CN113772017B - 一种深海重力式裙板锚的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种深海重力式裙板锚的设计方法，首先根据现场空间尺寸确定压载块尺寸，再根据压载块尺寸计算水平抗滑力和水平压载力，然后计算所需贯入深度和贯入重量，最后在进行复核。依据设计计算思路清晰、简单，易于工程计算人员掌握。本发明设计出的的深海重力式裙板锚通过重力而不是通过负压将裙板静压至设计深度；在承载过程中，裙板以及压载重物可同时提供抗滑以及抗拔力；配重块保证裙板锚贯入至设计深度。该锚固基础锚固效率较高，尺寸和重量合理，解决深海施工中的临时锚固问题。

Description

一种深海重力式裙板锚的设计方法
技术领域
本发明涉及深海临时锚固基础设计的技术领域，尤其涉及一种深海重力式裙板锚的设计方法。
背景技术
随着我国南海油气资源的开发，各种海洋结构物的种类和数量与日俱增。特别是近年来，我国南海的深水开发面临着很多技术难题。在深水当中，多为浮式海洋结构物，目前，国际上广泛使用的系泊锚具包括：平板锚、吸力锚、桩锚、拖曳嵌入锚、重力安装锚、重力锚等。
其中大抓力锚由于抓重比高，安装简便常常被用作临时锚固基础。但是，大抓力锚需要的较大安装空间的安装条件，在实际工程中有时无法得到满足；吸力锚的技术门槛相对较高，制造和安装回收费用较高；桩锚的安装需要调动大型安装设备，安装费用居高不下；平板锚、重力安装锚等锚型均有一定的专利障碍，临时锚固采用上述锚型在经济上显然不合理。在这种情况下，重力锚因其低廉的造价，简单的安装回收流程，成为临时锚固基础的一个良好选择。
重力锚因具有适用土质条件范围广、可以重复利用的特点而广泛应用；但是，重力锚的抓重比较小，锚固效率低；此外，我国南海的深海环境，其10米以内以粉质粘土为主，表层土体强度低，采用这种锚固形式，设计得到的锚固基础往往尺寸大，重量高，给运输安装造成很大的困难。因此，本发明提出了一种重力式裙板锚的设计计算方法，该锚固基础锚固效率较高，尺寸和重量合理，解决深海施工中的临时锚固问题。
发明内容
本发明旨在一定程度上解决上述技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种深海重力式裙板锚的设计方法，可用于设计深海重力式裙板锚，该方法简便可靠。
本发明提供了一种深海重力式裙板锚的设计方法，其特征在于，所述重力式裙板锚包括有十字支撑、裙板、压载块、吊架和配重块，所述压载块的四周包设有所述裙板，所述裙板的内部固定有所述十字支撑，所述压载块上固定有所述吊架，所述吊架上放置有所述配重块，其设计方法包括如下步骤：
a、根据运输安装的要求确定所述压载块的长度和宽度；
b、计算所述压载块的水平抗滑力He，采用地勘报告推荐的设计参数，根据API规范中的方法，根据步骤a中所述压载块的长度和宽度尺寸，用公式(1)计算所述水平抗滑力He，He＝Asu0 (1)，其中A＝压载块的面积；su0为地勘报告推荐的不排水强度；
c、计算所述裙板水平承载力Hs，根据设计要求的水平承载力减去步骤b中计算的水平抗滑力He，得到所述裙板水平承载力Hs；
d、计算所述裙板的入泥深度H，根据步骤c中所述裙板水平承载力Hs，用公式(2)计算得到所述裙板的入泥深度H，
其中，L为压载块的长度，H为裙板的入泥深度，suave为入泥深度范围内的不排水强度；α在粘土中取0.8。Hs为裙板水平承载力；
e、计算贯入重量，根据步骤d中所述裙板的入泥深度H，按照地勘报告推荐的上下限，计算所述重力式裙板锚贯入设计深度所需要的总贯入阻力Qtot，
Qtot＝Qside+Qtip (3)
Qside＝ΣAsideα·su(z) (4)
Qtip＝(Ncsu,tip+γ′·z)·Atip (5)
其中，Qtot为总贯入阻力，Qside为侧摩阻，Qtip为端阻，Aside为裙板2的内外侧总面积，α为粘着系数，su(z)为深度z处的不排水强度，Nc为承载力因数，su,tip为设计深度处的不排水强度，γ′为浮容重，z为设计贯入深度，Atip为裙板2的端面积；
f、根据承载和吊装要求，利用有限元进行局部强度计算，设计所述十字支
撑和所述吊架，形成所述重力式裙板锚；
g、采用地勘报告推荐的设计参数，利用H-V-M法对重力式裙板锚的承载性能进行评估，对步骤f中形成的所述重力式裙板锚的结构进行优化；
h、贯入阻力复核，对优化后所述重力式裙板锚重新计算贯入阻力；
i、考虑土体参数的不确定性，校核重力式裙板锚的贯入阻力，计算所需的所述配重块。
进一步，所述深海重力式裙板锚为箱式结构，，所述压载块上固定有所述吊架，所述吊架上设置有配重槽。
进一步，吊架均布有多个吊耳，所述压载块上布设有多个溢水孔。
进一步，所述配重块上设置有吊耳。
进一步，所述十字支撑的高度为所述裙板高度的1/3
本发明的有益效果：本发明针对的深海重力式裙板锚通过重力而不是通过负压将裙板静压至设计深度；在承载过程中，裙板以及压载重物可同时提供抗滑以及抗拔力；配重块保证裙板锚贯入至设计深度。本发明提出的一种深海重力式裙板锚的设计方法，首先根据现场空间尺寸确定压载块尺寸，再根据压载块尺寸计算水平抗滑力和水平压载力，然后计算所需贯入深度和贯入重量，最后在进行复核。依据设计计算思路清晰、简单，易于工程计算人员掌握。
附图说明
图1为本发明一种深海重力式裙板锚的设计方法设计的深海重力式裙板锚分解图；
图2为本发明一种深海重力式裙板锚的设计方法设计的深海重力式裙板锚三维结构图；
图3为本发明裙板承载特性图；
图中，1-十字支撑，2-裙板，3-压载块，4-吊架，5-配重块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
本发明提供实施例一种深海重力式裙板锚的设计方法，图1、2分别为重力式裙板的分解图和整体图；由图1、2可知重力式裙板具有重力锚和裙板两种锚固基础的特征，可以获得更大的水平抗力，进而增加锚固效率。
本发明实例研究重力式裙板设计计算方法，包括如下步骤：
第一步：本次设计，根据运输和安装的要求，锚固基础长，宽不超过6m，因此选择6米的正方形作为压载块3的尺寸。
第二步：首先，利用式(1)计算压载块3所能提供的水平承载力；
He＝Asu0 (1)
其中A＝压载块3的面积；su0地勘报告推荐的不排水强度，Su＝3.0+3.0z(kPa)；He压载块3所能提供的水平承载力，得到压载块3所能提供的水平抗力为10.8吨。
第三步：本次计算设计承载力为48吨，裙板2需要提供的水平承载力为，
Hs＝48-10.8＝37.2吨
第四步：利用式(2)计算裙板2的入泥深度，
其中，L为压载块3的长度，H为裙板2的入泥深度，suave为入泥深度范围内的不排水强度；α在粘土中取0.8。Hs裙板2需要提供的水平承载力。
根据上式得到，裙板2的入泥深度为3m。
第五步：采用本次工程的不排水强度的上下限，计算将裙板2贯入到设计深度所需要的重力的大小。
裙板的总贯入阻力为，
Qtot＝Qside+Qtip (3)
裙板2所提供的侧摩阻为，
Qside＝ΣAsideα·su(z) (4)
裙板2所提供的端阻为，
Qtip＝(Ncsu,tip+γ′·z)·Atip (5)
其中，Qtot为总贯入阻力；Qside为侧摩阻；Qtip为端阻；Aside为裙板2的内外侧总面积；α为粘着系数；su(z)为深度z处的不排水强度；Nc为承载力因数；su,tip为设计深度处的不排水强度；γ′为浮容重；z为设计贯入深度；Atip为裙板2的端面积。
根据上述方法，得到本次计算，不排水强度上、下限条件下的贯入阻力见表1。根据计算结果，得到本次重力式裙板的总重量为71吨。
第六步：利用H-V-M法对重力式裙板的承载特型进行校核，计算结果见图3。从图中可见，设计值在现有设计得到的破坏包络线范围之内，说明本设计可以满足本次的设计要求；
第七步：采用有限元法，进行局部强度校核，设计内部十字结构，以及顶部十字吊架4。
第八步：根据内部十字支撑1的尺寸，重新计算贯入力，确定锚固基础重量，计算结果见表3，从表中可见，本次重力式裙板的最终重量为85.4吨。
第九步、考虑土体参数的不确定性，考虑将不排水强度上限提高10％，得到重力式裙板的贯入阻力提高8吨，需预备8吨配重块51块。
表1不考虑内部结构的重力式裙板的贯入阻力
表2考虑内部结构的重力式裙板的贯入阻力
在本次实施例中，深海重力式裙板为箱式结构，压载块3上固定有吊架4，吊架4上设置有配重槽。吊架4均布有多个吊耳，压载块3上布设有多个溢水孔。配重块5上设置有吊耳。十字支撑1的高度为裙板2高度的1/3.
本发明专利具有以下优点及积极效果：本发明提出了锚固效率较高，尺寸合理的重力式裙板的重力式裙板通过重力而不是通过负压将裙板2静压至设计深度；在承载过程中，裙板2以及压载重物可同时提供抗滑以及抗拔力；配重块5保证裙板贯入至设计深度；十字支撑1的高度仅约为裙板2高度的1/3,减少了贯入阻力；十字吊架4的设计提高了吊装的安全性能。在此基础上，提出了相应的设计计算方法，具有可操作性强，设计计算思路清晰、简单，易于工程计算人员掌握等优点。
以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (5)

1.一种深海重力式裙板锚的设计方法，其特征在于，所述重力式裙板锚包括有十字支撑、裙板、压载块、吊架和配重块，所述压载块的四周包设有所述裙板，所述裙板的内部固定有所述十字支撑，所述压载块上固定有所述吊架，所述吊架上放置有所述配重块，其设计方法包括如下步骤：
a、根据运输安装的要求确定所述压载块的长度和宽度；
b、计算所述压载块的水平抗滑力He，采用地勘报告推荐的设计参数，根据API规范中的方法，根据步骤a中所述压载块的长度和宽度尺寸，用公式(1)计算所述水平抗滑力He，He＝Asu0 (1)，其中A＝压载块的面积；su0为地勘报告推荐的不排水强度；
c、计算所述裙板水平承载力Hs，根据设计要求的水平承载力减去步骤b中计算的水平抗滑力He，得到所述裙板水平承载力Hs；
d、计算所述裙板的入泥深度H，根据步骤c中所述裙板水平承载力Hs，用公式(2)计算得到所述裙板的入泥深度H，
其中，L为压载块的长度，H为裙板的入泥深度，suave为入泥深度范围内的不排水强度；α在粘土中取0.8；Hs为裙板水平承载力；
e、计算贯入重量，根据步骤d中所述裙板的入泥深度H，按照地勘报告推荐的上下限，计算所述重力式裙板锚贯入设计深度所需要的总贯入阻力Qtot，
Qtot＝Qside+Qtip (3)
Qside＝∑Asideα·su(z) (4)
Qtip＝(Ncsu,tip+γ′·z)·Atip (5)
其中，Qtot为总贯入阻力，Qside为侧摩阻，Qtip为端阻，Aside为裙板2的内外侧总面积，α为粘着系数，su(z)为深度z处的不排水强度，Nc为承载力因数，su,tip为设计深度处的不排水强度，γ′为浮容重，z为设计贯入深度，Atip为裙板2的端面积；
f、根据承载和吊装要求，利用有限元进行局部强度计算，设计所述十字支撑和所述吊架，形成所述重力式裙板锚；
g、采用地勘报告推荐的设计参数，利用H-V-M法对重力式裙板锚的承载性能进行评估，对步骤f中形成的所述重力式裙板锚的结构进行优化；
h、贯入阻力复核，对优化后所述重力式裙板锚重新计算贯入阻力；
i、考虑土体参数的不确定性，校核重力式裙板锚的贯入阻力，计算所需的所述配重块。
2.根据权利要求1中所述的一种深海重力式裙板锚的设计方法，其特征在于，所述深海重力式裙板锚为箱式结构，所述压载块上固定有所述吊架，所述吊架上设置有配重槽。
3.根据权利要求1中所述的一种深海重力式裙板锚的设计方法，其特征在于，吊架均布有多个吊耳，所述压载块上布设有多个溢水孔。
4.根据权利要求1中所述的一种深海重力式裙板锚的设计方法，其特征在于，所述配重块上设置有吊耳。
5.根据权利要求1中所述的一种深海重力式裙板锚的设计方法，其特征在于，所述十字支撑的高度为所述裙板高度的1/3。
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