动力贯入锚的沉贯调节过程及承载力

Mooring system plays a key role in guaranteeing the safe operation of offshore floating platforms. Among all kinds of applied mooring anchors, dynamically penetrating anchors have been shown to provide a cost-effective alternative to others in deep water. These anchors are torpedo or rocket shaped and are designed so that after release from a designated height above the seafloor, will penetrate to a target depth in the seabed by the kinetic energy obtained from the anchors' free-fall and self-weight. The advantages of dynamically penetrating anchors include high bearing capacity, deep penetrating depth, and especially fast and cost-effective in installation. The aim of this project is to reveal the behaviors and mechanisms of the soil-structure interaction in the penetrating and keying processes of dynamically penetrating anchors, by associating the reuslts of centrifuge experiments, large deformation numerical analyses and theratical analyses. A robust and accurate numerical model is to be developed to simulate the soil-structure interaction considering the efftects of strain rate hardening, strain softerning and consolidation. Finally methods and equations to predict the embedment depth and ultimate bearing capacity of these anchors are to be proposed. . Furthermore, shape optimization of the dynamic anchors will be carried out to improve the ultimate embedment depth and bearing capacity. The soil-structure interation is one of the popular and difficult problems in recent offshore geotechnical research. The research results on dynamically penetrating anchors will help to promote the ability of independent innovation of deepwater oil/gas exploration and development and provide scientific and technological support for the construction of deepwater platforms for our nation. Thus, this study has important significances in both geotechnical research and practical engineeing.

锚固系统作为浮式海洋平台的重要组成部分，对保证平台安全运行至关重要。在众多型式的锚固基础中，动力贯入锚在重力作用下在水中自由下落并贯入海床，具有安装简便快捷、贯入深度大、承载效率高等优点，尤其能够大大节省安装成本，近十年来在海洋工程中越来越受欢迎。本研究从我国深海工程建设的实际需求出发，采用离心机模型试验、数值模拟和解析分析相结合的手段，全面揭示动力贯入锚沉贯和调节过程中土与结构相互作用的机理和规律，建立考虑应变速率硬化、应变软化和固结的基础与水土介质相互作用大变形数值计算模型，提出动力贯入锚沉贯深度和极限承载力预测模型。同时引入结构优化理论，对动力贯入锚形状进行拓扑优化。土与结构相互作用是当前海洋岩土工程研究的热点和难点问题之一，动力贯入锚承载力相关研究成果有助于提高我国深海油气工程的研究设计水平和自主创新能力，因而本项目具有重要的理论意义和应用价值。

锚固系统作为浮式平台的根基，对保证平台安全运行至关重要。在众多型式的锚固基础中，动力贯入锚是一种自安装锚固基础，通过在水中自由下落并贯入海床，具有安装简便快捷、贯入深度大、承载效率高等优点，能大大节省安装成本。本项目根据申请书中拟定的研究内容和研究方案开展研究，经过四年的努力，取得了如下研究成果。(1) 发现矩形基础的极限承载力随着埋深的增加而增加，没有承载力的极限埋深。建议了一个可计算均质黏土中包括薄板基础在内的任意长宽比的矩形基础在较大埋深情况下的承载力系数公式；(2) 建立了基于能量法的动力锚沉贯深度预测模型，提出了基于微分方程预测沉贯深度的理论分析方法，标定了计算模型中各参数的取值方法，探讨了各参数的影响规律；(3) 建立了FFP端部承载力系数、端部和侧壁率效应参数及拖曳系数的表达式，并提出了土体不排水抗剪强度的预测方法；(4) 提出了一套新的考虑多参数的锚板抗拔承载力计算公式；(5) 提出了基于锚链方程和锚链屈服包络面的分析土中锚链反悬链线形状的新方法，并据此提出了用于测量锚在土中运动轨迹和承载力的装置及其方法，并获得国家发明专利；(6) 探明了OMNI动力锚和SEPLA受到上拔力下潜的规律和内在机理以及承载力特性，建议了最优的锚眼偏移角以及泥面处的上拔角；(7) 提出了推进器的概念，能大幅提高动力锚的水动力学特性和沉贯深度，并获得了国家发明专利；(8) 在土力学和流体力学两个框架内改进了海底滑坡对悬跨管道作用的计算公式和包络面方程，该公式能更准确地估算任意冲击角度悬浮管线受到的法向和轴向冲击力；(9) 系统研究了土石混合体的微宏观特性，建立了二元混合体的宏细观剪切特性的联系，阐明了土石混合体峰值和残余抗剪强度的组构异性机制。本项研究全面揭示了动力贯入锚沉贯和调节过程中土与结构相互作用的机理和规律，建立考虑应变速率硬化、应变软化的基础与水土介质相互作用大变形数值计算模型，提出动力贯入锚沉贯深度和极限承载力预测模型。相关研究成果有助于提高我国深海油气工程的研究设计水平和自主创新能力。发表国际期刊论文16篇，中文核心期刊论文5篇，国际会议论文3篇，获批国内发明专利3项，实用新型专利1项，通过PCT认证且正在申请进入主权国家专利1项。