土木工程-开题报告课件

海洋桩靴基础在随机变异粘土中的三维数值模拟开题报告海洋桩靴基础在随机变异粘土中的三维数值模拟开题报告1主要内容进度安排4为完成课题已具备和所需的条件

5研究过程中可能遇到的困难以及解决措施

课题来源及研究目的和意义1国内外研究现状及分析2主要研究内容和方案361主要内容进度安排4为完成课题已具备和所需的条件5研究过程中2主要内容进度安排4预期达到的目标和取得的研究成果5研究过程中可能遇到的困难以及解决措施

课题来源及研究目的和意义1国内外研究现状及分析2主要研究内容和方案362主要内容进度安排4预期达到的目标和取得的研究成果5研究过程中3课题来源及研究目的和意义海洋石油钻井平台目前我国三大石油集团正在使用的自升式钻井平台大约30艘左右，并且采用独立桩靴基础的海上自升式钻井平台为数较多，而其中超过70%的平台是由3个或4个独立桩靴基础支撑于海床土中。由此可见，海上钻井平台在我国海上油田的勘探开发中占有极其重要的地位。

3国内海洋石油钻井平台课题来源及研究目的和意义海洋石油钻井平台3国内海洋石油钻井平4公司名称钻井平台名称桩腿类型最大作业水深(m)制造年份备注中国石油集团海洋工程有限公司中海油9号4根圆柱形桩腿762008进口中海油10号4根圆柱形桩腿762009进口中海油1号4根圆柱形桩腿251998国产中国石化集团勘探2号3根桁架形桩腿带桩靴901976进口胜利5号4根圆柱形桩腿带桩靴251981进口胜利6号4根圆柱形桩腿带桩靴301982进口胜利7号3根圆柱形桩腿带桩靴301982进口胜利8号3根圆柱形桩腿带桩靴201981进口胜利9号3根圆柱形桩腿带桩靴301978进口中国海洋石油总公司渤海4号3根桁架形桩腿带桩靴901977进口渤海5号4根圆柱形桩腿401983国产渤海7号4根圆柱形桩腿带桩靴401983国产渤海8号3根圆柱形桩腿带桩靴751980国产渤海9号4根圆柱形桩腿401984进口渤海10号3根桁架形桩腿带桩靴751980进口渤海12号3根桁架形桩腿带桩靴551978进口南海1号3根桁架形桩腿带桩靴901976进口南海4号3根桁架形桩腿带桩靴901978进口中国海洋9313根桁架形桩腿带桩靴971976进口中国海洋9353根桁架形桩腿带桩靴902006进口中国海洋9413根桁架形桩腿带桩靴1222006国产中国海洋9423根桁架形桩腿带桩靴1222008国产我国自升式钻井平台数量统计（2010截至）公司名称钻井平台名称桩腿类型最大作业水深(m)制造年份备注中5课题来源及研究目的和意义4钻井平台和桩靴基础简图桩靴桩腿海平面海床海床HWv课题来源及研究目的和意义4钻井平台和桩靴基础简图桩靴桩腿海平6课题来源及研究目的和意义MSI工程公司关于海洋钻井平台事故的调查结果显示，自升式钻井平台可能发生的事故种类繁多，但由于桩靴基础承载力不足而发生的事故所占比例在半数以上。

3海洋钻井平台事故统计分析MSI,Guidelinesforjack-uprigswithparticularreferencetofoundationintegrity,MSIEngineeringLimitedfortheHealthandSafetyExecutive,ResearchReport,2004,289课题来源及研究目的和意义MSI工程公司关于海洋钻井平台事故的7课题来源及研究目的和意义桩靴基础失效的几种主要形式：预压过程发生基础穿刺现象，多发生在上硬下软土层；

风暴荷载产生的基础下降过大；

冲刷作用减小桩脚承载面积导致失稳；

地震等引起的海底泥沙运动对桩靴基础冲击造成失稳；

3课题来源及研究目的和意义桩靴基础失效的几种主要形式：38课题来源及研究目的和意义4海洋钻井平台倒塌灾难桩靴基础失效导致平台倾覆桩靴基础失效造成桩腿屈曲课题来源及研究目的和意义4海洋钻井平台倒塌灾难桩靴基础失效导9海洋工程地质的复杂性海底的地形、地貌通常被海水浸没，不能直接观察，给客观认识带来了困难；海底工程地质取样不同于陆地，从海底取出的土样离开海底后，所处的环境温度、压力等条件已经与海底完全不同，不能反映真实的海底土的物理状态；海底地形和沉积物不稳定。在海浪、潮汐等各种因素作用下，海底地形和沉积物不断演化，更加不稳定。3海洋工程地质的复杂性31017空间变异土介绍Y-Z平面(kPa)木桶理论空间变异粘土17空间变异土介绍Y-Z平面(kPa)木桶理论空间变异粘土11研究意义23海底地质复杂，自升式钻井平台事故发生事故较多是桩靴基础承载力不足而引起的失效破坏。工程中海底土的现场试验和离心机试验等成本很高而且数据结果有限，现行研究大多通过考虑土体参数的空间变异性模拟可能出现的各种复杂工况。国内对于海洋钻井平台桩靴基础的工作性能及承载力的研究相对较少，还在起步阶段，主要还是均质土或者分层土的数值模拟研究和理论分析。国内考虑土体变异性可靠度分析主要限于边坡稳定分析，《水利边坡规范》建议对1级边坡进行可靠度分析，可靠度方法是岩土工程分析发展的一种趋势。研究意义23海底地质复杂，自升式钻井平台事故发生事故较多是桩12研究目的23利用可靠度分析方法给出指导工程实践的桩靴在空间变异土质条件下承载力可靠指标。采用随机场理论和有限元方法相结合来探讨空间变异土体和荷载的变异性是如何影响桩靴基础承载力及其失效机理。改善在过去的设计规范中对于桩靴基础承载力计算的保守和模糊性。研究目的23利用可靠度分析方法给出指导工程实践的桩靴在空间变13主要内容进度安排4预期达到的目标和取得的研究成果5研究过程中可能遇到的困难以及解决措施

课题来源及研究目的和意义1国内外研究现状及分析2主要研究内容和方案367主要内容进度安排4预期达到的目标和取得的研究成果5研究过程中14本课题的国外研究现状及分析9英国牛津大学Martin等通过多年对于粘土地基离心机实验和理论分析总结，提出用于桩靴基础的地基失效模型，地基土在水平力、竖向力和力矩荷载组合作用下屈服面为橄榄球形。Templeton等用有限元方法对桩靴基础的弯矩和水平承载力进行分析，并且提出了弯矩和水平承载力的相关公式。Cassidy(2013)等发现单独竖向力、水平力和力矩荷载分别作用下，地基极限承载力随土的不排水抗剪强度变异性增大而减少。不考虑土壤的各向异性的特点时，桩靴基础承载力可能会被严重高估(GriffithsandFenton2001)。Griffiths(2002)等观察发现在随机土中基础承载力均值相对于均质土承载能力降低了约20–30%左右。本课题的国外研究现状及分析915本课题的国内研究现状及分析9国内考虑土体参数变异性研究大部分在边坡:陈晓平等根据静力触探成果估计抗剪强度的自相关距离，评价自相关距离对土坡稳定影响。朱红霞等以天津港现场勘察资料为基础，建立了地基土剖面的随机场模型，并将其应用于港口边坡稳定的可靠度分析。天津大学张浦阳等（2008）引入流固耦合理论建立了饱和粘土条件下地基土-桩靴系统有限元模型，给出上硬下软粘土中桩靴承载力系数计算方法。付丽娜（2008）通过改变不同桩靴尺寸、贯入深度等参数，对多种条件贯入和上拔过程进行数值模拟，对了解桩靴一般受力性能具有一定参考价值。本课题的国内研究现状及分析9国内考虑土体参数变异性研究大部分16国内外研究现状简析9国内外研究现状简析917进度安排4预期达到的目标和取得的研究成果5研究过程中可能遇到的困难以及解决措施

课题来源及研究目的和意义1国内外研究现状及分析2主要研究内容和方案36主要内容11进度安排4预期达到的目标和取得的研究成果5研究过程中可能遇到18主要研究内容和方案17将随机场导入相应三维有限元模型后，提交运算利用Python脚本语言编程，输入命令流建立ABAQUS有限元模型，验证均质土分析结果可靠性利用蒙特卡洛模拟方法，以土体不排水剪切强度为变量生成三维空间随机场利用Matlab、Photoshop等软件工具对计算结果进行分析和后处理将分析得到的数据图表进行整理并与已有文献对比改变位移加载方式，probe试验获得桩靴V-H-M承载力包络面主要研究内容和方案17将随机场导入相应三维有限元模型后，提交1917ABAQUS有限元模型17ABAQUS有限元模型2017有限元分析结果文献的结果桩靴基础周围土壤回流机理对比17有限元分析结果文献的结果桩靴基础周围土壤回流机理对比2117竖向承载力系数随埋深变化17竖向承载力系数随埋深变化2217土体不排水剪切强度随机场分布（截面）X-Z平面Y-Z平面(kPa)17土体不排水剪切强度随机场分布（截面）X-Z平面Y-Z2317均值=13.05标准差=1.63变异系数=0.128最大值:17.85承载力-位移曲线17均值=13.05最大值:承载力-位移曲线2417

桩靴基础的承载力包络面承载力包络面VHM“Probe”方法位移加载17桩靴基础的承载力包络面承载力包络面VHM“Probe”方25进度安排4预期达到的目标和取得的研究成果5研究过程中可能遇到的困难以及解决措施

课题来源及研究目的和意义1国内外研究现状及分析2主要研究内容和方案36主要内容19进度安排4预期达到的目标和取得的研究成果5研究过程中可能遇到26进度安排21进度安排2127进度安排4预期达到的目标和取得的研究成果5研究过程中可能遇到的困难以及解决措施

课题来源及研究目的和意义1本课题的国内外研究现状及分析2主要研究内容和方案36主要内容22进度安排4预期达到的目标和取得的研究成果5研究过程中可能遇到28预期达到的目标和取得的研究成果23通过随机场理论和有限元方法相结合的方法分析空间变异土体和荷载的变异性影响桩靴基础承载力及其失效机理的一般规律。运用恒定位移比“probe”试验获得桩靴基础在随机变异粘土中竖向（V）、水平（H）、力矩（M）方向承载力的三维屈服包络面。最后根据不同大小的承载力包络面，分析得到相应的桩靴基础承载力的失效概率，进而根据不同的失效概率计算桩靴基础承载力的可靠指标或者安全系数。预期达到的目标和取得的研究成果23通过随机场理论和有限元方法29进度安排4预期达到的目标和取得的研究成果5研究过程中可能遇到的困难以及解决措施

课题来源及研究目的和意义1本课题的国内外研究现状及分析2主要研究内容和方案36主要内容24进度安排4预期达到的目标和取得的研究成果5研究过程中可能遇到30可能遇到的困难以及解决措施

25可能遇到的困难以及解决措施2531谢谢大家恳请各位老师和同学批评指正！谢谢大家恳请各位老师和同学批评指正！32海洋桩靴基础在随机变异粘土中的三维数值模拟开题报告海洋桩靴基础在随机变异粘土中的三维数值模拟开题报告33主要内容进度安排4为完成课题已具备和所需的条件

5研究过程中可能遇到的困难以及解决措施

课题来源及研究目的和意义1国内外研究现状及分析2主要研究内容和方案361主要内容进度安排4为完成课题已具备和所需的条件5研究过程中34主要内容进度安排4预期达到的目标和取得的研究成果5研究过程中可能遇到的困难以及解决措施

课题来源及研究目的和意义1国内外研究现状及分析2主要研究内容和方案362主要内容进度安排4预期达到的目标和取得的研究成果5研究过程中35课题来源及研究目的和意义海洋石油钻井平台目前我国三大石油集团正在使用的自升式钻井平台大约30艘左右，并且采用独立桩靴基础的海上自升式钻井平台为数较多，而其中超过70%的平台是由3个或4个独立桩靴基础支撑于海床土中。由此可见，海上钻井平台在我国海上油田的勘探开发中占有极其重要的地位。

3国内海洋石油钻井平台课题来源及研究目的和意义海洋石油钻井平台3国内海洋石油钻井平36公司名称钻井平台名称桩腿类型最大作业水深(m)制造年份备注中国石油集团海洋工程有限公司中海油9号4根圆柱形桩腿762008进口中海油10号4根圆柱形桩腿762009进口中海油1号4根圆柱形桩腿251998国产中国石化集团勘探2号3根桁架形桩腿带桩靴901976进口胜利5号4根圆柱形桩腿带桩靴251981进口胜利6号4根圆柱形桩腿带桩靴301982进口胜利7号3根圆柱形桩腿带桩靴301982进口胜利8号3根圆柱形桩腿带桩靴201981进口胜利9号3根圆柱形桩腿带桩靴301978进口中国海洋石油总公司渤海4号3根桁架形桩腿带桩靴901977进口渤海5号4根圆柱形桩腿401983国产渤海7号4根圆柱形桩腿带桩靴401983国产渤海8号3根圆柱形桩腿带桩靴751980国产渤海9号4根圆柱形桩腿401984进口渤海10号3根桁架形桩腿带桩靴751980进口渤海12号3根桁架形桩腿带桩靴551978进口南海1号3根桁架形桩腿带桩靴901976进口南海4号3根桁架形桩腿带桩靴901978进口中国海洋9313根桁架形桩腿带桩靴971976进口中国海洋9353根桁架形桩腿带桩靴902006进口中国海洋9413根桁架形桩腿带桩靴1222006国产中国海洋9423根桁架形桩腿带桩靴1222008国产我国自升式钻井平台数量统计（2010截至）公司名称钻井平台名称桩腿类型最大作业水深(m)制造年份备注中37课题来源及研究目的和意义4钻井平台和桩靴基础简图桩靴桩腿海平面海床海床HWv课题来源及研究目的和意义4钻井平台和桩靴基础简图桩靴桩腿海平38课题来源及研究目的和意义MSI工程公司关于海洋钻井平台事故的调查结果显示，自升式钻井平台可能发生的事故种类繁多，但由于桩靴基础承载力不足而发生的事故所占比例在半数以上。

3海洋钻井平台事故统计分析MSI,Guidelinesforjack-uprigswithparticularreferencetofoundationintegrity,MSIEngineeringLimitedfortheHealthandSafetyExecutive,ResearchReport,2004,289课题来源及研究目的和意义MSI工程公司关于海洋钻井平台事故的39课题来源及研究目的和意义桩靴基础失效的几种主要形式：预压过程发生基础穿刺现象，多发生在上硬下软土层；

风暴荷载产生的基础下降过大；

冲刷作用减小桩脚承载面积导致失稳；

地震等引起的海底泥沙运动对桩靴基础冲击造成失稳；

3课题来源及研究目的和意义桩靴基础失效的几种主要形式：340课题来源及研究目的和意义4海洋钻井平台倒塌灾难桩靴基础失效导致平台倾覆桩靴基础失效造成桩腿屈曲课题来源及研究目的和意义4海洋钻井平台倒塌灾难桩靴基础失效导41海洋工程地质的复杂性海底的地形、地貌通常被海水浸没，不能直接观察，给客观认识带来了困难；海底工程地质取样不同于陆地，从海底取出的土样离开海底后，所处的环境温度、压力等条件已经与海底完全不同，不能反映真实的海底土的物理状态；海底地形和沉积物不稳定。在海浪、潮汐等各种因素作用下，海底地形和沉积物不断演化，更加不稳定。3海洋工程地质的复杂性34217空间变异土介绍Y-Z平面(kPa)木桶理论空间变异粘土17空间变异土介绍Y-Z平面(kPa)木桶理论空间变异粘土43研究意义23海底地质复杂，自升式钻井平台事故发生事故较多是桩靴基础承载力不足而引起的失效破坏。工程中海底土的现场试验和离心机试验等成本很高而且数据结果有限，现行研究大多通过考虑土体参数的空间变异性模拟可能出现的各种复杂工况。国内对于海洋钻井平台桩靴基础的工作性能及承载力的研究相对较少，还在起步阶段，主要还是均质土或者分层土的数值模拟研究和理论分析。国内考虑土体变异性可靠度分析主要限于边坡稳定分析，《水利边坡规范》建议对1级边坡进行可靠度分析，可靠度方法是岩土工程分析发展的一种趋势。研究意义23海底地质复杂，自升式钻井平台事故发生事故较多是桩44研究目的23利用可靠度分析方法给出指导工程实践的桩靴在空间变异土质条件下承载力可靠指标。采用随机场理论和有限元方法相结合来探讨空间变异土体和荷载的变异性是如何影响桩靴基础承载力及其失效机理。改善在过去的设计规范中对于桩靴基础承载力计算的保守和模糊性。研究目的23利用可靠度分析方法给出指导工程实践的桩靴在空间变45主要内容进度安排4预期达到的目标和取得的研究成果5研究过程中可能遇到的困难以及解决措施

课题来源及研究目的和意义1国内外研究现状及分析2主要研究内容和方案367主要内容进度安排4预期达到的目标和取得的研究成果5研究过程中46本课题的国外研究现状及分析9英国牛津大学Martin等通过多年对于粘土地基离心机实验和理论分析总结，提出用于桩靴基础的地基失效模型，地基土在水平力、竖向力和力矩荷载组合作用下屈服面为橄榄球形。Templeton等用有限元方法对桩靴基础的弯矩和水平承载力进行分析，并且提出了弯矩和水平承载力的相关公式。Cassidy(2013)等发现单独竖向力、水平力和力矩荷载分别作用下，地基极限承载力随土的不排水抗剪强度变异性增大而减少。不考虑土壤的各向异性的特点时，桩靴基础承载力可能会被严重高估(GriffithsandFenton2001)。Griffiths(2002)等观察发现在随机土中基础承载力均值相对于均质土承载能力降低了约20–30%左右。本课题的国外研究现状及分析947本课题的国内研究现状及分析9国内考虑土体参数变异性研究大部分在边坡:陈晓平等根据静力触探成果估计抗剪强度的自相关距离，评价自相关距离对土坡稳定影响。朱红霞等以天津港现场勘察资料为基础，建立了地基土剖面的随机场模型，并将其应用于港口边坡稳定的可靠度分析。天津大学张浦阳等（2008）引入流固耦合理论建立了饱和粘土条件下地基土-桩靴系统有限元模型，给出上硬下软粘土中桩靴承载力系数计算方法。付丽娜（2008）通过改变不同桩靴尺寸、贯入深度等参数，对多种条件贯入和上拔过程进行数值模拟，对了解桩靴一般受力性能具有一定参考价值。本课题的国内研究现状及分析9国内考虑土体参数变异性研究大部分48国内外研究现状简析9国内外研究现状简析949进度安排4预期达到的目标和取得的研究成果5研究过程中可能遇到的困难以及解决措施

课题来源及研究目的和意义1国内外研究现状及分析2主要研究内容和方案36主要内容11进度安排4预期达到的目标和取得的研究成果5研究过程中可能遇到50主要研究内容和方案17将随机场导入相应三维有限元模型后，提交运算利用Python脚本语言编程，输入命令流建立ABAQUS有限元模型，验证均质土分析结果可靠性利用蒙特卡洛模拟方法，以土体不排水剪切强度为变量生成三维空间随机场利用Matlab、Photoshop等软件工具对计算结果进行分析和后处理将分析得到的数据图表进行整理并与已有文献对比改变位移加载方式，probe试验获得桩靴V-H-M承载力包络面主要研究内容和方案17将随机场导入相应三维有限元模型后，提交5117ABAQUS有限元模型17ABAQUS有限元模型5217有限元分析结果文献的结果桩靴基础周围土壤回流机理对比17有限元分析结果文献的结果桩靴基础周围土壤回流机理对比5317竖向承载力系数随埋深变化17竖向承载力系