抛锚对海底管道影响的离心模型试验研究

锚击是影响海底管道安全运营的重要因素之一。采用天科院TK-C500土工离心机以及新开发的抛锚试验装置开展了抛锚离心模型试验,测量了海底管道的受力变化,分析了抛锚作业对浅埋海底管道的影响。试验结果表明,落距对管道弯矩的变化有着普遍性的影响,管道弯矩增量与落点的水平距离和管道埋深呈现明显的非线性特征。当12.3 t霍尔锚落在φ630管道正上方时,各种不同落距各种不同管道埋深工况,管道弯矩增量都远大于其塑性屈服弯矩,管道的安全运行已经受到了严重威胁。当落距小于3.5 m、水平距离大于1.4 m时和当落距增大到7 m、水平距离大于2.8 m时,管道弯矩增量不会超过塑性屈服弯矩;随着落距继续增大,锚落于管道一定范围内时,都将对管道安全运行产生严重威胁。

船舶抛锚过程中落锚贯入深度研究

落锚作业是船舶抛锚定位过程的第1个环节,在落锚过程中,船锚不仅可能直接撞击海底管线造成危害,而且船锚的贯入深度会影响拖锚的运动轨迹,从而间接影响海底结构物的运行安全,可见确定船舶落锚阶段船锚的最终贯入深度十分重要.为此,首先开展一系列小比尺落锚模型试验,分别研究在黏性土和无黏性土中船锚质量和落锚高度对霍尔锚和大抓力锚最终贯入深度的影响,发现贯入深度随船锚质量和落锚高度的增加而呈非线性增加,但增幅不断减缓.然后,结合小比尺模型试验,采用能量法和太沙基极限承载力公式拟合船锚贯入深度的计算公式,并确定式中的经验系数.另外,在小比尺模型试验的基础上,验证船舶落锚的数值模拟方法,并对原型船锚的贯入过程进行分析,讨论贯入过程中船锚姿态变化的过程和规律,以进一步揭示落锚贯入深度与船锚触底动能之间的关系.最后,开展现场船舶落锚试验,对比分析本文公式、Young公式、DNV坠物公式、DNV落管公式与现场实测数据之间的差异,发现试验结果和本文公式吻合良好,在验证本文公式正确性的同时阐明了其他理论算法的适用条件与局限性.

冲击载荷下加锚岩体抗剪力学特性

为深入研究冲击载荷下加锚岩体抗剪力学特性,采用实验室试验的方法对2种锚杆材质的加锚岩体开展了不同冲击能量和预紧扭矩下的侧向冲击试验,分析了不同锚杆材质和预紧扭矩对加锚岩体在冲击载荷下抗剪力学性能的影响,监测了落锤冲击力-时程曲线,并利用高速摄像机捕捉了试样冲击变形的全过程。试验结果表明:加锚岩体冲击过程可分为落锤释放、锤岩下移和分离回弹等3个阶段。试样顶底面均为轴向剪切裂缝和伴随竖向裂缝;前面和背面均为腹剪斜裂缝和竖向裂缝;交界面裂缝以钻孔为中心向四周呈放射状分布,且上半部分裂缝数量明显多于下半部分,裂缝宽度多在10 mm以内。在一定范围内,中部混凝土块顶面和交界面破坏程度均随冲击能量的增大而增大,随预紧扭矩的增大而减小。锚杆受动态剪切会发生弯曲、径缩甚至断裂。在一定范围内,冲击能量越大,锚杆弯曲变形越大;预紧扭矩越大,锚杆抗冲击变形能力越强。CRM700型锚杆的抗冲击变形及破断能力均优于HRB500型锚杆,其能够显著提高加锚岩体的整体抗冲击性能。根据冲击力-时程曲线又可将冲击过程分为强冲击阶段、震荡阶段和衰减阶段。强冲击阶段时间仅1 ms左右,主要为锤头与试样发生接触;震荡阶段持续时间达10 ms左右,主要发生混凝土块的破裂失效和锚杆的弯曲变形。锚杆材质和预紧扭矩对加锚岩体在冲击载荷下的抗剪力学性能影响显著,使用CRM700型锚杆或施加适当的预紧扭矩均可提高加锚岩体的抗剪力学性能。

不同土质条件下大抓力锚的落锚深度研究

为了保护海底电缆免受船舶拖锚的破坏,针对工程船舶常用的大抓力锚开展了不同土质条件中的下落深度研究。基于砂土和黏土中的室内模型试验运用能量法建立了船锚落深的理论算法;开展了数值模拟分析,研究锚入土后的运动规律。理论及数值分析结果和现场实测结果相吻合,验证了本文提出的理论算法和采用的数值模拟方法具有可靠性。

海床中落锚问题的模型试验和大变形有限元研究

落锚在海床中的贯入问题既影响着后续的拖锚行为,又对铺设于海底的管道、电缆、隧洞等有着较大的威胁。基于耦合欧拉–拉格朗日大变形有限元方法,建立了关于落锚在黏性土海床上贯入问题的计算模型,考虑了黏土强度与重度随深度的变化,通过与模型试验结果的对比验证了模型的准确性。文章揭示了锚在贯入海床过程中锚的受力、速度及贯入深度等随贯入时间的发展规律,并利用有限元模型分析了土体强度、初始触底速度等参数对落锚贯入问题的影响。

加锚岩体侧向冲击载荷下动力响应规律研究

锚杆支护系统是控制深部脆性岩体动力灾害的重要技术手段,但动态锚固理论仍滞后于工程实践。根据实际工程中锚杆支护脆性岩体动态破坏特点,通过室内相似物理模型试验研究了加锚岩体侧向冲击载荷下的动力响应规律,分析冲击能量和锚杆力学特性对岩体力学行为的影响。试验结果表明:加锚岩体裂缝模式以剪切裂缝和受弯裂缝为主,跨中斜裂缝密集性高,斜裂缝与垂直方向夹角约45°,加锚岩体中的锚杆强度和韧性能抑制裂缝的发育,尤其是抑制贯通的裂缝。锚杆强度越高、冲击吸收功越大,加锚岩体的裂缝开度越小,加锚岩体整体吸能能力越强;冲击速度和锚杆强度对加锚岩体的落锤冲击力和锚杆轴力有一定影响。冲击速度越大,加锚岩体的冲击力平台值和锚杆轴力平台值越大,相应的作用时间越短;锚杆强度越高,冲击力平台值相应越大,冲击作用时间越短,冲击力衰减斜率越大;锚杆可显著提高岩体表面的应变峰值,改善岩体表面的拉应变状态。整体来看,锚杆强度和韧性对岩体抗冲击性能影响显著,通过提高锚杆强度和韧性可改善岩体的抗冲击性能。

船舶抛锚冲击海底生产系统防护装置的研究

海上船舶应急抛锚冲击到水下管线会影响到水下生产系统的正常作业,采用模型试验和数值计算相结合的手段开展了落锚冲击对水下生产系统防护装置的影响研究。首先依托实际工程设计了落锚冲击的动力模型试验,开展了不同高度处落锚冲击防护系统的模型试验研究,分析了海底防护系统顶盖受落锚冲击时的动力响应,发现在所研究工况范围内,落锚冲击后会产生二次冲击。基于ABAQUS有限元软件,建立了锚-防护系统-海床土体相互作用的冲击计算模型,通过物理和数值模拟结果的比较,验证模型试验和数值模型的可靠性。