自升式鉆井船插樁對臨近導(dǎo)管架平臺樁基影響的評估方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種自升式鉆井船插樁對臨近導(dǎo)管架平臺樁基影響的評估方法，其步驟為：1）確定導(dǎo)管架樁側(cè)土層的均一等效彈性模量；2）建立三維結(jié)構(gòu)分析模型和三維彈塑性有限元CEL模型，設(shè)置彈性模量；3）確定環(huán)境參數(shù)的角度；4）確定環(huán)境荷載效應(yīng)下樁身的UC值分布、樁頭力及樁頭位移數(shù)據(jù)；5）確定插樁擠土效應(yīng)下導(dǎo)管架樁基的樁身位移；6）建立樁土非線性地基梁模型，計(jì)算樁身內(nèi)力；7）根據(jù)海洋工程中的設(shè)計(jì)規(guī)范在MS?EXCEL下編程，得到擠土效應(yīng)作用下樁身的UC值分布；8）確定環(huán)境荷載效應(yīng)與擠土效應(yīng)耦合作用下樁身UC值；9）對耦合條件下樁身UC值進(jìn)行校核；10）對導(dǎo)管架樁基進(jìn)行分析；11）對分析結(jié)果進(jìn)行校核判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求。
【專利說明】自升式鉆井船插粧對臨近導(dǎo)管架平臺粧基影響的評估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種海上石油開發(fā)領(lǐng)域中的評估方法，特別是關(guān)于一種應(yīng)用于海上石油開發(fā)過程中的自升式鉆井船插樁對臨近導(dǎo)管架平臺樁基影響的評估方法。
【背景技術(shù)】
[0002]自升式鉆井船是用于海上石油開發(fā)中鉆完井作業(yè)的一種特殊海洋工程裝備，適用于水深可達(dá)120m的海域中。在百米水深的油氣田開發(fā)中，與新建平臺上設(shè)置模塊鉆機(jī)或修井機(jī)方案、采用半潛式鉆井船進(jìn)行鉆井作業(yè)方案相比，采用自升式鉆井船的方案一般具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，近年來自升式鉆井船越來越多地應(yīng)用于我國近海油氣開發(fā)的工程方案中。
[0003]自升式鉆井船一般支撐于3個(gè)獨(dú)立樁腿上，每個(gè)樁腿固定在較大尺寸的錐形基礎(chǔ)上即樁靴，例如HYSY941其樁靴直徑達(dá)18m。自升式鉆井船在海上就位，采用液壓或者機(jī)械的方法進(jìn)行預(yù)壓載，將樁靴插入海床一定深度，以承受鉆完井作業(yè)荷載和外界環(huán)境荷載而保持船體穩(wěn)定不傾覆。受自升式鉆井船懸臂能力及定位精度的限制，樁靴通常與導(dǎo)管架平臺的樁基距離較近。海上平臺通常采用鋼質(zhì)圓管樁基作為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，圓管樁基通常插入海床數(shù)十米甚至上百米以充分保證固定平臺安全可靠。當(dāng)大直徑的樁靴擠壓入泥到一定深度時(shí)，會引起大體積的土體重塑和流動(dòng)。若樁靴距離導(dǎo)管架的樁基較近，則土體的運(yùn)動(dòng)會對樁基產(chǎn)生顯著的側(cè)向擠壓影響，嚴(yán)重時(shí)會危及平臺的安全。自升式鉆井船進(jìn)行鉆完井作業(yè)通常需要一年甚至更長時(shí)間，當(dāng)作業(yè)期間遭遇極端風(fēng)暴條件時(shí)，鉆井船無足夠時(shí)間完成撤離操作，因此需要考慮鉆井船插樁擠土效應(yīng)與極端環(huán)境荷載效應(yīng)的耦合作用對樁基的影響。
[0004]國內(nèi)外多針對鉆井船插樁的擠土效應(yīng)進(jìn)行研究，但未考慮插樁擠土效應(yīng)和環(huán)境荷載效應(yīng)的耦合作用影響，因此不能應(yīng)用到工程實(shí)踐中。如何評估自升式鉆井船插樁擠土效應(yīng)和環(huán)境荷載效應(yīng)的耦合作用影響，并對其危害進(jìn)行控制，成為海上石油開發(fā)技術(shù)中的一個(gè)亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種自升式鉆井船插樁對臨近導(dǎo)管架平臺樁基影響的評估方法，解決了樁靴深入泥時(shí)土體大變形可能導(dǎo)致的導(dǎo)管架樁基嚴(yán)重扭曲的問題，可用于指導(dǎo)工程實(shí)踐中平臺樁基的設(shè)計(jì)。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種自升式鉆井船插樁對臨近導(dǎo)管架平臺樁基影響的評估方法，其包括以下步驟:1)確定導(dǎo)管架樁側(cè)土層的均一等效彈性模量；2)建立三維結(jié)構(gòu)分析模型和三維彈塑性有限元CEL模型，并根據(jù)步驟I)計(jì)算結(jié)果設(shè)置模型中土體的彈性模量根據(jù)環(huán)境參數(shù)、假定的導(dǎo)管架樁基參數(shù)、與樁徑相應(yīng)的土體參數(shù)，建立平臺-導(dǎo)管架樁基-土體相互作用的三維結(jié)構(gòu)分析模型根據(jù)土體參數(shù)、假定的導(dǎo)管架樁基參數(shù)、樁靴參數(shù)，建立樁靴-土體-導(dǎo)管架樁基相互作用的三維彈塑性有限元CEL模型；3)根據(jù)步驟2)中建立的三維結(jié)構(gòu)分析模型和三維彈塑性有限元CEL模型，確定環(huán)境參數(shù)的角度；4)根據(jù)步驟3)確定的環(huán)境參數(shù)角度，采用三維結(jié)構(gòu)分析模型模擬與該角度對應(yīng)的環(huán)境荷載效應(yīng)，求解得到環(huán)境荷載效應(yīng)下樁身的UC值分布、樁頭力及樁頭位移數(shù)據(jù)；5)根據(jù)步驟4)得到的樁頭力和樁頭位移數(shù)據(jù)，計(jì)算得到樁頭剛度，并根據(jù)樁頭剛度設(shè)置三維彈塑性有限元CEL模型中樁頭剛度，模擬鉆井船的樁靴插樁入泥過程，求解得到插樁擠土效應(yīng)下導(dǎo)管架樁基的樁身位移；6)建立分析樁土相互作用的樁土非線性地基梁模型，根據(jù)步驟5)結(jié)果設(shè)置樁頭剛度，將步驟5)中得到的樁身擠土位移以荷載形式施加到樁土非線性地基梁模型上，計(jì)算得到與此位移相對應(yīng)的樁身彎矩以及剪力的樁身內(nèi)力；7)根據(jù)海洋工程中的設(shè)計(jì)規(guī)范API RP2A-WSD在MS EXCEL下編程，輸入步驟6)計(jì)算得到的樁身內(nèi)力，求解得到擠土效應(yīng)作用下樁身的UC值分布；8)根據(jù)步驟4)求得的環(huán)境荷載效應(yīng)的樁身UC值和步驟7)求得的樁靴擠土效應(yīng)的樁身UC值，求解得到環(huán)境荷載效應(yīng)與擠土效應(yīng)耦合作用下樁身UC值；9)根據(jù)步驟7)中的設(shè)計(jì)規(guī)范，對步驟8)求得的耦合條件下樁身UC值進(jìn)行校核；若耦合此值< 1.0，則進(jìn)行步驟10);若耦合UC值> 1.0，則需要調(diào)整導(dǎo)管架樁基參數(shù)，重復(fù)步驟I)?步驟8)，直至步驟8)求得的耦合UC值< 1.0為止；10)根據(jù)步驟9)確定的導(dǎo)管架樁基參數(shù)，進(jìn)行導(dǎo)管架樁基的承載力分析、起吊分析、自由站立分析、打樁分析、疲勞分析和樁腿連接分析；11)根據(jù)步驟7)中的設(shè)計(jì)規(guī)范，對步驟10)分析結(jié)果進(jìn)行校核，判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求；若滿足設(shè)計(jì)要求，則結(jié)束；反之，則需調(diào)整導(dǎo)管架樁基參數(shù)，重復(fù)步驟I)?步驟10)，反復(fù)迭代直至滿足要求。
[0007]所述步驟I)中，均一等效彈性模量確定方法如下:①假定導(dǎo)管架樁基參數(shù)已知，依據(jù)與導(dǎo)管架樁徑相對應(yīng)的土體參數(shù)，建立樁土相互作用的導(dǎo)管架非線性地基梁模型，計(jì)算單樁樁頭在水平荷載作用下的水平荷載-位移曲線根據(jù)土體參數(shù)，假定土體的均一等效彈性模量，按照實(shí)際鋼管樁建立一個(gè)單樁與土相互作用的三維有限元常規(guī)拉格朗日模型，通過有限元計(jì)算得到樁頭的水平荷載-位移曲線；③對比步驟①和步驟②計(jì)算的水平荷載-位移曲線結(jié)果，若二者相差超過5%，則調(diào)整土層的等效彈性模量，重復(fù)步驟②中的計(jì)算，直至二者計(jì)算結(jié)果相差小于5%為止。
[0008]所述步驟3)中，所述環(huán)境參數(shù)角度的確定方法如下:①假定環(huán)境參數(shù)的角度，利用步驟2)中建立的SACS模型模擬環(huán)境荷載效應(yīng)，求解得到平臺樁基的樁頭力及樁頭位移、轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，根據(jù)求得的樁頭力和樁頭位移計(jì)算相應(yīng)的樁頭剛度；②根據(jù)步驟①計(jì)算的樁頭剛度對三維彈塑性有限元CEL模型的樁頭進(jìn)行賦值，通過CEL大變形分析，模擬鉆井船的樁靴插樁入泥過程，求解得到插樁擠土效應(yīng)下導(dǎo)管架樁基的樁身位移，并計(jì)算出樁身最大擠土位移的角度；③將步驟①中樁頭位移的角度與步驟②中樁身最大擠土位移的角度對比，若二者相差超過5度，則重新假定環(huán)境參數(shù)的角度，重復(fù)步驟①和步驟②中的計(jì)算，直至二者計(jì)算結(jié)果相差小于5度為止，確定最終的環(huán)境參數(shù)角度。
[0009]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn):1、本發(fā)明由于采用有限元CEL(耦合歐拉-拉格朗日)方法對鉆井船插樁過程進(jìn)行數(shù)值模擬，該方法吸取了拉格朗日分析與歐拉分析的優(yōu)點(diǎn)，相比于傳統(tǒng)拉格朗日(Lagrangian)有限元方法，解決了樁靴深入泥時(shí)土體大變形可能導(dǎo)致的土體有限元網(wǎng)格嚴(yán)重扭曲的問題。2、相對于離心機(jī)模型試驗(yàn)，本發(fā)明具有實(shí)施時(shí)間短、經(jīng)濟(jì)性好、土壤適應(yīng)廣、可靈活調(diào)整樁頭剛度等優(yōu)點(diǎn)。3、本發(fā)明從工程實(shí)踐需要出發(fā)，通過多個(gè)模型數(shù)據(jù)的密切銜接，求解擠土效應(yīng)下的樁身位移角度，進(jìn)而確定環(huán)境荷載效應(yīng)的角度。通過編程實(shí)現(xiàn)擠土效應(yīng)和環(huán)境荷載效應(yīng)的耦合分析，指導(dǎo)樁基設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整，并控制了插樁效應(yīng)對平臺樁基的危害程度。這對于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)具有非常重要的指導(dǎo)意義。4、本發(fā)明在國內(nèi)外尚無規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)可循的情況下，建立了一種便于工程應(yīng)用的實(shí)用計(jì)算方法，明確了插樁情況下平臺樁基的設(shè)計(jì)控制標(biāo)準(zhǔn)和基本原則，促進(jìn)了海洋石油開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步與創(chuàng)新。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于海上石油開發(fā)領(lǐng)域。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明的計(jì)算流程示意圖；
[0011]圖2是本發(fā)明確定導(dǎo)管架樁側(cè)土層的均一等效彈性模量流程示意圖；
[0012]圖3是本發(fā)明確定環(huán)境參數(shù)的角度流程示意圖；
[0013]圖4是本發(fā)明的鉆井船插樁時(shí)與導(dǎo)管架樁基的平面布置圖；
[0014]圖5是本發(fā)明的導(dǎo)管架樁基-土體相互作用的二維有限元地基梁模型示意圖；
[0015]圖6是本發(fā)明的單樁-土體相互作用的常規(guī)拉格朗日有限元模型示意圖；
[0016]圖7是本發(fā)明的平臺-導(dǎo)管架樁基-土體相互作用的三維SACS結(jié)構(gòu)模型示意圖；
[0017]圖8是本發(fā)明的樁靴-土體-導(dǎo)管架樁基相互作用的三維有限元CEL模型示意圖； [0018]圖9是本發(fā)明的環(huán)境荷載效應(yīng)下導(dǎo)管架樁基A的水平位移圖；
[0019]圖10是本發(fā)明的環(huán)境荷載效應(yīng)下導(dǎo)管架樁基A的樁身UC圖；
[0020]圖11是本發(fā)明的插樁至9.08m時(shí)擠土效應(yīng)下導(dǎo)管架樁基A的水平位移圖；
[0021]圖12是本發(fā)明的插樁至9.08m時(shí)擠土效應(yīng)下導(dǎo)管架樁基A的彎矩圖；
[0022]圖13是本發(fā)明的插樁至9.08m時(shí)擠土效應(yīng)下導(dǎo)管架樁基A的樁身UC圖；
[0023]圖14是本發(fā)明的擠土效應(yīng)和操作環(huán)境荷載效應(yīng)耦合作用下導(dǎo)管架樁基A的樁身UC圖；
[0024]圖15是本發(fā)明的擠土效應(yīng)和極端環(huán)境荷載效應(yīng)耦合作用下導(dǎo)管架樁基A的樁身UC圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明提供一種自升式鉆井船插樁對臨近導(dǎo)管架平臺樁基影響的評估方法，其包括以下步驟:
[0027]I)確定導(dǎo)管架樁側(cè)土層的均一等效彈性模量(如圖2所示)；
[0028]①假定導(dǎo)管架樁基參數(shù)(分段、直徑、壁厚、入泥深度等)已知，依據(jù)與導(dǎo)管架樁徑相對應(yīng)的土體參數(shù)(P-y數(shù)據(jù)、T-Z數(shù)據(jù)、Q-Z數(shù)據(jù))，建立樁土相互作用的導(dǎo)管架非線性地基梁模型(I )，計(jì)算單樁樁頭在水平荷載作用下的水平荷載-位移曲線；
[0029]②根據(jù)土體參數(shù)(分層、分類、泊松比、內(nèi)摩擦角、粘聚力)，假定土體的均一等效彈性模量，按照實(shí)際鋼管樁建立一個(gè)單樁與土相互作用的三維有限元常規(guī)拉格朗日模型(II )，通過有限元計(jì)算得到樁頭的水平荷載-位移曲線。
[0030]③對比步驟①和步驟②計(jì)算的水平荷載-位移曲線結(jié)果，若二者相差超過5%，則調(diào)整土層的等效彈性模量，重復(fù)步驟②中的計(jì)算，直至二者計(jì)算結(jié)果相差小于5%為止。此時(shí)土層的彈性模量就是與導(dǎo)管架非線性地基梁模型(I )以及P-Y數(shù)據(jù)等效的土層彈性模量。
[0031]2)建立三維結(jié)構(gòu)分析(SACS)模型(III)和三維彈塑性有限元CEL (CoupleEulerian-Lagrangian)模型(IV),并根據(jù)步驟I)計(jì)算結(jié)果設(shè)置模型中土體的彈性模量；
[0032]①根據(jù)環(huán)境參數(shù)(水深、風(fēng)、浪、流)、假定的導(dǎo)管架樁基參數(shù)(分段、直徑、壁厚、入泥深度)、與樁徑相應(yīng)的土體參數(shù)(P-Z、T-Z、Q-Z數(shù)據(jù))，采用海洋工程中常用軟件SACS建立平臺-導(dǎo)管架樁基-土體相互作用的三維結(jié)構(gòu)分析模型(III)；
[0033]②根據(jù)土體參數(shù)(分層、分類、泊松比、內(nèi)摩擦角、粘聚力)、假定的導(dǎo)管架樁基參數(shù)(分段、直徑、壁厚、入泥深度)、樁靴參數(shù)(直徑、預(yù)計(jì)入泥深度、與平臺樁基的距離)，建立樁靴-土體-導(dǎo)管架樁基相互作用的三維彈塑性有限元CEL模型(IV)。
[0034]3)確定環(huán)境參數(shù)的角度(如圖3所示)；
[0035]①假定環(huán)境參數(shù)的角度，利用步驟2)中建立的SACS模型(III)模擬環(huán)境荷載效應(yīng)，求解得到平臺樁基的樁頭力(含彎矩)及樁頭位移(含轉(zhuǎn)角)等數(shù)據(jù)，根據(jù)求得的樁頭力和樁頭位移計(jì)算相應(yīng)的樁頭剛度；
[0036]②根據(jù)步驟①計(jì)算的樁頭剛度對三維彈塑性有限元CEL模型(IV)的樁頭進(jìn)行賦值，通過CEL大變形分析，模擬鉆井船的樁靴插樁入泥過程，求解得到插樁擠土效應(yīng)下導(dǎo)管架樁基的樁身位移，并計(jì)算出樁身最大擠土位移的角度；
[0037]③將步驟①中樁頭位移的角度與步驟②中樁身最大擠土位移的角度對比，若二者相差超過5度，則重新假定環(huán)境參數(shù)的角度，重復(fù)步驟①和步驟②中的計(jì)算，直至二者計(jì)算結(jié)果相差小于5度為止，進(jìn)而確定最終的環(huán)境參數(shù)角度。
[0038]4)根據(jù)步驟3)確定的環(huán)境參數(shù)角度，采用SACS模型(III)模擬與該角度對應(yīng)的環(huán)境荷載效應(yīng)，求解得到環(huán)境荷載效應(yīng)下樁身的UC (Unit Check)值分布、樁頭力及樁頭位移等數(shù)據(jù)。
[0039]5)根據(jù)步驟4)得到的樁頭力和樁頭位移數(shù)據(jù)，計(jì)算得到樁頭剛度。并根據(jù)樁頭剛度設(shè)置三維彈塑性有限元CEL模型(IV)中樁頭剛度，模擬鉆井船的樁靴插樁入泥過程，求解得到插樁擠土效應(yīng)下導(dǎo)管架樁基的樁身位移。
[0040]6)建立分析樁土相互作用的樁土非線性地基梁模型(V)，根據(jù)步驟5)結(jié)果設(shè)置樁頭剛度，將步驟5)中得到的樁身擠土位移以荷載形式施加到樁土非線性地基梁模型(V)上，計(jì)算得到與此位移相對應(yīng)的樁身彎矩、剪力等樁身內(nèi)力。
[0041]7)根據(jù)海洋工程中常用設(shè)計(jì)規(guī)范API RP2A-WSD (2007)在MS EXCEL下編程，輸入步驟6)計(jì)算得到的樁身內(nèi)力，求解得到擠土效應(yīng)作用下樁身的UC值分布。
[0042]8)根據(jù)步驟4)求得的環(huán)境荷載效應(yīng)的樁身UC值和步驟7)求得的樁靴擠土效應(yīng)的樁身UC值，求解得到環(huán)境荷載效應(yīng)與擠土效應(yīng)耦合作用下樁身UC值。
[0043]9)根據(jù)步驟7)中的設(shè)計(jì)規(guī)范，對步驟8)求得的耦合條件下樁身UC值進(jìn)行校核。若耦合UC值< 1.0,則進(jìn)行步驟10);若耦合UC值> 1.0,則需要調(diào)整導(dǎo)管架樁基參數(shù)，重復(fù)步驟I)?步驟8)，直至步驟8)求得的耦合UC值< 1.0為止。
[0044]10)根據(jù)步驟9)確定的導(dǎo)管架樁基參數(shù)，進(jìn)行導(dǎo)管架樁基常規(guī)設(shè)計(jì):承載力分析、起吊分析、自由站立分析、打樁分析、疲勞分析和樁腿連接分析等。
[0045]11)根據(jù)步驟7)中的設(shè)計(jì)規(guī)范，對步驟10)分析結(jié)果進(jìn)行校核，判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求。若滿足設(shè)計(jì)要求，則結(jié)束；若不滿足設(shè)計(jì)要求，則需調(diào)整導(dǎo)管架樁基參數(shù)，重復(fù)步驟I)~步驟10)，反復(fù)迭代直至滿足要求。
[0046]下面以寶云亭WHPA井口平臺考慮鉆井船插樁影響的平臺樁基為例，對本發(fā)明做進(jìn)一步的具體應(yīng)用介紹。該平臺的導(dǎo)管架裙樁擬采用外徑84in的兩開口鋼管樁，打入泥面以下80m。采用HYSY941鉆井船進(jìn)行插樁作業(yè)，其樁靴直徑為18m，樁靴插樁深度為9.08m?？紤]1.5m的就位誤差，插樁時(shí)鉆井船樁靴與導(dǎo)管架樁基的相對位置如圖4所示。
[0047]I)確定導(dǎo)管架樁側(cè)土層的等效彈性模量；
[0048]①假定導(dǎo)管架樁基參數(shù)，根據(jù)與導(dǎo)管架樁徑相對應(yīng)的土體參數(shù)，建立導(dǎo)管架非線性地基梁模型(I )(如圖5所示)，計(jì)算單樁樁頭在水平荷載作用下的水平荷載-位移曲線.-^4 ，
[0049]②根據(jù)土體參數(shù)、假定土體的均一等效彈性模量，建立單樁的有限元模型(II )(如圖6所示)，通過有限元計(jì)算得到樁頭的水平荷載-位移曲線。
[0050]③對比步驟①和步驟②計(jì)算的水平荷載-位移曲線結(jié)果，反復(fù)迭代，使二者差別小于5%，得到等效的彈性模量。
[0051]2)根據(jù)環(huán)境參數(shù)、假定的樁基參數(shù)、土體參數(shù)等，采用SACS建立結(jié)構(gòu)分析模型(III)(如圖7所示)；根據(jù)土體參數(shù)、假定的樁基參數(shù)、樁靴參數(shù)等，建立有限元CEL模型(IV)(如圖8所示)，并根據(jù)步驟I)設(shè)置模型中土體的彈性模量。
[0052]3)確定環(huán)境參數(shù)的角度；
[0053]①假定環(huán)境參數(shù)的角度，利用步驟2)中建立的SACS模型(III)求解環(huán)境荷載作用下平臺樁基的樁頭力(含彎矩)及樁頭位移(含轉(zhuǎn)角)等數(shù)據(jù)，根據(jù)求得的樁頭力和樁頭位移計(jì)算相應(yīng)的樁頭剛度；
[0054]②根據(jù)步驟①計(jì)算的樁頭剛度對有限元CEL模型(IV)的樁頭進(jìn)行賦值，通過CEL有限元分析，求得擠土效應(yīng)下樁基的樁身位移，并計(jì)算出樁身最大位移的角度；
[0055]③將步驟①中樁頭位移的角度與步驟②中樁身最大位移的角度對比，反復(fù)迭代最終確定環(huán)境參數(shù)角度為251°。
[0056]4)根據(jù)步驟3)確定的環(huán)境參數(shù)角度，采用SACS模型(III)模擬環(huán)境荷載效應(yīng)(包括操作環(huán)境荷載和極端環(huán)境荷載)，求解得到251°環(huán)境荷載效應(yīng)下樁頭力、樁頭位移、樁身位移分布(如圖9所示)及樁身的UC值分布(如圖10所示)。
[0057]5)根據(jù)步驟4)得到的樁頭力和樁頭位移數(shù)據(jù)，計(jì)算得到樁頭剛度。設(shè)置有限元CEL模型(IV)中樁頭剛度，模擬鉆井船的樁靴插樁入泥過程，求解得到插樁擠土效應(yīng)下導(dǎo)管架樁基的樁身位移(如圖11所示)。
[0058]6)建立分析樁土非線性地基梁模型(V)，根據(jù)步驟5)結(jié)果設(shè)置樁頭剛度，將步驟5)中得到的樁身擠土位移以荷載形式施加到樁土非線性地基梁模型(V)上，計(jì)算得到與此位移相對應(yīng)的樁身彎矩分布(如圖12所不)。
[0059]7)根據(jù)海洋工程中常用設(shè)計(jì)規(guī)范API RP2A-WSD (2007)在MS EXCEL下編程，輸入步驟6)計(jì)算得到的樁身內(nèi)力，求解得到擠土效應(yīng)作用下樁身的UC值分布(如圖13所示)。
[0060]8)根據(jù)步驟4)求得的環(huán)境荷載效應(yīng)的樁身UC值和步驟7)求得的樁靴擠土效應(yīng)的樁身UC值，求解環(huán)境荷載效應(yīng)與擠土效應(yīng)耦合作用下樁身UC值(如圖14和圖15所示)。
[0061]9)根據(jù)步驟7)中的設(shè)計(jì)規(guī)范，對步驟8)求得的耦合條件下樁身UC值進(jìn)行校核。結(jié)果表明樁身耦合UC值均滿足UC < 1.0。[0062]10)根據(jù)步驟9)確定的樁基參數(shù)，進(jìn)行樁基常規(guī)設(shè)計(jì):承載力分析、起吊分析、自由站立分析、打樁分析、疲勞分析和樁腿連接分析等。
[0063]11)根據(jù)步驟7)中的設(shè)計(jì)規(guī)范，對步驟10)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核，分析表明以上工況均滿足設(shè)計(jì)要求，計(jì)算結(jié)束。
[0064]上述各實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明，其中各個(gè)步驟等都是可以有所變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上對本發(fā)明的個(gè)別步驟進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的保護(hù)范圍之外。
【權(quán)利要求】
1.一種自升式鉆井船插樁對臨近導(dǎo)管架平臺樁基影響的評估方法，其包括以下步驟: 1)確定導(dǎo)管架樁側(cè)土層的均一等效彈性模量； 2)建立三維結(jié)構(gòu)分析模型和三維彈塑性有限元CEL模型，并根據(jù)步驟I)計(jì)算結(jié)果設(shè)置模型中土體的彈性模量； ①根據(jù)環(huán)境參數(shù)、假定的導(dǎo)管架樁基參數(shù)、與樁徑相應(yīng)的土體參數(shù)，建立平臺-導(dǎo)管架樁基-土體相互作用的三維結(jié)構(gòu)分析模型； ②根據(jù)土體參數(shù)、假定的導(dǎo)管架樁基參數(shù)、樁靴參數(shù)，建立樁靴-土體-導(dǎo)管架樁基相互作用的三維彈塑性有限元CEL模型； 3)根據(jù)步驟2)中建立的三維結(jié)構(gòu)分析模型和三維彈塑性有限元CEL模型，確定環(huán)境參數(shù)的角度； 4)根據(jù)步驟3)確定的環(huán)境參數(shù)角度，采用三維結(jié)構(gòu)分析模型模擬與該角度對應(yīng)的環(huán)境荷載效應(yīng)，求解得到環(huán)境荷載效應(yīng)下樁身的UC值分布、樁頭力及樁頭位移數(shù)據(jù)； 5)根據(jù)步驟4)得到的樁頭力和樁頭位移數(shù)據(jù)，計(jì)算得到樁頭剛度，并根據(jù)樁頭剛度設(shè)置三維彈塑性有限元CEL模型中樁頭剛度，模擬鉆井船的樁靴插樁入泥過程，求解得到插樁擠土效應(yīng)下導(dǎo)管架樁基的樁身位移； 6)建立分析樁土相互作用的樁土非線性地基梁模型，根據(jù)步驟5)結(jié)果設(shè)置樁頭剛度，將步驟5)中得到的樁身擠土位移以荷載形式施加到樁土非線性地基梁模型上，計(jì)算得到與此位移相對應(yīng)的樁身彎矩以及剪力的樁身內(nèi)力； 7)根據(jù)海洋工程中的設(shè)計(jì)規(guī)范APIRP2A-WSD在MS EXCEL下編程，輸入步驟6)計(jì)算得到的樁身內(nèi)力， 求解得到擠土效應(yīng)作用下樁身的UC值分布； 8)根據(jù)步驟4)求得的環(huán)境荷載效應(yīng)的樁身UC值和步驟7)求得的樁靴擠土效應(yīng)的樁身UC值，求解得到環(huán)境荷載效應(yīng)與擠土效應(yīng)耦合作用下樁身UC值； 9)根據(jù)步驟7)中的設(shè)計(jì)規(guī)范，對步驟8)求得的耦合條件下樁身UC值進(jìn)行校核；若耦合此值< 1.0，則進(jìn)行步驟10);若耦合UC值≤1.0，則需要調(diào)整導(dǎo)管架樁基參數(shù)，重復(fù)步驟I)~步驟8)，直至步驟8)求得的耦合UC值< 1.0為止； 10)根據(jù)步驟9)確定的導(dǎo)管架樁基參數(shù)，進(jìn)行導(dǎo)管架樁基的承載力分析、起吊分析、自由站立分析、打樁分析、疲勞分析和樁腿連接分析； 11)根據(jù)步驟7)中的設(shè)計(jì)規(guī)范，對步驟10)分析結(jié)果進(jìn)行校核，判斷是否滿足設(shè)計(jì)要求；若滿足設(shè)計(jì)要求，則結(jié)束；反之，則需調(diào)整導(dǎo)管架樁基參數(shù)，重復(fù)步驟I)~步驟10)，反復(fù)迭代直至滿足要求。
2.如權(quán)利要求1所述的自升式鉆井船插樁對臨近導(dǎo)管架平臺樁基影響的評估方法，其特征在于:所述步驟I)中，均一等效彈性模量確定方法如下: ①假定導(dǎo)管架樁基參數(shù)已知，依據(jù)與導(dǎo)管架樁徑相對應(yīng)的土體參數(shù)，建立樁土相互作用的導(dǎo)管架非線性地基梁模型，計(jì)算單樁樁頭在水平荷載作用下的水平荷載-位移曲線； ②根據(jù)土體參數(shù)，假定土體的均一等效彈性模量，按照實(shí)際鋼管樁建立一個(gè)單樁與土相互作用的三維有限元常規(guī)拉格朗日模型，通過有限元計(jì)算得到樁頭的水平荷載-位移曲線.-^4 ， ③對比步驟①和步驟②計(jì)算的水平荷載-位移曲線結(jié)果，若二者相差超過5%，則調(diào)整土層的等效彈性模量，重復(fù)步驟②中的計(jì)算，直至二者計(jì)算結(jié)果相差小于5%為止。
3.如權(quán)利要求1或2所述的自升式鉆井船插樁對臨近導(dǎo)管架平臺樁基影響的評估方法，其特征在于:所述步驟3)中，所述環(huán)境參數(shù)角度的確定方法如下: ①假定環(huán)境參數(shù)的角度，利用步驟2)中建立的SACS模型模擬環(huán)境荷載效應(yīng)，求解得到平臺樁基的樁頭力及樁頭位移、轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，根據(jù)求得的樁頭力和樁頭位移計(jì)算相應(yīng)的樁頭剛度； ②根據(jù)步驟①計(jì)算的樁頭剛度對三維彈塑性有限元CEL模型的樁頭進(jìn)行賦值，通過CEL大變形分析，模擬鉆井船的樁靴插樁入泥過程，求解得到插樁擠土效應(yīng)下導(dǎo)管架樁基的樁身位移，并計(jì)算出樁身最大擠土位移的角度； ③將步驟①中樁頭位移的角度與步驟②中樁身最大擠土位移的角度對比，若二者相差超過5度，則重新假定環(huán)境參數(shù)的角度，重復(fù)步驟①和步驟②中的計(jì)算，直至二者計(jì)算結(jié)果相差小于5度為止，確定最終`的環(huán)境參數(shù)角度。
【文檔編號】G06F17/50GK103870640SQ201410074583
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月3日
【發(fā)明者】陶敬華, 王朝陽, 李新仲, 侯金林, 賈旭, 周曉紅, 劉明, 王忠暢, 孫友義 申請人:中國海洋石油總公司, 中海油研究總院