Wave loading on offshore structures founded on sand can result in partially drained response of the foundation soil. The characteristics of the rate of loading, the permeability of the soil, and the size of the foundation affect the degree of partial drainage. Partial drainage refers to situations where pore pressures develop in the soil, and the response of the soil is neither fully drained nor undrained. This thesis is concerned with the effects of loading rate, and consequent drainage, on the behaviour of a flat footing that is founded on the surface of a saturated sand base. The results of physical tests performed in the laboratory on a model-sized footing are reported. The footing was founded on oil-saturated fine sand and was subjected to combined loading. The effect of the vertical, horizontal, and rotational displacements are reported. The response of the footing is analysed in the context of existing drained foundation models that are based on work hardening plasticity theory. The rate dependency of the vertical load:deformation behaviour and the combined yield surfaces are described.

Thesis (Ph.D.) -- Australian National University, 2006.

Thesis (M. A.), Memorial University of Newfoundland, 1999. / Bibliography: p. 202-209.

Thesis (Ph. D.)--United States International University, 1990. / Includes bibliographical references (leaves 124-143).

O objetivo desta tese foi verificar a viabilidade de utilização de jatos de água verticais circulares, únicos e contínuos, provenientes da ponteira de uma estaca torpedo, para auxiliar sua instalação por peso próprio no leito marinho, através da fluidização do solo. Foram realizados ensaios de laboratório, em modelo reduzido, utilizando hastes para simular estacas torpedo (sem aletas) seguindo a lei de semelhança pelo número de Froude. Os ensaios de instalação por peso próprio, com e sem fluidização, ocorreram sem altura de queda, com a estaca modelo em contato com a superfície do leito. Trabalhou-se com três diâmetros de estacas, seis massas, quatros vazões e areia fina saturada compactada em duas densidades relativas iniciais (média e densa). Os ensaios de arrancamento, em leito arenoso fluidizado e não fluidizado, foram realizados imediatamente, 4, 24 e 48 horas após a instalação dos modelos. A metodologia de instalação proposta mostrou-se viável, quando o jateamento é aplicado desde a superfície em solo arenoso. As profundidades instaladas atingidas por fluidização (L/de > 50) foram consideravelmente superiores às profundidades cravadas por apenas peso próprio (L/de < 5). A geometria da zona perturbada durante a instalação por fluidização dos modelos, permaneceu constante e paralela ao fuste, com geometria de aproximadamente 2de em relação ao modelo, independentemente da vazão aplicada e da densidade relativa inicial do solo. A partir das leis de análise dimensional, uma expressão para a profundidade instalada das estacas modelo foi proposta, mostrando que a mesma é função do peso e da geometria do modelo, das propriedades físicas do solo e do fluido, e de sua vazão. Quanto maior a massa do modelo e a vazão aplicada e menor a densidade relativa, maior a profundidade atingida e maior a velocidade inicial de instalação. Constatou-se que a capacidade de carga axial dos modelos depende da densidade relativa, do diâmetro do modelo e do método de instalação (com e sem fluidização). Independentemente da densidade relativa inicial, o solo fluidizado convergiu para a mesma densidade relativa final, próxima as suas condições no estado crítico. As estacas em solo fluidizado apresentaram ganho resistência com o tempo (efeito de setup), com capacidade de carga inferior às estacas cravadas em solo não fluidizado. / The aim of this thesis was to investigate the feasibility of using circular vertical water jets, single and continuous, from the tip of a torpedo pile, to assist its installation by own weight on the seabed, through soil fluidization. Laboratory model tests were carried out, using tubes to simulate torpedo piles (without wings) following the law of similarity defined by the Froude number. The installation tests by the pile own weight, with and without fluidization, occurred without drop height, with the piles in contact with the surface of the bed. Three diameters of model piles and six masses, four flow rates and saturated sand at two initial relative densities (medium and dense) have been used in this set of experiments. Pullout tests in fluidized and nonfluidized soils were performed immediately, 4, 24 and 48 hours after the installation of the models. The proposed installation methodology proved to be feasible when the fluidization is applied from the surface in sandy soils. The installation depths achieved by fluidization (L/de > 50) were significantly higher than the depths reached by pile own weight (L/de < 5). The geometry of the perturbed zone during model installation by fluidization remained constant and parallel to the shaft in a geometry of about 2de of the pile model, regardless of the applied flow rate and the initial relative density of the soil. Following the laws of dimensional analysis, an expression for the embedment of fluidized piles is derived, showing that the penetration depth is a function of pile weight and geometry, fluidized water jet flow rate and velocity, as well as the soil and fluid properties. Increasing the model mass and fluidized flow rate and decreasing the relative density leads to an increase in the depth reached and the initial speed of installation. The axial load capacity of the models depends on the soil relative density, piles diameter and installation method (with and without fluidization). Regardless the initial relative density, the fluidized soil converged to the same final relative density, near its conditions of critical state. Piles installed in fluidized soil presented gain of axial capacity over time (setup effect) with lower resistance than piles driven in nonfluidized soil.

A instalação de estruturas offshore em grandes profundidades demanda avanços na área da Engenharia, principalmente quanto ao desenvolvimento de novas tecnologias associadas à ancoragem destas estruturas. O objetivo deste trabalho é analisar os mecanismos e conceitos associados à fluidização de solos arenosos com jatos de água, associando a técnica ao melhoramento do solo com agente cimentante, com a finalidade de futuramente aplicar estas técnicas em campo, na instalação e fixação de fundações e âncoras para plataformas e estruturas offshore. O trabalho é fundamentado nas pesquisas de Niven (1998) e Mezzomo (2009). O estudo foi desenvolvido através de ensaios em laboratório, sendo os ensaios de fluidização executados em tanque de acrílico de 45 x 45 cm e altura de 110 cm. Foram realizados ensaios em areia fina de granulometria uniforme (d50 = 0,18 mm). Quanto aos ensaios de fluidização, foi avaliada a influência dos parâmetros do jato (vazão e velocidade) na geometria da zona fluidizada, verificando as equações empíricas para determinar a geometria da zona fluidizada através do número de Froude das partículas (Frp) - desenvolvidas por Mezzomo (2009) - e ampliando o banco de dados dos ensaios de fluidização. Foi avaliada a influência dos parâmetros do jato (vazão) e do solo (permeabilidade e diâmetro das partículas), sobre a profundidade crítica T3. Foi definida a relação entre a profundidade crítica T3 de ensaios executados no centro e na lateral do tanque de ensaios (T3centro/T3lateral = 0,5 a 0,8). Complementarmente, foram realizados ensaios de fluidização associados à injeção de agente cimentante, através dos quais foi possível compreender a forma geral de comportamento da injeção de agente cimentante em solos arenosos. Finalmente, foram executadas provas de carga estáticas à tração em solo arenoso fluidizado e não fluidizado, e em ensaios com injeção de calda de cimento. Através destes, verificou-se uma perda de capacidade de carga entre 30 e 50% devido à fluidização do solo. Além disso, a injeção de agente cimentante resultou em aumento da capacidade de carga entre 11 e 15 vezes, em relação aos ensaios sem injeção de agente cimentante. / The installation of offshore structures in deep water demands advances in Engineering, particularly for the development of new technologies associated with the anchor of these structures. The aim of this paper is to analyze the mechanisms and concepts associated with fluidization of sandy soils with water jets, combining the technique of improvement of the soil with cementing agent in order to implement these techniques in the field for installing and arrest offshore foundations and anchors of platforms and structures, in the future. The work is based on Niven (1998) and Mezzomo (2009) researches. The study was developed through laboratory tests designed for fluidization tests carried on into acrylic tank of dimensions 45 x 45 cm and height of 110 cm. The tests were performed with uniform fine sand (d50 = 0.18 mm). About fluidization tests the influence of jet parameters (rate and speed) on the geometry of fluidized zone was evaluated, verifying empirical equations to determine the geometry of the fluidized zone through the Froude number - developed by Mezzomo (2009) - expanding the database of fluidization tests. The influence of the jet and soil parameters (rate, permeability and d50) on critical depth (T3) was carefully investigated. The relation of critical depth of the tests ran in the center and side position in the tank was found to be from 0.5 to 0.8. In addition, fluidization tests associated with injection of cementing agent were carried out to improve the understanding of the general behavior of the injection of cementing agent (cement grout) in sandy soils. Finally, static tension load tests on fluidized and no fluidized sand were performed, complemented by tests with injection of cement grout. Through these, it was found that there is a 30 to 50% loss in load capacity due to the fluidization of the soil. Furthermore, tests with injection of cement agent resulted in increasing load capacity about 11 up to 15 times, in relation to the tests without cement agent injection.

A maior parte do petróleo explorado no Brasil encontra-se em jazidas marítimas onde a lâmina d’água pode superar os 1000 metros. As descobertas recentes de novos campos de petróleo offshore têm motivado pesquisas nesta área para enfrentar os desafios tecnológicos envolvidos nos processos de exploração do óleo. Para a extração deste material, são comumente empregadas plataformas flutuantes que utilizam um sistema de ancoragem no leito oceânico para sua operação. O presente trabalho estuda uma nova técnica de instalação de âncoras para plataformas marítimas de petróleo, que serve de alternativa e/ou adaptação a técnicas já utilizadas, e que consiste na aplicação de jatos de água para remoção do solo permitindo que a âncora penetre no subleito oceânico. No desenvolvimento do trabalho foi analisado o comportamento de duas argilas (A e B), nas quais o jateamento vertical de água é utilizado para introduzir tubos metálicos na massa argilosa. Os ensaios de jateamento foram realizados em laboratório, utilizando tanques retangulares de dimensões reduzidas com paredes em acrílico, preenchidos com solo. A geometria da cavidade formada pela injeção em cada amostra argilosa foi observada através das paredes dos tanques. A influência da técnica de instalação na adesão solo-estaca foi avaliada através de provas de carga à tração, realizadas no próprio tubo usado no jateamento em cada ensaio, cujos resultados foram comparados com provas de carga em tubos instalados sem o emprego do jateamento. Nos testes com jatos são identificados dois mecanismos de erosão, característicos de argilas com alto índice de vazios: a erosão em massa e a superficial. A máxima profundidade da zona erodida não coincidiu com o eixo do tubo na quase totalidade dos ensaios. A penetração do jato no subleito do solo argiloso reduz com o aumento da profundidade do jato, e também com a resistência da argila. O diâmetro da cavidade na saída do jato sofreu redução com o aumento da profundidade. A geometria da cava erodida em cada argila mostrou ser função da velocidade e do diâmetro do jato, sendo determinadas equações empíricas para estimar suas dimensões. Após a instalação dos tubos empregando a técnica do jateamento, a redução média da adesão solo-estaca na argila A foi de 42% e na argila B foi de 41% em relação à adesão inicial. As análises dos resultados em função da velocidade do jato e da vazão indicaram pequena influência destes parâmetros na variação da adesão do solo ao tubo. / Most of all petroleum produced in Brazil is encountered in marine deposits where the water depth may exceed 1000 meters. Recent discoveries of new offshore oil fields have motivated studies in this area designed to develop new techniques applied to oil exploration. For the extraction of oil deposits floating platforms are commonly used, supported by anchorage systems on the seabed. This work examines a new technique for installing anchors for offshore oil platforms, that can work as alternatives or complement to existing techniques, and consists of applying water jets to remove the soil allowing the anchor to penetrate into the seabed. In this study, the behavior of two clays (A and B) was analyzed during vertical jets used to induce the penetration of metal tubes into the clay. The tests were performed in laboratory using small rectangular tanks with acrylic walls, filled with soil. The geometry of the cavity formed by water injection was observed through the walls of the tanks. The influence of the installation technique in the adhesion mobilized between the clay and the pile shaft was evaluated by tensile load tests, performed in the same tubes used in jetting tests, whose results were compared with load tests on tubes introduced without the jetting technique. In tests with jets two distinct erosion mechanisms have been identified which are considered characteristic of clays with a high void ratio: mass and surface erosion. The maximum depth of eroded area did not coincide with the jet centerline in almost all tests. The jet penetration in the clay bed reduces with increasing depth of the jet, and also with the resistance of the clay. The diameter of the hole at the jet outlet decreased with increasing depth. The geometry of the eroded hole in each clay was shown to be a function of jet velocity and diameter, and empirical equations were developed to estimate these dimensions. After installation of the tubes using the jet technique, the average reduction in the adhesion between the clay and the pile shaft was 42% in clay A and 41% in clay B. Analysis of the results as a function of jet velocity and flow rate indicated small influence of these parameters on the variation of soil-tube adhesion.

O objetivo desta tese foi verificar a viabilidade de utilização de jatos de água verticais circulares, únicos e contínuos, provenientes da ponteira de uma estaca torpedo, para auxiliar sua instalação por peso próprio no leito marinho, através da fluidização do solo. Foram realizados ensaios de laboratório, em modelo reduzido, utilizando hastes para simular estacas torpedo (sem aletas) seguindo a lei de semelhança pelo número de Froude. Os ensaios de instalação por peso próprio, com e sem fluidização, ocorreram sem altura de queda, com a estaca modelo em contato com a superfície do leito. Trabalhou-se com três diâmetros de estacas, seis massas, quatros vazões e areia fina saturada compactada em duas densidades relativas iniciais (média e densa). Os ensaios de arrancamento, em leito arenoso fluidizado e não fluidizado, foram realizados imediatamente, 4, 24 e 48 horas após a instalação dos modelos. A metodologia de instalação proposta mostrou-se viável, quando o jateamento é aplicado desde a superfície em solo arenoso. As profundidades instaladas atingidas por fluidização (L/de > 50) foram consideravelmente superiores às profundidades cravadas por apenas peso próprio (L/de < 5). A geometria da zona perturbada durante a instalação por fluidização dos modelos, permaneceu constante e paralela ao fuste, com geometria de aproximadamente 2de em relação ao modelo, independentemente da vazão aplicada e da densidade relativa inicial do solo. A partir das leis de análise dimensional, uma expressão para a profundidade instalada das estacas modelo foi proposta, mostrando que a mesma é função do peso e da geometria do modelo, das propriedades físicas do solo e do fluido, e de sua vazão. Quanto maior a massa do modelo e a vazão aplicada e menor a densidade relativa, maior a profundidade atingida e maior a velocidade inicial de instalação. Constatou-se que a capacidade de carga axial dos modelos depende da densidade relativa, do diâmetro do modelo e do método de instalação (com e sem fluidização). Independentemente da densidade relativa inicial, o solo fluidizado convergiu para a mesma densidade relativa final, próxima as suas condições no estado crítico. As estacas em solo fluidizado apresentaram ganho resistência com o tempo (efeito de setup), com capacidade de carga inferior às estacas cravadas em solo não fluidizado. / The aim of this thesis was to investigate the feasibility of using circular vertical water jets, single and continuous, from the tip of a torpedo pile, to assist its installation by own weight on the seabed, through soil fluidization. Laboratory model tests were carried out, using tubes to simulate torpedo piles (without wings) following the law of similarity defined by the Froude number. The installation tests by the pile own weight, with and without fluidization, occurred without drop height, with the piles in contact with the surface of the bed. Three diameters of model piles and six masses, four flow rates and saturated sand at two initial relative densities (medium and dense) have been used in this set of experiments. Pullout tests in fluidized and nonfluidized soils were performed immediately, 4, 24 and 48 hours after the installation of the models. The proposed installation methodology proved to be feasible when the fluidization is applied from the surface in sandy soils. The installation depths achieved by fluidization (L/de > 50) were significantly higher than the depths reached by pile own weight (L/de < 5). The geometry of the perturbed zone during model installation by fluidization remained constant and parallel to the shaft in a geometry of about 2de of the pile model, regardless of the applied flow rate and the initial relative density of the soil. Following the laws of dimensional analysis, an expression for the embedment of fluidized piles is derived, showing that the penetration depth is a function of pile weight and geometry, fluidized water jet flow rate and velocity, as well as the soil and fluid properties. Increasing the model mass and fluidized flow rate and decreasing the relative density leads to an increase in the depth reached and the initial speed of installation. The axial load capacity of the models depends on the soil relative density, piles diameter and installation method (with and without fluidization). Regardless the initial relative density, the fluidized soil converged to the same final relative density, near its conditions of critical state. Piles installed in fluidized soil presented gain of axial capacity over time (setup effect) with lower resistance than piles driven in nonfluidized soil.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesse estudo foram caracterizados os resíduos provenientes da atividade de exploração e produção de petróleo e gás offshore por meio de ensaios de caracterização de classes poliméricas e de análises térmicas. As amostras de resíduos offshore, após caracterizadas, foram submetidas a pirólise em atmosfera inerte a 450C. Os líquidos pirolíticos obtidos por este tratamento térmico foram caracterizados por cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massas (CG/EM) objetivando a avaliação do potencial energético destes líquidos. Os picos identificados no espectro de massas indicam a elevada geração de parafinas e olefinas. / In this study, wastes from oil and gas offshore exploration and production activities were analysed by characterization of polymeric classes and thermal analysis tests. After that, the samples of wastes generated by offshore activities were submitted to pyrolysis in inert atmosphere at 450C. The resulting liquids from this thermal treatment were characterized by gas chromatography mass spectrometry (CG/EM) in order to evaluate their energetic potential. The identified peaks in the mass spectrum show the high generation of parafines and olefines.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Nesse estudo foram caracterizados os resíduos provenientes da atividade de exploração e produção de petróleo e gás offshore por meio de ensaios de caracterização de classes poliméricas e de análises térmicas. As amostras de resíduos offshore, após caracterizadas, foram submetidas a pirólise em atmosfera inerte a 450C. Os líquidos pirolíticos obtidos por este tratamento térmico foram caracterizados por cromatografia gasosa acoplada a espectrometria de massas (CG/EM) objetivando a avaliação do potencial energético destes líquidos. Os picos identificados no espectro de massas indicam a elevada geração de parafinas e olefinas. / In this study, wastes from oil and gas offshore exploration and production activities were analysed by characterization of polymeric classes and thermal analysis tests. After that, the samples of wastes generated by offshore activities were submitted to pyrolysis in inert atmosphere at 450C. The resulting liquids from this thermal treatment were characterized by gas chromatography mass spectrometry (CG/EM) in order to evaluate their energetic potential. The identified peaks in the mass spectrum show the high generation of parafines and olefines.