深海锚固结构在海床中的嵌入机理、破坏模式和动力行为

Deepwater anchors are key elements in a deepwater mooring system, and the technique around deepwater anchors is becoming a main obstacle of deepsea space utilization and deepsea resource exploitation for China. A systematic study on the penetration mechanism, failure mode and kinematic behavior of deepwater anchors is not only the scientific foundation of deepwater anchorage techniques, but also an important part of the science of offshore engineering especially of offshore geotechnical engineering. By utilizing experimental, theoretical and large deformation numerical methods, five important topics will be investigated in the present study, including key techniques and analytical models during anchor installation, the comprehensive kinematic mechanism and behavior of deepwater anchors in the seabed, tension transmitting and profile properties of the embedded mooring (installation) line, the ultimate and long-term cyclic pullout capacities of the anchor, and measurement techniques and methods for experimentally investigating deepwater anchors. The present study aims to solve two fundamental but particular scientific problems related to deepwater anchors, one is to explore the mechanism and property of the deeply embedded structure-seabed-mooring (installation) line coupling system and then to describe the comprehensive kinematic behavior of deepwater anchors, and the other is to explore the failure mechanism and mode of the structure deeply embedded in the seabed and then to describe the ultimate and cyclic pullout capacities of deepwater anchors under complicated loading conditions. The present study is believed to be strategically important to the research and development of deepsea anchorage techniques for China moving to deep and far seas in the future.

深海锚固结构是深海系泊系统的核心，是制约我国海洋空间利用和海洋资源开发迈向深海的一大瓶颈。对深海锚固结构在海床中的嵌入机理、破坏模式和动力行为开展研究，是深海锚固技术的科学基础，也是海洋工程尤其是海洋岩土工程科学的重要内容。通过综合运用实验、理论和大变形数值模拟方法开展五项研究，包括：锚在安装过程的关键技术与分析模型，锚在海床中的复杂动力学机理与行为，系泊（安装）缆绳在海床中的输力及变形规律，锚的极限承载特性及在长期、循环载荷作用下的承载性能，以及深海锚固结构模型实验的测量技术和方法，试图解决两个具有特殊性的科学问题，一是揭示深嵌结构-海床-系泊（安装）缆绳耦合作用的机理和规律，描绘锚固结构在海床中的复杂动力行为；二是揭示深嵌结构在海床中的失效机理和破坏模式，描绘锚固结构在复杂载荷条件下的极限承载和循环承载行为。该研究对于促进我国深海锚固技术的自主研发并推动其走向深海工程应用具有战略意义。

深海锚固结构是深海系泊系统的核心，是制约我国海洋空间利用和海洋资源开发迈向深海的瓶颈之一。对深海锚固结构在海床中的嵌入机理、破坏模式和动力行为开展研究，是深海锚固技术的科学基础，也是海洋工程尤其是海洋岩土工程科学的重要内容。本项目以国际上深海锚固结构的前沿技术—新型拖曳锚和重力贯入锚为基本研究对象，同时兼顾考虑其它锚固结构如桩锚、吸力锚和吸力嵌入式板锚，综合运用实验、理论和数值研究方法，对锚固结构在海床中的嵌入机理、破坏模式和动力行为开展了系统研究。项目主要涉及的两类锚固结构既不同于传统的锚固结构（如吸力锚和桩锚），属于典型的深嵌结构，其主要的动力行为完全发生在海床深处；更不同于一般的嵌入式海洋基础结构（如管桩、沉箱和桶形基础），其动力行为完全受系泊（安装）缆绳的牵引和控制。由此，无论在结构-海床耦合作用机理还是在结构的失效机理和破坏模式上，均体现出很强的特殊性、新颖性和复杂性。研究内容包括五个部分，即：锚在安装过程的关键技术与分析模型，锚在海床中的复杂动力学机理与行为，系泊（安装）缆绳在海床中的输力及变形规律，锚的极限承载特性及在长期、循环载荷作用下的承载性能，以及深海锚固结构模型实验的测量技术和方法。通过开展上述研究，对深海锚固结构在安装和系泊状态的关键科学问题取得了重要的研究进展，基本掌握了深海锚固结构的核心和关键技术，建立起完整的可对锚在海床中复杂动力行为进行预测的分析模型，实现了总体研究目标。项目研究创新突出，产出丰富，大多数成果在相关领域的国际著名期刊发表，在整体上处于国际领先或前沿研究水平。该项目成果不仅有助于推动国际海洋岩土工程科学研究的发展和繁荣，也对促进我国深海锚固技术的自主研发并推动其走向深海工程应用，具有重要意义。