粘土中吸力锚沉贯阻力与土塞形成试验研究

针对粘土中吸力锚沉贯的两个关键性问题--沉贯阻力和土塞形成过程,在自行研制的试验平台上进行一系列吸力锚沉贯室内模型试验.试验结果表明,负压抽吸对筒壁内部土体的影响较大,而对外侧土体的影响很小;由压力沉贯向吸力沉贯转换后,土体阻力会先降低,再随着沉贯的进行逐渐增大,并超过采用压贯方式的土体阻力;前期压贯深度的变化带来了不同的内部泥面下陷,这对吸力沉贯开始阶段的土塞发展影响不大,当土塞加速隆起后,压贯越深的情况土塞发展越迅速;在粘土中进行吸力沉贯时,API规范对最大容许吸力估算较为准确,但是需提供比API规范更大的沉贯吸力才能保持沉贯的进行,而且沉贯过程中土塞的高度大于由于简裙下插置换土体所带来的高度.     

筒型基础安装过程中筒内土塞生成的可视化模拟计算

筒型基础安装过程中,筒内的负压作用会导致土塞现象的出现。以试验模型为基础建立可变形离散元计算模型,通过VC＋＋编制的程序SPSAⅡ对筒型基础负压沉贯中土塞的生成过程进行可视化模拟计算。考虑渗流力、筒壁内外摩擦阻力和筒内负压吸力作为土塞产生的主要外荷载,分别模拟渤海地区3种典型土（黏土、粉土和砂土）的情况。其中,粉土情况下。程序的收敛速度最快,黏土情况下,土塞的计算高度最接近试验测量值,数值计算结果表明该计算方法作为筒型基础施工前筒内土塞高度的预测方法是可行的。     

粘土中张紧式吸力锚破坏模式与承载特性有限元分析

对利用有限元计算分析张紧式吸力锚承载力的方法进行了研究,结果表明:锚土之间接触特性的描述取决于锚的破坏模式;当锚为竖向破坏时,采用临界剪应力摩擦模型描述锚土间接触是恰当的;当锚为水平破坏时,采用库伦摩擦模型描述锚土间接触是恰当的。计算中若采用基于Mises屈服准则的理想弹塑性本构关系描述软土的不排水应力应变特性,且按位移标准确定极限承载力,则弹性模量的取值对确定软土中吸力锚承载力有影响且取决于锚的破坏模式;当锚发生竖向破坏时,弹性模量按约150倍的不排水强度取值是恰当的;当锚发生水平破坏时,弹性模量按约75倍的不排水强度取值是恰当的。探讨了依据软粘土循环强度利用拟静力弹塑性有限元计算,估算平均荷载与循环荷载共同作用下吸力锚平均位移变化趋势的可行性,计算与模型试验结果比较说明,计算得出的拟静力荷载位移曲线能够对锚实际平均位移的变化趋势给出一个恰当的估计。     

剪土环对筒型基础负压沉贯下沉过程中渗流场的影响研究

筒型基础沉放施工中,随着入土深度的增加,筒体所受的侧摩阻力越大,当达到一定程度时,将导致基础无法继续下沉.为了避免这种情况的发生,在实际的施工中可以在锚体上设置剪土环以减小侧摩阻力的影响.论文针对海上吸力锚基础这一新型海洋平台基础形式研究中面临的吸力锚负压沉贯下沉中设置剪土环及剪土环对其渗流场的影响这一问题,通过对吸力锚渗流场的有限元分析,运用有限元软件ANSYS对锚体周围土体渗流场进行建模分析,利用有限元计算的结果来分析剪土环对渗流场的影响.     

波致液化海床土中伞式吸力锚承载特性试验研究

伞式吸力锚作为一种新型海上风电基础,现已在数值模拟方面进行了大量的研究,但缺少相应的室内试验。本文对伞式吸力锚(USAF)水平静力承载特性和波致土体液化中伞式吸力锚承载特性进行了室内模型试验,并与无锚枝吸力锚(SAF)进行了对比试验。研究发现,USAF的锚枝使得锚体转动中心升高,锚体承载性能得到提升;在波致液化海床土中,USAF的承载性能优于SAF,并且具有一定的防冲刷效果。     

深海吸力锚承载特性与稳定性研究

深海吸力锚基础的极限承载能力是海洋工程结构设计中的一个关键问题.基于Coulomb摩擦对原理,给出了一种精确模拟吸力锚承载能力的有限元模型.在该数值模型基础上,利用通用有限元分析软件ABAQUS研究系泊点位置对吸力锚极限承载力的影响,并给出深海吸力锚失稳模式.结果表明,系泊点位置极大地影响着吸力锚的极限承载力与稳定性,系泊点位置的变化会导致吸力锚出现前倾转动、平移滑动和后仰转动失稳模式.当系泊点位置在吸力锚入泥深度3/5左右处,更能发挥深海吸力锚的承载能力.     

深海吸力锚水平极限承载力研究

深海吸力锚基础的极限承载能力是海洋工程锚固系统的一个关键问题。基于Coulomb摩擦接触对原理,给出一种模拟吸力锚承载能力的有限元模型。在该数值模型基础上,利用通用有限元分析软件ABAQUS,研究系泊点位置、吸力锚长径比对极限承载力的影响,并给出深海吸力锚失稳模式。结果表明,系泊点位置极大地影响着吸力锚的极限承载力与稳定性,系泊点位置的变化会导致吸力锚出现前倾转动、平移滑动和后仰转动失稳模式,同时吸力锚失稳模式受长径比的影响。为工程实际和理论分析提供了技术支持和理论指导。     

随机波作用下伞式吸力锚基础局部冲刷演变分析

为了验证新型伞式吸力锚基础的防冲刷效果,本文利用Flow-3D软件建立三维海床-吸力锚-波浪相互作用模型,基于JONSWAP随机波浪谱,结合某海域风区资料模拟随机波,对随机波浪作用下伞式吸力锚基础(USAF)局部冲刷演变进行分析,试验土体为非黏性土.首先探讨了随机波浪作用下基础周围流场变化规律和冲刷演变模式,其次分析了...     

海上风电伞式吸力锚基础结构优化设计及承载优势分析

海上风电基础是制约海上风电发展的一个重要因素,大力发展经济与效用兼备的新型基础刻不容缓。本文基于新型的海上风电伞式吸力锚基础(USAF)的已有结构,借助大型通用有限元软件ABAQUS构建出一系列不同尺寸的伞式吸力锚基础(USAF)有限元模型,并通过模态分析等动力分析得到最佳伞式吸力锚基础(USAF)结构尺寸,最后,将最佳伞式吸力锚基础(USAF)与常规单筒吸力锚基础在单一荷载下的极限承载力进行比较,证明了伞式吸力锚基础(USAF)具有良好的承载优势。     

深水系泊新型拖曳锚研发关键技术

作为深海工程应用中一种新型的拖曳嵌入式系泊基础,法向承力锚与目前新型的深水绷紧索系泊方式结合,在深水条件下的优势非常明显.综合比较了新型拖曳锚、吸力锚以及桩锚在施工、性能以及经济性等多方面的特点.提出了开展新型拖曳锚研发的若干关键技术.在对国外的实验研究现状进行综合评述的基础上,重点介绍了在构建新型拖曳锚模型实验平台方面取得的成果,涉及模型水槽、拖曳与回收系统、测量系统、模型锚板设计以及拖曳-系泊转换机构等关键技术.     

Large-scale experimental investigation of the installation of suction caissons in silt sand

Offshore wind power is a rapidly growing area of electricity in China. In the present paper, interaction mechanisms between the caisson for wind turbines and saturated silt sand are investigated with laboratory tests based on two different installation methods, jacking installation and suction installation. For the jacking installation process, the results indicate that the soil pressures inner and outer the skirt of the caisson vary with a similar feature and the magnitudes of the two are nearly balanced. The tip resistance plays a key role in the total jacking installation resistance. This paper examines the predictive performance of q_c method and API approach for jacking installation resistance. It is demonstrated that the q_c method provides better predictions. The resistance coefficients are recommended. For the case of suction installation, however, the changes of soil pressures inner and outer the skirt are contrasting. Specifically, the inner pressure and tip resistance fall dramatically, but the outer pressure increases when suction is applied. Seepage effect is found to be an important mechanism for the installation of suction caisson. The reduction ratios of the inner friction and tip resistance follow a power-function with the normalized suction. Based on the test results, a prediction method for the required suction has been developed and evaluated.     

海洋平台浮托安装分析及其关键技术

大型海洋工程结构一般采用吊装法进行海上安装。随着海洋结构物重量的不断增大以及受到起重船吊装能力的限制,大型海上结构物浮托安装技术正成为海上施工安装的1种新方法,并成功应用于浅海固定式平台大型组块和深海浮式海洋平台的海上安装。本文介绍了海洋平台海上浮托安装的步骤、关键缓冲设备,列举了一些国内外的安装工程实例,指出了浮托法的关键技术,最后针对某工程实例,利用SESAM软件进行浮托法水动力分析。     

Large deformation finite element analysis of the installation of suction caisson in clay

The suction caisson (or called suction anchor) which is considered as a relatively new type of foundation of offshore structures, has been extensively studied and applied for offshore wind turbines and oil platforms. The installation of the suction caisson is of great importance in the design and construction because it can bring about several issues and further influence the performance of holding capacity in safety service. In this paper, large deformation finite element (FE) analyses are performed to model the installation of suction caisson (SC) by suction and jacking in normally consolidated clay. The penetration of the suction caisson is modeled using an axisymmetric FE approach with the help of the Arbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE) formulation which can satisfactorily solve the large deformation problem. The undrained shear strength of the clay and elastic modulus are varied with depth of soil through the subroutine VUFIELD. The numerical results allow quantification of the penetration resistance and its dependence on the installation method. The centrifuge test and theoretical solution are used for the FE model validation. After the validation, the penetration resistance, the soil plug heave, and the caisson wall friction have been examined through the FE model. Based on the numerical results, it is shown that the ALE technique can simulate the entire suction caisson penetration without mesh distortion problem. The installation method can play an important role on the penetration resistance, namely, the suction installation reduces the penetration resistance significantly compared to the purely jacked installation. With a further study on the suction case, it is found that as the final applied suction pressure increases, the soil plug heave increases, while the penetration resistance reduces with increase of the final suction pressure. The effect of the friction of internal caisson walls has been also investigated and a conclusion is drawn that internal wall friction has a significant contribution to the penetration resistance and it can be implicitly represented by varying coefficient of internal wall friction. As for the penetration resistance, both jacked and suction installation have great dependency on the internal wall friction.     

深水S型铺管中残余变形对屈曲压力的影响

随着S型海管铺设逐步走向深水,管道在铺设过程中承受的荷载增加,发生一定程度的塑性变形。本文讨论S型铺设引起的残余塑性变形对管道屈曲承载能力的影响。首先基于壳单元建立"管道-托辊"相互作用的局部有限元模型,分析了管道在铺设过程中的受力状态,获得了管道的残余塑性变形。然后以该残余变形作为管道非线性屈曲分析的初始缺陷,基于改进的RIKS方法计算了管道的临界屈曲压力。研究结果表明,铺设残余塑性变形在一定程度上削弱管道的承载能力,在深水铺设中应予以考虑。     

基于水平湿拖的TLP平台张力腿现场扶正数值模拟

TLP平台张力腿安装方法有竖直安装和水平安装。以一TLP平台张力腿为例,基于张力腿水平湿拖安装方法,采用OrcaFlex软件建立扶正分析模型,数值模拟了张力腿现场扶正过程,研究分析了张力腿在不同海洋环境和吊机缆绳释放速度等参数下的动力响应,并在此基础上进行了集束扶正分析,根据安装接受标准确定了合适的扶正作业天气窗口。模拟分析结果表明:在扶正过程中,浪向/流向、波高、流速对张力腿应力影响显著;吊机缆绳张力对浪向/流向、流速敏感;吊机缆绳释放速度对张力腿应力和吊机缆绳张力影响微弱。     

海洋平台浮托安装中横荡护舷限位和缓冲性能分析

浮托安装法,是相对于传统吊装法的一种新型海洋平台安装方法,具有起重能力大、作业周期短、安装费用低、适用范围广、操作安全方便等优点,解决了海上大型平台组块的安装问题。为了研究横荡护舷对浮托安装的影响,首先对海洋平台浮托安装中的护舷装置进行了介绍,然后针对某工程实例应用AQWA软件进行了数值模拟,并进行了模型验证。从时域方面对就位状态下的浮托模型进行了耦合动力分析,研究了横荡护舷参数对驳船运动和撞击力的影响规律。研究表明,横荡护舷可以有效地减小驳船运动和撞击力,其限位和缓冲作用与护舷尺寸及护舷刚度均有关。研究结果可为实际浮托安装工程提供重要的参考。     

荔湾3-1上部组块浮托安装实测研究

随着海洋资源的开采走向深海,海上平台需要面对更加恶劣的海洋环境,因此,需要平台的质量更大,结构更强。而如何安装这些大型平台成为工程施工的重要挑战。浮托安装法是大型平台安装的一种十分有发展前景的安装方法,在浮托安装过程中进行实时监测,可以为浮托安装提供直接的信息反馈,保障安装的顺利进行。以荔湾3-1浮托安装为例,讨论了浮托安装过程中用到的实测技术,主要包括:浮托驳船及组块插尖的六自由度运动监测;施工海域海洋气象条件监测——风、浪、表面流和潮位;浮托驳船两侧护舷的载荷监测。并通过对实测结果进行综合分析,给出可靠的实测数据,为对比理论计算和模型试验,检验预报方法的可靠性提供支持。     

海上风电吸力基础在分层土中的沉贯特性研究综述

吸力基础与海洋工程大直径钢桩相比,具有成本低、安装周期短、对环境影响小、不受海况影响及可回收再利用等优点,近年来在海上风电工程中得到推广应用。吸力基础沉贯至海床预定位置,是其发挥承载力和确保服役稳定性的前提。海床地基土体常以分层土形式分布,且各层土体强度、压缩性和渗透性等存在显著差别,导致吸力基础吸力沉贯机理非常复杂。明确吸力基础在分层土中沉贯特性,有助于指导吸力基础在海上风电工程中的推广应用。对目前吸力基础在分层土中沉贯特性研究进行综述和总结,归纳了其沉贯机理研究进展,并对影响吸力基础在分层土中沉贯因素进行了分析;提出了分层土中吸力基础沉贯的研究方向和改进的沉贯方法。     

埕岛油田海底管道安装应力计算方法的研究及应用

海底管道的施工质量直接关系到海底管道能否长久地安全运行。对施工期间各种环境荷载、施工荷载作用下的海底管道在力和变形进行计算,分析和监控、是确保底管道施工质量的不可缺少的重要手段。本文通过计算实例对浮拖法敷设海底管道安装计算分析的方法作了研究,并对胜利海洋石油开发公司与天津大学合作研究开发的涨底管道安装分析软件在胜利岛油田海底管道工程建设中的应用作了介绍。     

荔湾3-1组块浮托安装实船监测与数值模拟

目前海洋平台日趋集成化、模块化,重量和体积都逐渐增大,使得适合安装大型组块的浮托安装法得到飞速发展。介绍荔湾3-1大型导管架平台浮托安装中使用的实测技术,对驳船的运动监测和海洋环境监测等测量数据进行分析,分析结果被应用于指导整个浮托安装过程,保证浮托安装符合安全施工标准。对浮托安装载荷转移阶段采用数值计算方法进行作业过程模拟,将计算结果与实测结果进行对比分析,两者具有较好的相似性。