自升式平台是海洋石油勘探与开发的重要装备,在海洋油气开发中已被广泛应用。由于海底地质条件复杂和平台作业水深增加等因素的影响,对自升式平台的运营安全和研制成本提出了更高的要求。提升平台作业安全性,优化平台结构,降低研制成本,对于提升该类装备的市场竞争力有着重要的意义,已引起业界的广泛关注。本文以辽宁省科技重大专项“350英尺自升式钻井平台研制”为依托,选取自升式平台海底层状土承载力、平台插桩入泥深度、平台拔桩阻力、桩腿结构构型等为研究对象,以提升作业安全性,降低研制成本为目标,开展以下研究工作:1)鉴于传统地基承载力计算方法在处理参数复杂的海底地质条件下的局限性,开展浅基础地基极限承载力的经验计算方法及其适用性研究。依据土壤弹塑性力学性征,对承压土层以滑移破坏面为边界进行区域划分,基于极限平衡理论,对承压地基进行力学平衡求解,从理论上研究地基土主动区、过渡区和被动区的土体应力和应变行为。通过研究单层不同质土壤的极限承载力计算方法,给出一种新的圆形浅基础站立于层状海洋地基土,在不同失效模式下的承载力计算方法。2)针对自升式平台因插桩深度的预估不足可能导致刺穿的隐患,开展桩靴与土体相互作用机理研究。考虑桩靴与土体相互作用涉及到的非光滑摩擦准则、土体大变形和材料非线性等力学特性,构建有限元模型,模拟平台插桩时桩土相互作用及土体的破坏过程。计及桩靴形状特点、插桩过程和桩坑深度等因素的影响,修正桩靴入泥深度规范计算公式,给出一种实用的入泥深度计算方法。采用经验公式、数值模拟和实验技术对桩靴入泥过程进行分析,并与修正的规范公式计算结果进行比较,结合平台实际作业井位记录的插桩深度,验证有限元方法计算的准确性和修正公式计算的实用性。3)针对平台拔桩阻力预估不足可能导致的安全隐患,基于桩-土相互作用机理和流-固耦合理论,考虑桩周土体回填后淤积固结强度等因素的影响,对平台在典型区块拔桩过程中土体运动、土体破坏和孔隙水压变化等进行研究。采用经验公式和有限元方法,对典型井位的拔桩阻力进行计算比较,重点研究土体孔隙压力、冲桩和上顶力等因素对基底吸附力的影响,给出不同持力层的吸附力和冲桩效果对比分析结果,提出拔桩阻力有效的计算方法,结合实际井位拔桩阻力数据比较,验证方法的有效性。4)针对自升式平台因作业水深增加所带来的桩腿结构柔性凸显的问题,以母型桩腿为参考,对自升式平台桩腿结构构型进行研究。在风洞中按1/100缩尺比模型进行五分量测力试验,获取目标平台的风载荷数据。基于STOKES五阶波理论,通过SESAM软件计算获取波流载荷。通过模态分析,获取计及DAF效应和P-△非线性效应的惯性载荷。以拖航和自存工况下桩腿总强度的满足为校核条件,选取桩腿节距和弦管间距进行离散,结合参数化建模技术,对自升式平台在拖航工况和自存工况下的14种构型的桩腿总强度进行综合评估,以降低桩腿重量,提高经济性为目标,对现有平台桩腿结构形式进行优化,给出优化后的桩腿参数,形成自升式平台桁架式桩腿结构选型方法。