Finite element analysis of spudcan penetration on layered clay deposits

The offshore industry has been growing by leaps and bounds as the solid demand for energy from oil and gas to wind has grown rapidly over the last century. Mobile jack-up platforms remain one of the major tools in the offshore industry due to its capability of self-installation and to be operational in all weather conditions. Before locating the mobile jack-up platforms to the offshore fields, a site-specific structural and geotechnical assessment is fundamental to evaluate the jack-up leg penetration during installation in order to estimate load-penetration response of spudcan foundations and sudden changes in soil reaction which can induce tilting of the jack-up platforms, particularly in multi-layered soils. The main guidelines in the offshore industry are based on traditional semi-analytical bearing capacity analysis used for onshore application to assess spudcan penetration considering wished-in-place method, which is relatively simple to implement for single layer profiles. However, particular attention should be devoted for the multi-layer profiles since the guidelines do not take the continuous spudcan penetration process into account. Various large deformation numerical analysis such as Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE), Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) and Material Point Method (MPM) were carried out in order to correctly model the continuous spudcan penetration and to evaluate spudcan bearing capacity in multi-layered profiles. Yet, these advanced methods are in general not available or common for engineering practices due to relatively high computational demand and relatively complex implementation into available standard FE codes. This study presents three numerical modelling approaches based on both small deformation finite element analyses (Wished-In-Place approach and Press-Replace Method) and the large deformation finite element analysis (Particle Finite Element Method). Furthermore, a case study from the literature in an offshore area located in the Gulf of Mexico is conducted using WIP, PRM and PFEM.

La domanda di energia è cresciuta rapidamente nel corso dell'ultimo secolo e con essa l'industria offshore. Le piattaforme mobili, note come jack-up-rig, sono uno dei principali strumenti nel settore offshore, grazie alla loro flessibilità e capacità di essere operative in diverse condizioni meteorologiche. Prima del posizionamento definitivo di queste piattaforme mobili, una valutazione strutturale e geotecnica in sito relativa alla relazione tra carico e spostamento delle fondazioni, denominate spudcan, è fondamentale per valutare la stabilità della struttura. In particolare, nella fase di installazione si effettua un precarico per consolidare il terreno. Questa fase risulta essere una delle piu’ critiche, per via dei potenziali meccanismi di collasso che possono svilupparsi a seconda del tipo di terreno. Le procedure standard di valutazione del jack-up e del comportamento di penetrazione del carico dello spudcan utilizzate generalmente in ambito offshore sono basate sulla tradizionale analisi semi-analitica della capacità portante. Queste analisi sono di semplice applicazione per stratigrafie omogenee, ma risultano di complessa applicazione in caso di profili stratigrafici eterogenei. Le linee guida inoltre non tengono conto del processo di penetrazione continua dello spudcan. Nonostante in letteratura siano stati proposti diversi approcci numerici in deformazioni finite (es. Arbitrary Lagrangian-Eulerian, Coupled Eulerian-Lagrangian e Material Point Method) per modellare correttamente la penetrazione continua dello spudcan e per valutare la capacità portante dello spudcan nei profili stratificati, tuttavia questi metodi non sono generalmente disponibili per la pratica ingegneristica. Ciò è dovuto all’onere computazionale relativamente elevato e alla difficoltà di implementazione in codici ad elementi finiti standard. Questo studio presenta tre approcci di modellazione numerica basati sia su analisi agli elementi finiti in piccole deformazioni (approccio Wished-In-Place -WIP- e metodo Press-Replace -PRM), sia su analisi agli elementi finiti in grandi deformazioni (Particle Finite Element Method - PFEM). I metodi sono stati applicati per affrontare un caso di studio tratto dalla letteratura in un'area offshore situata nel Golfo del Messico.