FEM-modellering av cellespuntkonstruksjoner

Abstract

En cellespuntkonstruksjon består av flatspunter satt sammen i en sirkel, fylt med løsmasser. Konstruksjonen kan bestå av flere celler satt sammen med mellombuer. En slik konstruksjon eksisterer ved Kværner Verdal og benyttes til utlasting av jacketplatformer. Oppgaven tar for seg utlastingen av jacketplattformen Johan Sverdrup P1. Konstruksjonen vil kontrolleres fra et geoteknisk perspektiv. Av de mulige bruddformene er bæreevnebrudd det kritiske for dette prosjektet. Det er benyttet Plaxis 3D for å utforske muligheten til å modellere en cellespuntkonstruksjon. Ved hjelp av Plaxis 3D er bruddformer, setningsutvikling, stivhet og sikket vurdert. Det er også utført en parameterstudie som benytter seg av situasjonen ved Kværner Verdal til å utforske effekten av endring i parametere for sikkerhet, setning og deformasjon i spunter.

Resultatene for bæreevne viser at det er oppnådd en sikkerhet på 2.33. Beregnede setninger fra Plaxis 3D viser en god sammenheng med målinger fra Kværner Verdal for punkter som utsettes for last. For målepunkter uten last oppstår det urealistisk jordheving i Plaxis 3D, da det ikke har vært mulig å modellere kontinuerlig utlasting. Gjennom parameterstudie er det belyst viktigheten av gode grunnundersøkelser, slik at det er mulig å modellere stivheten til sanden riktig. Det ble bekreftet at de forskjellige kombinasjonene av kohesjon og friksjonsvinkel, oppgitt av Rambøll, gir lik skjærstyrke. De gir derimot forskjellig setningsutvikling, og det bør derfor benyttes en annen metode til å avgjøre skjærstyrken hvis setninger skal vurderes. Låsestrekket som oppstår i cellespunten er beregnet i Plaxis 3D og opptredende låsestrekk viser seg å være innenfor dimensjonerende låsestrekk for hovedcellen, men det har ikke vært mulig å beregne verdier for mellombuen. Siden det er benyttet materialmodellen Hardening Soil er stivheten til sanden vurdert, hvor det konkluderes med at alle tidligere utlastinger bør simuleres for å få en korrekt modell.

Plaxis 3D har vist seg å være et velegnet program til å modellere cellespuntkonstruksjoner, hvor setninger og sikkerhet kan vurderes. Begrensningene ved bruk av Plaxis 3D for en slik konstruksjon er modellering av enkeltspunter. Modellen bør arbeides videre med i senere prosjekter og gjerne i forbindelse med en utlasting av en ny jacket, for å gjøre tilpassede målinger under utlastingen. Ved prosjektering av en cellespuntkonstruksjon konkluderes det med at kjente metoder fortsatt er tilstrekkelig, da metodene er konservative og det kan knyttes usikkerhet til modellering av plateelementet i Plaxis 3D.

A cellular sheet pile construction consists of sheet piles connected in a circle and filled with granular soil. The construction can consist of several cells connected with arc cells. Such a construction exists at Kværner Verdal and is used to loadout jacket platforms. This report deals with the loadout of the jacket platform Johan Sverdrup P1, from a geotechnical perspective. Bearing capacity is the most critical failure mode in this project. Plaxis 3D is used to explore the possibility of modelling a cellular sheet pile construction. Failure modes, settlements, deformations and the stiffness of the soil is considered in Plaxis 3D. ItΣs also performed a parametric study with the situation at Kværner Verdal as a case, where the effect on safety, settlement and deformations resulting from a change in parameters are observed.

The results for bearing capacity gives a factor of safety of 2.33. Calculated settlements from Plaxis 3D is comparable to the measurement data from Kværner Verdal for all points that are subjected to a load. For measurement points that are not subjected to a load an unnatural soil heave is calculated in Plaxis 3D, since it is not possible to model the continuous loadout. The parametric study illustrates the importance of accurate soil investigations, so it is possible to model the stiffness of the soil correctly. It was confirmed that the different combinations of cohesion and friction angle, given by Rambøll, gives the same shear strength. On the other hand, the combinations give different settlements, and therefore a different method to decide shear strength should be used if the settlement of the soil is to be considered. The interlock tensions that occur in the cellular sheet pile wall is calculated, and the occurring interlock tension is well within the critical interlock strength for the main cell, but it has not been possible to find values for the arc cell. The stiffness of the soil is considered, since the material model Hardening Soil is used. It is concluded that all earlier loadouts should be included and simulated to result in an accurate model.

Plaxis 3D has proven to a well-suited program for modelling cellular sheet pile constructions, where settlements and safety factors can be evaluated. The limitations in Plaxis 3D for this kind of structure is the inability to model single sheet piles. The work with the model should continue in new projects, preferable in combination with a loadout of a jacket platform, this will make it possible to take the necessary measurements to confirm the model. For design of cellular sheet pile constructions, the existing methods are conservative and adequate, there are still some uncertainties about the way the plate element is modelled in Plaxis 3D.