利用循环强度分析张紧式吸力锚循环承载力的方法

按照在最佳系泊点受倾斜荷载作用的张紧式吸力锚的破坏机制,建议了利用软土不排水循环剪切强度计算软土中吸力锚循环承载力的极限平衡分析方法。该方法考虑了平均系泊荷载在土中引起的平均剪应力对土体循环剪切强度、进而对锚循环承载力的影响。为了说明该方法的可行性,进行了大量张紧式吸力锚在平均系泊荷载与循环荷载共同作用下的承载力模型试验。依据试验结果确定了锚被竖向拔出土层时系泊点的位移破坏标准,并据此确定了与不同模型试验条件对应的循环承载力。进而利用循环三轴试验确定的土层不排水循环强度随平均应力的变化关系和实测的土层剪切强度,通过极限平衡分析计算了与模型试验对应的循环承载力。计算与模型试验结果比较表明,对于张紧式吸力锚被竖向拔出土层的破坏模式,计算结果比模型试验结果偏大,平均偏大1.9%,绝大多数偏差在10%以内。因此,对于软土中的张紧式吸力锚,如果采用该方法计算与竖向拔出土层破坏模式相应的循环承载力时,将结果减小10%是恰当的。     

软黏土中吸力锚承载特性离心试验研究

加载倾角和系泊点位置是吸力锚基础最重要的设计要素之一,能够改变锚体的破坏姿态以影响极限承载力。在饱和软黏土地基中选择不同的加载倾角及系泊点位置进行位移控制下的张紧式吸力锚离心模型试验,利用六自由度磁力计装置定量分析了加载倾角和系泊点位置对吸力锚破坏姿态与极限承载力的影响。研究发现,系泊点位置在锚体约2/3高度时,吸力锚发生平动破坏,当加载倾角由35°变化至20°时,在相同的系泊点位置,吸力锚发生后仰破坏,归一化极限承载力稍增大,并且达到极限承载力后仍保持一定的承载力余量;系泊点位置在锚体2/3高度以上时,吸力锚发生前倾破坏,归一化极限承载力降低了25%左右,并且破坏后的承载力余量大大降低。无论破坏模式如何,均未发现锚内土塞与锚有明显分离。     

循环荷载频率对黏土中吸力锚承载力影响的模型试验研究

为了研究循环荷载频率变化对吸力锚承载力的影响,进行了不同频率循环荷载作用下,张紧式吸力锚在最佳系泊点受静荷载与循环荷载共同作用时的承载力模型试验。结果表明,当循环荷载与静荷载加载方向相同时,尽管循环荷载频率不同,但锚的破坏模式与静荷载作用下锚的破坏模式一致,均为竖向拔出;荷载循环频率的变化对锚的循环平均位移有一定影响,在循环荷载开始作用阶段,随循环频率增大,循环平均位移逐渐减小,随荷载循环次数增加,循环频率对循环平均位移影响逐渐减弱;荷载循环频率改变会对锚的循环承载力产生影响,当荷载循环频率从0.1 Hz减小至0.01 Hz时,若循环破坏次数为100,循环承载力降低8%左右;若循环破坏次数为1 000,循环承载力降低4%左右;当循环破坏次数达到2 000时,循环承载力仅降低1%左右,此时可忽略循环荷载频率的变化对承载力的影响。     

软黏土中张紧式吸力锚循环承载力简化计算方法

张紧式吸力锚是一种重要的深水浮式平台基础。深水环境中,海底浅层沉积物多为饱和软黏土。软黏土中平均荷载与循环荷载共同作用下吸力锚的循环承载力对其设计至关重要。根据最佳系泊点受倾斜荷载作用下吸力锚的破坏模式,假设不同破坏区土体具有相同的平均剪应力,且平均剪应力与循环剪切强度比等于吸力锚所受静荷载与静荷载和循环荷载之和的比值。结合室内土性试验获得的饱和软黏土样不固结不排水归一化循环剪切强度随归一化平均剪应力的变化关系曲线,建立了破坏区土体不排水循环剪切强度的确定方法。对不同破坏区土体阻力进行分析,按照水平应力具有连续性这一特点,构建了上部滑动楔体破坏区与深部平面流动破坏区交界深度的计算方法,进而提出了计算吸力锚循环承载力的简化极限平衡方法。采用该方法对竖向和水平破坏模式吸力锚循环承载力模型试验结果进行了预测,预测与试验结果基本吻合,最小和最大偏差分别为0.79 %和16.08 %,平均偏差为5.74 %,可较好地反映吸力锚循环承载力随循环破坏次数增加而减小的变化关系,验证了该方法的可行性。     

软黏土中吸力锚循环失稳过程的模型试验

开展了张紧式吸力锚在侧壁最优系泊点处遭受平均荷载和循环荷载共同作用下的模型试验,着重研究了软黏土中吸力锚在等幅及变幅循环荷载下的变形失稳过程。研究发现,循环累积位移过大是锚发生破坏的主要原因。对于等幅循环加载试验,由于竖向附加荷重的施加,锚在水平向的循环累积位移要明显大于竖向,表现为明显的水平破坏模式。在特定的平均荷载水平下,循环荷载水平越高,锚的累积位移发展得越快,达到破坏所需的循环次数就越少。循环位移随循环次数的增长变化不明显,但随循环荷载水平的增大而增大。对于变幅循环加载试验,系泊点各方向的循环累积位移与循环位移均与循环荷载水平成正比。不同的循环加载时程下,锚的竖向累积位移均比水平累积位移大,表现为偏向于竖向破坏的中间破坏模式。锚前期的循环加载历史对后续加载产生的累积变形有明显影响。与静力加载相比,循环加载时锚的运动方向角有所增大,这可能是由于锚底孔压的累积要大于锚侧孔压的累积,从有效应力的角度分析,锚底有效应力的减少相对锚侧明显,进而使得锚竖向承载力减小得更多,导致锚的竖向运动更明显。     

软土中浅埋法向承力锚位移破坏标准模型试验

为确定浅埋软黏土中法向承力锚的位移破坏标准,利用实验室自行开发的电动伺服加载控制装置,对埋置在饱和软黏土中深度为3倍锚板宽度、系缆力角度为30°的法向承力锚模型进行了荷载和位移控制的静力加载试验。依据试验结果,以极限承载力与锚板宽度为参考,对锚板法向荷载与位移进行归一化处理,通过归一化曲线确定了法向承力锚的位移破坏标准,即破坏位移约为0.38倍锚板宽度。另外,依据锚板的尺寸、埋深及试验土体的强度条件,利用经验公式对锚的极限承载力进行了计算。结果表明,以该位移破坏标准确定的极限承载力与经验公式计算结果基本一致,两者相差均不超过10%,初步验证了该位移破坏标准的合理性。     

新型深水系泊基础研究进展

介绍了几种国际上广泛应用于深水锚泊的新型系泊基础（吸力锚、法向承力锚、吸力式贯入锚和动力贯入锚）,并结合国内外的最新研究进展,分别针对吸力锚安装过程中的海床阻力和内部土塞发展、服役阶段的承载力特性,法向承力锚安装时的拖曳轨迹和三维受力状态下的承载力,吸力式贯入锚的“keying”过程,动力贯入锚的最终安装深度和承载力,以及锚泊线与海床的接触问题等当前国际上研究的重点和热点内容进行了简要地评述,旨在通过分析当前新型深水锚在设计、施工以及承载机制等方面的不足,以探索深水系泊基础发展的新趋势     

砂土中吸力式沉箱基础的最佳荷载作用点位置模型试验研究

通过一系列模型试验研究了倾斜荷载作用下吸力式沉箱基础的最佳作用点位置,试验中考虑了荷载作用点、荷载作用角度和长径比3个重要因素。基于模型试验得到的荷载-位移曲线,采用合适的破坏标准确定了各工况下吸力式沉箱基础的抗拔承载力,根据承载力的变化规律分析确定了吸力式沉箱基础的最佳作用点位置。结果表明,荷载作用角度对吸力式沉箱基础承载力的影响显著,当荷载水平作用于基础时,其承载力最大。荷载作用点位置对吸力式沉箱基础承载力的影响取决于荷载作用角度的大小,当荷载作用角度较小时,荷载作用点位置的影响显著,且最佳作用点位置位于沉箱高度的2/3～3/4处;当荷载作用角度较大时,荷载作用点位置的影响很小,可以忽略。结合荷载与吸力式沉箱基础的转角关系,分析了荷载水平作用于最佳作用点下吸力式沉箱基础的破坏模式。     

软黏土中吸力式沉箱基础竖向抗拔承载特性试验研究

吸力式沉箱基础可以作为张力腿平台(TLP)的锚固基础,主要受上拔荷载作用,其抗拔破坏模式是分析吸力式沉箱基础抗拔承载力关键,目前对吸力式沉箱基础竖向抗拔承载机制研究尚不够深入。通过一系列室内模型试验,研究软黏土中吸力式沉箱基础抗拔承载特性,给出吸力式沉箱基础两种破坏模式,即顶部张力破坏模式和底部张力破坏模式。试验结果表明,顶部张力破坏模式时沉箱顶部负压与底部负压接近相等,承载力随沉箱顶部负压增大而增大,沉箱抗拔承载力由沉箱自重、内外摩擦力与沉箱顶部反力组成;当形成底部张力破坏模式时沉箱承载力随沉箱底部负压增大而增大,沉箱抗拔承载力由沉箱和土塞自重、外摩擦力以及底部反力组成;当达到极限荷载时沉箱顶部及底部负压均小于不排水剪切强度Su,沉箱顶部与底部反向承载力系数均小于1.0。最后提出考虑沉箱内顶部负压作用下吸力式沉箱基础抗拔承载力计算方法,揭示了软黏土中吸力式沉箱基础抗拔承载机制,为吸力式沉箱基础抗拔承载力分析以及工程设计提供参考。     

正常固结黏土中平板锚基础的吸力和抗拉力

平板锚是新近出现的一种系泊深海浮式结构的基础型式。当黏土地基中的平板锚承受上拔力时,平板上、下表面超静孔压差形成的吸力使其抗拉承载力显著增加,对于风浪等快速加载条件尤其如此。利用有限元软件ADINA建立有效应力形式的轴对称动力有限元模型,研究圆形平板锚在缓慢加载与快速加载时的超静孔压分布与地基破坏型式。快速加载时重黏土和高岭土两组典型正常固结土样所得极限承载力系数与塑性极限分析解一致。进而通过变动参数分析,讨论加载速率和埋深对吸力和总抗拉力极限值的影响,并给出排水和不排水加载条件对应的临界加载速率。结果表明,不排水加载条件的总抗拉力可能达到排水总抗拉力的3倍。     

Application of wellhead suction anchor technology in the second production test of natural gas hydrates in the South China Sea

Traditional suction anchor technology is mainly used in the fields of subsea structure bearing foundations, single-point mooring systems and offshore wind power. It is characterized by providing sufficient lateral and vertical bearing capacities and lateral bending moment. The anchor structure of a traditional suction anchor structure is improved with wellhead suction anchor technology, where a central pipe is added as a channel for drilling and completion operations. To solve the technical problems of a low wellhead bearing capacity, shallow built-up depth, and limited application of conductor jetting in the second production test of natural gas hydrates (NGHs) in the South China Sea (SCS), the China Geological Survey (CGS) took the lead in independently designing and manufacturing a wellhead suction anchor, which fulfilled the requirements of the production test. This novel anchor was successfully implemented in the second production test for the first time, providing a stable wellhead foundation for the success of the second production test of NGHs in the SCS.©2022 China Geology Editorial Office.     

Effect of shape on holding capacity of plate anchors buried in soft soil

Plate anchor is one of the most common varieties of anchors used in the construction and maintenance work of various on-land and offshore structures. An accurate estimation of the uplift capacity of anchor foundations is necessary for an economical design as well as for the safety and stability of structures. This paper outlines the effect of shape of anchor plates on their breakout capacity, through a series of model tests. Both shallow and deep anchor behaviours were investigated under conditions developing suction force and without suction force. The results of these tests are presented in terms of load-displacement behaviour, variation of breakout factors (with and without suction force) with depth of embedment, the critical embedment depth of anchors and variation of suction force with embedment ratio. Further, the variations of breakout factor ratio with aspect ratio and embedment ratio are reported. Based on the experimental results and the model test results of other investigators an empirical relationship has been suggested to determine the shape factor and holding capacity of plate anchors buried in saturated cohesive soils.     

砂土中扩体锚杆承载特性模型试验研究

在25个室内模型试验基础上,研究了均质砂土中竖向拉拔扩体锚杆的几何尺寸及埋深对其承载特性的影响。试验结果表明,根据深径比的不同,扩体锚杆可以分为浅埋与深埋扩体锚杆2种形式,它们在拉拔过程中均经历了土体弹性变形阶段、非扩体锚固段-土界面剪切破坏阶段、土体弹塑性变形阶段以及剪切破坏阶段,破坏特征分别表现为整体剪切破坏与局部剪切破坏。通过扩体锚杆与普通拉力型锚杆模型试验对比发现：与普通拉力型锚杆相比,扩体锚杆极限承载力、承载比与安全性均有大幅度提高。而通过增大扩体锚固段直径的方式提高扩体锚杆承载力的优势较为明显。此外,根据承载比分析,扩体锚杆存在最优扩体锚固段直径,因此,在实际工程中应寻找一个满足需要的最优扩体锚固段尺寸以取得较好的经济效益。