摘要：桩靴是一种直径较大（〜20 m）的锥形基础，是用来支撑海上开采石油的自升式移动平台以及浅水到中等水深的气体开发设备。在安装期间，常常把桩靴插入到几十米的海底土壤，然而桩靴在剪切强度土壤的位置经常发生大的变化。虽然许多研究人员已经研究了桩基础的失效机理、承载能力均匀土壤以及层状均匀土壤，但土壤强度的空间变异性对桩靴的影响还不清楚。本研究提出了一个随机有限元法（RFEM），用来评估失效机构和嵌入具有空间变化的海底土壤中的具有承载能力的桩靴基础。本文将初步讨论海底土壤平均值的典型范围、变异系数和排水剪切强度的波动，并生成随机场，将其映射到非线性有限元分析中，揭示桩靴在空间变化土壤中的失效机理。本文通过研究不同方向的波动规模，表明忽略空间变异性的土壤强度会过高估计桩靴的承载能力，在随机有限元分析中假设各向同性的随机场模型是不可靠的。

关键词：桩靴；承载能力；随机场；有限元法；

1引言

自升式移动海洋平台是浅水到中等水深近海油气储层开发的关键设备。一个典型的现代自升式设备由一个浮力三角船体，三个独立的桁架工作腿和倒圆锥形桩靴基础组成（Young等人，1984年）。自升式海洋平台是通过从水中提升船体并将大型桩（直径大约20米）推入海床中来实现自我安装，在软土中，桩基础可以穿透深度为桩靴直径三倍的土层，以在极端暴风雨事件期间获得足够的支撑能力（Hossain和Randolph，2009）。

在过去几十年中，Young等人研究了在均匀土壤中以线性增加强度与深度的桩靴基础的失效机制（例如，Young等人，1984； Martin和Houlsby，2001；Cassidy等人，2004； Erbrich ，2005；Menzies和Roper，2008； Osborne等，2009； Hossain和Randolph，2010），然而，在典型条件下，许多近海地区的海底土壤由粘土和砂的夹层构成，剪切强度的变化很大（Hossain和Randolph，2009； DNV，2012； Lee等，2013）[1]。由于海床土壤空间结构复杂多变，土壤强度的这种变化常常被现有研究忽略，土壤的空间变化性质对嵌入式桩靴承载能力的影响仍不清楚。

本研究旨在利用随机有限元法，提出埋在空间变化的海床土壤中的桩靴基础的破坏机理和承载能力。基于随机场理论，首先回顾了海床土壤的空间变化，然后通过数值生成的随机场对空间变化的土壤进行建模，进一步将其映射到非线性有限元分析中，以研究桩基础的破坏机理和承载能力，最后进行蒙特卡罗模拟，以探究在空间变化海底中的桩靴基础的可能失效模式。这项研究探讨桩靴基础的可能失效机制，考虑复杂多变的土壤条件以及阐明基础设计的可靠性。

2海底土壤的空间变异性

由于环境中的沉淀、物理或化学变化，土壤性质可以在垂直和水平方向上的空间中变化。土壤性质的变异性通常由平均值、方差（或标准偏差）和概率密度函数描述。如果纳入不同地区土壤性质的空间相关性，则常常采用平均值和反映周围趋势变化的残差（Phoon和Kulhawy，1999；Lacasse等，2014）来反应。附近位置处的残差，在空间上统计彼此的相关性来表示它们间隔距离的函数，该函数通常称为自相关函数[2]。自相关函数的积分形式会导致波动的规模（Baecher和Christian，2003；Lloret-Cabot et al，2014），在波动幅度内，两个位置处土壤性质值之间的相关性很强。