海上风电前沿 | 串联拖曳嵌入锚在海洋土中的性能研究

2025-06-04 2259 0

摘要

本文总结了由两个拖曳嵌入锚构成的串联锚的解析模型与试验研究成果。采用锚间距为5.4倍锚板长度的串联锚进行拖曳嵌入试验,实验结果验证了建立的解析模型。研究表明:(1)经校准后的串联锚预测模型可有效预测串联锚中前锚与后锚的极限承载力、运动轨迹及锚体俯仰角;(2)串联拖曳嵌入锚的总极限承载力可能超过单个锚承载力的两倍,这是由于串联布置使前锚在受到约束时动员出比其作为单独锚自由旋转时更大的旋转阻力。

串联拖曳嵌入锚

将两个拖曳嵌入锚串联连接,通常称为串联锚,这种方式可利用现有设备提升锚固承载力。


图1.串联拖曳嵌入锚及其入土轨迹示意图

串联拖曳嵌入锚的简化解析模型

01

单锚拖曳模型

本研究采用由Aubeny和Chi提出的简化型单锚拖曳模型,适用于黏土中的拖曳嵌入行为。


图2.单个锚体的几何构型示意图

拖曳载荷可简化为三个分量:沿锚板表面的分力H、垂直于锚板表面的分力V,以及相对于某一参考点(如锚板中轴线)的弯矩M。这三种载荷共同作用下,会导致锚的破坏,并引起锚发生沿锚板方向的平移位移(δh)、垂直于锚板方向的垂直位移(δv),以及绕该参考点的转动(δβ)。

Aubeny和Chi提出了一种数学表达式,用于描述锚在组合荷载作用下的屈服面


Npmax:纯法向加载条件下的法向承载力系数;Ntmax:纯面内剪切加载条件下的面内剪切承载力系数;Nmmax:纯旋转加载条件下的旋转承载力系数;m,n,p,q:相互作用系数,用于确定屈服面的形状。

简化拖曳模型假设锚在拖曳入土过程中迅速达到平衡状态,此时锚线张力与土体的不排水抗剪强度以及锚板面积成正比,通过平衡承载力系数Ne表征(见图2)。

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其中,su为黏土的不排水抗剪强度,Af为锚板面积。锚在锚板面法向和切向方向上的微分位移比(图2中的Rnt)以及旋转与平行于锚板的相对运动比(图2中的Rrt)在该平衡状态下均被假定为常数。这些模型输入参数Ne和Rrt可与公式(1)中的屈服面相联系。参数Ne表示组合荷载(V,H,M)导致锚破坏时,当前状态点到屈服面的距离,而Rnt和Rrt分别表示该点在V−H平面与M−H平面上的切向斜率(图3)。


图3.不同相互作用系数(m、n、p和q)的屈服面上不同Ne、Rnt和Rrt值的示例(a)Ne,Rnt;(b)Rrt与屈服面相互作用系数n和q


输入变量Ne、Rnt和Rrt对屈服面相互作用系数m、n和q(公式1)最为敏感;因此,这些系数可通过拖曳试验中测量锚体入土轨迹和载荷来估算(图4)。


图4.拖曳嵌入预测结果示例:(a)不同Ne值下的承载力;(b)不同Rnt值下的入土轨迹

锚眼处锚线与水平方向夹角θa(图2)的计算采用Neubecker与Randolph(1995)提出的简化锚-锚线相互作用模型。该模型基于土体对锚线提供的承载阻力和剪切阻力,建立了锚眼处锚线张力与泥面处锚线张力之间的函数关系式。

锚运动轨迹及泥面处锚线张力通过递推方法求解,通过建立锚受力平衡与力矩平衡方程,逐步增量地推进锚的切向位移,步长为dt=Δt。该递归算法的具体实施步骤如下:

1. 设定锚初始嵌埋深度

2. 基于式(5)计算锚眼处张力

3. 通过式(8)校核锚眼处锚线初始倾角,并通过式(9)求解锚板转角



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