CN102708302A - 考虑锚链与土体作用的深海锚固基础承载力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海上锚固基础系泊技术领域，涉及一种考虑锚链与土体作用的深海锚固基础承载力计算方法，包括：将锚固系统分解为锚链与土体相互作用体系及吸力锚与土体相互作用体系，获得锚链初始形态方程，建立锚链线深入土体中的初始状态模型；建立锚链与土的相互接触体系；确定出土端的荷载和锚固端荷载的关系；建立吸力锚与如上之土体的相互作用之模型关系，绘制吸力锚的P-S曲线，即力和位移的关系曲线，得到吸力锚的破坏荷载，亦即锚固位置处的荷载的极限值；确定锚固极限荷载。本发明可以清楚直接的反应锚链入土后其与土体间的力学响应。能够更加准确的确定不同土性作业条件下的极限承载力。

Description

考虑锚链与土体作用的深海锚固基础承载力计算方法

技术领域

本发明属于海上锚固基础系泊技术领域，涉及一种深海锚固基础承载力计算方法。

背景技术

当下时代和未来一段可预料的时间里，石油资源依然作为主要能源，但陆上石油资源可开采量日益减少，因此，向海上寻求石油资源的速度日益加快，特别是深海石油的开采越来越多。但是深海作业条件较为复杂，不确定性较多。深海石油平台在作业过程中，往往需要对其进行锚固。锚固方式以采用锚链或者系泊缆将海上平台锚固为主。通过锚固可以增加上部结构的稳定性，加强其对复杂工况的适应性。锚固主要是需要锚链将上部结构系泊于锚固基础。锚链需在海洋土体中有一定埋深。因此研究锚链的力学性能及其与海洋土体的相互作用及其对最终承载力的影响就显得十分重要。

对于锚链自身的力学性能，之前一般使用悬链线方程（一种计算锚链力学响应的方程）来计算锚链受力响应的情况，对于锚链与土体相互作用关系，采用过模型试验和理论分析的办法对其进行模拟和计算。但是进行上述实验所需成本很高，且实验所取得的数据有限，不能反映土性变化对这一过程的影响。且试验的可重复性难度很大。由于土与锚链相互作用的复杂性，理论计算方式存在较明显的缺陷，不便于结果的实际应用，且输出的结果不易于直观显示。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种能够有效提高计算的准确性和可行性，评价深海锚固基础的稳定性的深海锚固基础承载力计算方法。本发明的技术方案如下：

一种考虑锚链与土体作用的深海锚固基础承载力计算方法：

1)将锚固系统分解为锚链与土体相互作用体系及吸力锚与土体相互作用体系，首先求解锚链与土体的响应并确定锚固位置处的反力，根据悬链线方程获得锚链初始形态方程，建立锚链线深入土体中的初始状态模型；

2)建立锚链与土的相互接触体系：根据锚链线深入土体中的初始状态模型，做出土体与锚链的摩擦接触界面，建立二者之间的摩擦接触，并限制锚链在土体之中的位移，待建立好该摩擦接触之后，在锚链出土端施加荷载;

3)锚链深入土体之后，存在出土端和土层之中的锚固端，不断调整出土端的荷载值，提取相应的锚固端的荷载响应值，确定出土端的荷载和锚固端荷载的关系。

4)在仿真数值模拟界面时，考虑锚链深入土体之后，影响土体原始的自重应力场并且产生锚链影响之后的应力场，建立吸力锚与如上之土体的相互作用之模型关系，在吸力锚的锚固位置不断施加荷载，同时提取得到吸力锚的位移值，据此，绘制吸力锚的P S曲线，即力和位移的关系曲线，通过该曲线，可以得到吸力锚的破坏荷载，亦即锚固位置处的荷载的极限值;

5)根据第三步得到的出土端力值和锚固端力值的关系曲线，确定对应的出土端的荷载值，即为此种工况条件下的锚固极限荷载。

本发明使用数值模拟方法来研究海上锚链锚固的力学响应，得到深海锚固基础与海洋土体之间的相互作用关系，从清楚直接的反应锚链入土后其与土体间的力学响应。并可以通过此方法能够更加准确的确定通过锚链（系泊缆）锚固于吸力锚的作业状态在不同土性作业条件下的极限承载力。

具体实施方案

本发明采用数值模拟的方式来模拟锚链的力学性能及其与土体的相互作用机理，提出了一套模拟锚链与土相互作用的模拟方法。在数值模拟界面中，将土体—锚链和锚固基础三者进行拆分处理，该方法需对锚链和土体进行建模分析，锚链深入土体，与土体存在摩擦响应，这就需要在界面中做出土体与锚链的摩擦接触界面，使二者进行有效的摩擦契合。在数值模拟中，采用接触的方式建立摩擦接触界面，建立二者的相互影响关系。进而求解受荷后锚链与土体相互作用的力学响应，求取深海锚固基础承载力。

在此锚固基础以吸力锚形式为例。具体方法如下：

1.将锚固系统分解为锚链与土体相互作用体系及吸力锚与土体相互作用体系，首先求解锚链与土体的响应并确定锚固位置处的反力，根据悬链线方程获得锚链初始形态方程，建立锚链线深入土体中的初始状态模型。

2.建立锚链与土的相互接触体系。锚链深入土体，与土体存在摩擦响应，这就需要在界面中做出土体与锚链的摩擦接触界面，使二者进行有效的摩擦作用。这一步是确定承载力中较为重要的一步，建立好锚链与土体模型之后，建立二者之间的摩擦接触，并限制锚链在土体之中的位移，待建立好该摩擦接触之后，在锚链出土端施加荷载。

3.锚链深入土体之后，存在出土端和土层之中的锚固端，在第2步骤之后，提取相应的锚固端的荷载响应值，并且不断调整出土端的荷载值，相应提取锚固端的荷载值，藉此确定出土端的荷载和锚固端荷载的关系。

4.锚链深入土体之后，必定影响土体原始的自重应力场，并且同时产生了锚链影响之后的应力场，吸力锚即在该应力场条件之土体中进行锚固作业任务，在仿真数值模拟界面中，建立吸力锚与如上之土体的相互作用之模型关系，在吸力锚的锚固位置不断施加荷载，同时提取得到吸力锚的位移值，据此，绘制吸力锚的P S曲线，即力和位移的关系曲线，通过该曲线，可以得到吸力锚的破坏荷载，亦即锚固位置处的荷载的极限值。

5.根据第三步得到的出土端力值和锚固端力值的关系曲线，确定对应的出土端的荷载值，即为此种工况条件下的锚固极限荷载。

对于不同海区，不同地质条件的区域其土性条件必然不相同，在不同土性条件下进行海上锚固，都可以采用的数值模拟方法对其进行模拟。且模拟过程相对简单。只需要在建立的模型之上调整土性参数和锚链形式就可以达到要求，便于工程技术人员学习掌握。且对于不同形式的锚链（系泊缆）形式亦可以进行反复模拟。通过数值模拟的方式可以直观得观察到锚链入土后其与土体之间的相互作用关系，得到相应的土体的力学响应。可以相对节省不同海区试验的高昂成本。且结果以图像形式反映，更为直观的反映出这一模型的响应结果。不同海区赋予土层不同参数，即可得到不同施工作业区域的土体响应，亦可按照技术方案中所论得到该种条件下的锚固极限承载能力，确保施工作业的安全。亦即针对不同海区采用该方法进行数值模拟计算，可以得出土体响应以及锚固基础极限承载等诸多直观有益结论。

采用本发明的针对南中国海海洋地质条件深海锚固研究采取了上述仿真模拟，得到南中国海之锚固响应以及南中国海地质条件下的极限承载力。在仿真模拟界面中采用上述方法，对土体输入南中国海海洋土体特征参数，对锚固基础极限承载力及锚链锚固体系对海洋土体之相互联系和影响做了相应分析。

Claims (1)

1.一种考虑锚链与土体作用的深海锚固基础承载力计算方法

1)将锚固系统分解为锚链与土体相互作用体系及吸力锚与土体相互作用体系，首先求解锚链与土体的响应并确定锚固位置处的反力，根据悬链线方程获得锚链初始形态方程，建立锚链线深入土体中的初始状态模型；

2)建立锚链与土的相互接触体系：根据锚链线深入土体中的初始状态模型，做出土体与锚链的摩擦接触界面，建立二者之间的摩擦接触，并限制锚链在土体之中的位移，待建立好该摩擦接触之后，在锚链出土端施加荷载;

3)锚链深入土体之后，存在出土端和土层之中的锚固端，不断调整出土端的荷载值，提取相应的锚固端的荷载响应值，确定出土端的荷载和锚固端荷载的关系。

4)在仿真数值模拟界面时，考虑锚链深入土体之后，影响土体原始的自重应力场并且产生锚链影响之后的应力场，建立吸力锚与如上之土体的相互作用之模型关系，在吸力锚的锚固位置不断施加荷载，同时提取得到吸力锚的位移值，据此，绘制吸力锚的P-S曲线，即力和位移的关系曲线，通过该曲线，可以得到吸力锚的破坏荷载，亦即锚固位置处的荷载的极限值;

5)根据第三步得到的出土端力值和锚固端力值的关系曲线，确定对应的出土端的荷载值，即为此种工况条件下的锚固极限荷载。