研究目的和意义：

21世纪，如何实现社会经济的可持续发展己成为人们必须面对的一个重要课题，与此同时，新能源的开发也成为了世界各国的重要议题。由于世界各国对能源的需求不断地增加和对环境保护的加强,及海上可移动装置向恶劣的深水区发展,其作业水深、钻井能力、可变载荷将进一步加深、加强、加大,安全性能也将提高【1】。升级改造现有平台和建造技术性能更强的新型平台是目前海上可移动装置的主要发展趋势。

随着科学技术的进步与发展，桩基础在各大工程领域有着广泛的应用，尤其在海洋工程领域中得到了广泛的应用，海洋上的各大平台也因此向着大型化、集成化以及深水方向发展【3】。结果必然会对桩基的要求更加苛刻，因此桩基也向着直径大、深度大的方向发展。这也会导致在施工过程中发生溜桩等现象的发生。随着海上自升式钻井平台应用范围的不断扩大，装配传统桩靴的自升式钻井平台抵抗海上极限风、浪环境荷载的能力受到了诸多挑战。工程实践表明，配备传统倒锥形桩靴的钻井平台工作时不仅要求海底土壤条件较好，而且在插桩和拔桩过程中易出现问题，施工难度大、时间长。因此，有必要进行新型桩靴的开发和研究。

在海上作业的平台，钻井平台占据了大多数。由于平台作业海域地质条件复杂，为了保证桩靴基础的稳定性，避免恶劣环境造成平台损坏或者倾覆，须将桩靴插入到海底一定深度【6】。因此桩基的稳定性给钻井平台作业的安全性带来很大影响。据统计发现，在海洋平台事故当中因桩基事故对平台造成的损失所占比例很高。虽然国外已经开展了很多关于自升式钻井平台桩基问题的研究，也取得了不少成果，但桩基稳定性仍须进一步深入研究，而国内的相关研究尚未成熟。

国内针对桩基稳性的研究较少，更缺乏相应的试验装置。为加大对桩土相互作用的研究，设计了海基土实验装置桩基试验系统。该系统可以开展常见的桩基稳性试验研究，为钻井平台在作业区域插桩、拔桩的准确预测提供了一个良好的试验平台。本次设计将充分考虑并模拟海洋平台桩靴这一结构所受到的多元载荷，搭建海基土实验平台并通过有限元分析方法，研究桩靴与土层间的相互作用。本课题也符合我国“十三五”规划中“壮大海洋经济，科学开发海洋资源”的目标，所以本课题具有重要的科研意义和实际工程的应用背景。

研究现状：

海洋平台在工作过程中会受到各种海洋环境的考验，在平台的设计和建造过程中，为了保证海洋平台作业的安全性，需要考虑各种环境外载荷，以及桩腿与海底土质之间的相互作用和平台自身的结构强度【8】。海洋平台因为自身体积庞大，结构复杂，实际研究较为复杂，现有研究主要采用有限元分析软件，对平台整体进行建模，对平台整体进行结构强度安全评估。

国内外对海洋平台的研究主要集中在三个方面：海洋平台环境载荷的研究、海洋平台结构桩与土相互作用问题的研究、海洋平台桩靴性能的研究【9】。海洋平台设计的关键问题之一就是如何计算波浪运动遭遇的环境载荷。准确的计算环境载荷是设计整个平台并保证结构安全的基础。环境载荷具有随机性，复杂多变性，通常包括波浪载荷、海流载荷、风载荷、冰载荷和地震载荷等。在我国，有许多学者长期从事海洋平台在环境载荷下的结构相应分析研究，例如房营光、褚国栋等。现代对结构桩土相互作用的研究方法主要为数值离散方法、有限差分法、有限元法和边界元法等。这几种方法在处理不同的问题的时候往往各有所长。数值离散方法在处理地基分层、地层分布的不规则性、土层的非线性特性等问题的处理上较为擅长；边界元法一般仅应用于线性分析，跟有限元法相比，边界元法通过离散桩土界面的方法来描述土性，柱被离散成梁柱单元，边界元法的运算比较经济。对桩靴的性能研究大致可分为个方面：桩靴承载力的研究、桩靴周围土体回流破坏机理的研究、桩靴穿刺现象的研究、桩靴上拔问题的研宄和桩靴基础型式的研究。桩靴周围土体回流会造成竖向承载力的减弱和桩靴底部吸力的形成，通过有限元法模拟和模型试验法研究柱靴贯入过程中孔穴的形成和土体失效的机制。桩靴穿刺现象常发生在相对软弱的土层上方有一层相对坚硬的土层的土质中，即桩靴突然快速的入泥。这方面的文献很多，计算地基土承载力的方法有很多种。20世纪80年代国外学者将吸力式筒型基础作为自升式钻井平台的新型桩靴【10】，以适用更加恶劣的海洋环境。到目前为止，国外学者对筒型桩靴和传统桩靴的特性开展了一些研究工作。