预测模型

研究江苏岸外辐射沙洲大直径单桩水平承载特性,基于现场试桩和有限元数值模拟相结合的研究方法,开展单桩水平极限承载力分析数值模拟。得到主要结论如下：试桩的桩身挠度在近桩底处趋于零,呈现典型的柔性桩特征;随着水平载荷的增大,试桩桩身最大弯矩逐渐增大,所在位置逐渐下移,约在泥面以下2.2D～2.5D处;提出大直径单桩水平极限承载力预测模型,基于该模型所得单桩水平极限承载力预测值与数值模拟结果相符得很好,平均相对误差仅4.9%,最大相对误差小于11%。     

接管轴向载荷对内压圆筒强度性能的影响

采用有限元方法分析了接管轴向载荷对内压作用下开孔-接管区各个截面的弹性应力集中、应力分布以及结构的塑性极限内压的影响规律。分析结果表明,接管轴向载荷对内压圆筒弹性应力分布、内压承载能力有一定的影响,轴向载荷使横向截面最大应力出现的位置不断变化;轴向推力能减小应力集中系数和增强开孔-接管区的承载能力,轴向拉力能增大应力集中系数和降低开孔-接管区的承载能力。     

考虑溜桩效应的单桩基础承载特性数值模拟

为分析竖向和水平载荷作用下溜桩对钢管桩承载特性的影响规律,基于理论分析得到的溜桩区间数据,建立考虑溜桩效应的桩-土数值模型。结果显示：当单桩受到竖向载荷时,溜桩减小桩侧摩阻力,溜桩对钢管桩竖向承载力的影响较为显著;当单桩受到水平载荷时,溜桩条件下钢管桩弯矩大于无溜桩条件下的弯矩,说明发生溜桩会导致钢管桩产生更严重的弯曲变形;溜桩条件下的极限土抗力小于无溜桩情况。     

水平荷载下基于桩-土相互作用的定位桩承载能力

研究挖泥船定位桩在桩顶水平载荷下的承载特性,引入p-y曲线描述桩-土界面的非线性接触,分别基于连续算法及微元法建立桩-土相互作用下的定位桩"梁"力学模型,对其桩身内力及位移分布进行探讨。实例表明,桩细长比、土体特性以及桩基深度等对定位桩承载能力都有较大的影响。在作业区域土体性质确定的情况下,可通过增加桩径及定位桩插桩深度来提高定位桩水平极限承载能力。     

内压和轴向载荷作用下开孔薄壁短圆筒屈曲的数值研究

采用有限单元法对内压和轴向载荷联合作用下带开孔薄壁短圆筒的屈曲现象进行了数值研究.研究模型分3组,第1组在同一部位具有不同的开孔直径;第2组在不同的位置开有相同直径的孔;第3组同一位置有相同开孔和不同的内压.结果表明,在内压和轴向载荷联合作用下的薄壁短圆筒,开孔直径对临界屈曲载荷的影响远大于开孔位置的影响.随着开孔的增大,薄壁短圆筒的临界屈曲载荷迅速下降;随着内压的增大,薄壁短圆筒的临界屈曲载荷也迅速下降;开孔直径不变时,开孔位置越靠近固支端,薄壁短圆筒的临界屈曲载荷越大,并且在远离固支端的筒体的中上部区域内存在最危险位置.     

石油钻井工具用非标碟簧力学特性研究

石油钻井工具常使用非标碟形弹簧缓冲振动,基于大变形弹塑性理论,使用有限元法分析了118 mm非标碟簧在加载过程中的力学特性。分析结果表明,随碟簧压缩位移增加,VonMises应力、周向应力、轴向应力、轴向变形量、周向变形量和厚度t轴向变形量呈非线性增大趋势。压缩位移小于2.5 mm时,碟簧未出现塑性变形;压缩位移为2.5 mm时,周向应力、轴向应力、轴向变形量和厚度t轴向变形量剧增,且碟簧发生塑性变形。对碟簧进行了刚度试验,压缩位移小于0.47 mm时碟簧刚度约为0.66 kN/mm,压缩位移大于0.47 mm时碟簧刚度值约为2.74kN/mm。结合数值模拟结果,建议单片碟簧的工作载荷应小于6.02 kN。该项研究结果表明,有限元法和碟簧刚度试验测定相结合,可以分析非标碟簧的工作力学特性,确定非标碟簧的最大工作载荷,为其科学使用提供依据。     

钻杆开孔后剩余强度研究

为了对开孔后的钻杆进行剩余强度分析,运用有限元分析法对开孔后钻杆承受内压作用时的强度进行计算。建模时以API内加厚钻杆为研究对象,约束钻杆两边的轴向位移为0。在ABAQUS有限元分析软件环境下建立分析数据库,导入钻杆开孔后的三维实体模型,建立了有限元模型分析数据库。分析结果表明,钻杆开孔后,在内管壁施加的均布压力作用下,最大应力发生在开孔边缘的轴向位置附近,且随着开孔直径的增大,最大Mises应力也增大;在钻杆厚度一定的情况下,随着开孔直径的减小,应力集中因数逐渐减小,且趋近于恒定值;在相同的开孔直径下,钻杆直径越大,应力集中因数越大。     

基于p-y曲线法的风机基础侧向承载力

采用有限元软件Abaqus对海上风机固定式4桩基础侧向承载能力进行数值计算。使用三维有限元法和p-y曲线法分别对简单均匀桩的位移响应进行分析,验证p-y曲线法的准确性。使用p-y曲线法分析桩径为3.2m的4桩基础侧向承载力,并与桩径为8.0m的单桩基础侧向承载力进行对比,表明桩径为3.2m的4桩基础侧向承载力明显优于桩径为8.0m的单桩基础。所得结论为海上风机桩基础形式的选取提供参考,并为今后采用p-y曲线法对桩基础侧向承载力的快速计算提供参考。     

钻井船插桩对海洋平台桩基影响的数值研究

运用耦合欧拉-拉格朗日(Coupled Euler-Lagrange, CEL)方法对钻井船就位插桩过程引起的土体响应进行分析,得到钻井船插桩过程引起的土体响应规律。在此基础上,研究钻井船桩靴对邻近海洋平台桩基的影响,结果表明:距桩靴最近的桩基受到的影响最大;随着钻井船桩靴贯入深度增大,桩基应力逐渐增大,桩基最大应力位置逐渐下移;桩靴对其斜下方处桩基应力和水平位移影响最大。钻井船插桩过程对邻近海洋平台桩基周围土体影响深度为桩靴插入深度,桩靴对桩基承载力和轴向位移影响较小。     

全通径滑套球座打捞机构关键技术研究

球座可提出式全通径滑套可通过球座打捞机构将各级球座一次提出井口,实现管内全通径,要求球座打捞机构轴向插入载荷小,承载能力强。为此,设计了新型高承载球座打捞机构,采用理论计算和有限元分析方法,分析了齿根面锥度和承载面角度对轴向插入载荷和承载能力的影响规律,并确定了最优参数。分析结果表明,与常规球座打捞机构相比,新型高承载球座打捞机构轴向插入载荷降低了75%,当齿根锥度为1:16时,轴向插入载荷约为2 kN,轴向极限抗拉强度达到500 kN。当承载面角度小于90°时,随着齿根锥度增大,球座打捞机构的轴向承拉能力随之增强,轴向插入载荷随之降低。高承载球座打捞机构模拟入井试验一次打捞成功,表明高承载球座打捞机构能满足现场应用要求,为提高球座打捞成功率提供了新的技术途径。      

渤海导管架平台外挂井槽对桩基承载力的影响

外挂井槽技术可经济有效地满足现有平台增加井槽的需求,但外挂井槽方案的实施受到多种因素的影响,其中桩基承载力是影响外挂井槽方案是否可行的重要影响因素之一。以渤海油田4腿平台为例,将外挂井槽对桩基承载力的影响分为3个方面,重点分析外挂井槽引起的水平载荷变化、垂向载荷变化和修井机井位变化对桩头力的影响。对比平台外挂井槽改造前后桩头力大小,总结外挂井槽改造引起平台桩头力的变化规律,对平台桩头力的变化进行预估,预估结果误差较小,在前期研究方案设计阶段可作为外挂井槽方案是否需要增加桩腿的判断依据。     

隔水导管复合群桩竖向承载特性

基于有限元方法对阵列排布的隔水导管组成的群桩基础开展竖向载荷作用下的破坏模式研究,分析不同井口间距、桩数、桩径和桩长下隔水导管复合群桩基础的极限承载力和轴向载荷传递规律,结合隔水导管的结构特点,推导适用于隔水导管复合桩的群桩效应系数计算公式。研究表明：隔水导管复合桩群桩效应系数随距径比Sa/D1的增大、桩数N的减小、桩径D1的增大及不排水强度Su的增大而增大;增加变截面以下桩长L2,可提高复合群桩中心桩承载力发挥程度。与相同工况普通钢管桩群桩基础相比,隔水导管复合群桩基础的侧摩阻力发挥更加充分,群桩效应系数更高。     

分体式吊装对导管架基础竖向承载特性影响的数值模拟

以庄河海域3 000吨级海上升压站为例,基于Abaqus有限元软件建立海上升压站导管架基础模型,进行海上升压站上部组块分体式吊装对导管架基础竖向受荷特征影响规律的数值模拟研究。结果表明：采用分体式吊装方案后,升压站基础总沉降量比整体加载方案小,但基础沉降不均匀;升压站基础承受的竖向载荷与整体加载方案相比差别不大;升压站基础桩身变形略大于整体加载方案,相对容易导致桩周土体发生破坏。 虽然分级加载方案与整体加载方案相比对导管架基础的承载特性有一定的不利影响,但考虑到施工成本,可采用分体吊装方式进行施工。研究成果可为海上风电类似工程提供参考。     

海上风电大直径植入型嵌岩单桩关键技术

针对软土覆盖层浅、基岩强度大的海上风电大直径植入型单桩基础嵌岩方案,建立桩-基岩-灌浆料模型,对植入型嵌岩单桩基础进行受力分析,分析结果表明单桩最大应力和灌浆料最大应力均满足极端情况下的风电基础设计要求。介绍钢管桩与岩孔间填充材料的选择、灌浆施工工艺,以及海上风电大直径嵌岩单桩风险点和解决措施。该技术对海上风电大直径嵌岩单桩的设计开发具有一定的启发作用。