法向承力锚(VLA)——一种适用于深海工程的新型系泊基础

深水系泊基础是深水系泊系统的重要组成,随着海洋油气资源开发的加速发展,深水系泊系统的关键技术成为国际海洋油气资源开发的重要研究领域。法向承力锚(VLA)是一种崭新的适用于深海油气资源开发的系泊基础形式,论文对其应用、性能特点、工作原理、安装与回收以及计算分析方法等进行了全面介绍,以期对科研人员进一步认识深水系泊系统的关键技术有所帮助,并对国内深水系泊系统的研发起到一定的借鉴作用。

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。

深海系泊法向承力锚模型实验系统

法向承力锚是一种新型的拖曳嵌入式系泊基础。这种锚的工程应用仅有10 a时间,国内在此项技术上尚属空白。通过实验系统的设计,介绍了针对这种新型拖曳锚展开模型实验研究的实验平台。利用一些新型传感器和巧妙的机件设计,不仅实现了实验量测方法的创新,而且达到了经济实用的目的。实验结果也验证了整个系统设计的可靠性。

静荷载与循环荷载作用下张紧式吸力锚承载特性的模型试验

利用自行开发的电动伺服加载装置,在荷载控制方式下,进行了张紧式吸力锚在最佳系泊点受静荷载作用、受静荷载与循环荷载共同作用时的承载力模型试验。依据试验结果,分析了锚的破坏模式、加载方向与静荷载对循环承载力的影响以及循环承载力随循环破坏次数的变化规律。结果表明,静荷载与循环荷载作用下,如果锚受到的竖向极限抗力小于水平极限抗力,锚的破坏为竖向平移拔出土层的模式;静荷载作用下锚达到极限状态时,系泊点沿系泊方向的位移大约为0.6倍的锚径;同一循环破坏次数下,循环承载力随静荷载比增加而增大,且锚能承受的循环荷载取决于锚受到的静荷载比;当静荷载比为0.5左右时,锚承受的循环荷载最大;对于同一静荷载比,当加载方向从30°变化至40°时对循环承载力比随循环破坏次数的变化关系没有明显影响;锚的循环承载力随循环破坏次数增加而降低;若锚受到的静荷载比大于0.5,循环破坏次数不大于1000,则循环承载力最多减小至静承载力的75%左右。

沿深度强度增加软土中吸力锚循环承载力模型试验

采用分层底部真空预压技术,在模型试验箱内制备强度沿深度增加的模型试验土层;进而利用自行开发的电动伺服加载装置,在荷载控制方式下,针对水平破坏模式,进行两种直径的吸力锚在最佳系泊点受倾斜方向静荷载与循环荷载共同作用下的承载力模型试验。试验结果表明,循环荷载作用过程中锚的循环变形没有明显增加,导致锚破坏的是循环累积变形。强度沿深度增加软土和均一强度软土中吸力锚循环承载力的相对变化规律一致,当循环破坏次数为100时,循环承载力是静承载力的90%左右;当循环破坏次数增加至2 000时,循环承载力减小至静承载力的70%左右。锚径的变化只影响循环承载力的大小,不影响其相对变化。强度沿深度增加土层中的吸力锚,其循环荷载下竖向阻力弱化程度大于水平阻力弱化程度,这与均一强度土层中吸力锚受循环荷载作用时的性态一致。

沿深度强度增加软土中吸力锚循环承载力模型试验

采用分层底部真空预压技术,在模型试验箱内制备了强度沿深度增加的模型试验土层。进而利用自行开发的电动伺服加载装置,在荷载控制方式下,针对水平破坏模式,进行了2种直径的吸力锚在最佳系泊点受倾斜方向静荷载与循环荷载共同作用下的承载力模型试验。试验结果表明,循环荷载作用过程中,锚的循环变形没有明显增加,导致锚破坏的是循环累积变形。强度沿深度增加软土中吸力锚循环承载力的相对变化规律和均一强度软土中吸力锚循环承载力的相对变化规律一致,当循环破坏次数为100时,循环承载力是静承载力的90%左右;当循环破坏次数增加至2 000时,循环承载力减小至静承载力的70%左右。锚径的变化只影响循环承载力的大小,不影响循环承载力的相对变化。对强度沿深度增加土层中的吸力锚,循环荷载导致的吸力锚竖向阻力弱化程度大于水平阻力弱化程度,这也与均一强度土层中吸力锚受循环荷载作用时的性态一致。