[發明專利]考慮錨鏈與土體作用的深海錨固基礎承載力計算方法

有效

• 申請號: 201210182682.3
• 申請日: 2012-06-05
• 公開（公告）號: CN102708302A
• 公開（公告）日: 2012-10-03
• 發明（設計）人: 李颯;吳蘊洲
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 程毓英

技術領域

本發明屬于海上錨固基礎系泊技術領域，涉及一種深海錨固基礎承載力計算方法。

背景技術

當下時代和未來一段可預料的時間里，石油資源依然作為主要能源，但陸上石油資源可開采量日益減少，因此，向海上尋求石油資源的速度日益加快，特別是深海石油的開采越來越多。但是深海作業條件較為復雜，不確定性較多。深海石油平臺在作業過程中，往往需要對其進行錨固。錨固方式以采用錨鏈或者系泊纜將海上平臺錨固為主。通過錨固可以增加上部結構的穩定性，加強其對復雜工況的適應性。錨固主要是需要錨鏈將上部結構系泊于錨固基礎。錨鏈需在海洋土體中有一定埋深。因此研究錨鏈的力學性能及其與海洋土體的相互作用及其對最終承載力的影響就顯得十分重要。

對于錨鏈自身的力學性能，之前一般使用懸鏈線方程（一種計算錨鏈力學響應的方程）來計算錨鏈受力響應的情況，對于錨鏈與土體相互作用關系，采用過模型試驗和理論分析的辦法對其進行模擬和計算。但是進行上述實驗所需成本很高，且實驗所取得的數據有限，不能反映土性變化對這一過程的影響。且試驗的可重復性難度很大。由于土與錨鏈相互作用的復雜性，理論計算方式存在較明顯的缺陷，不便于結果的實際應用，且輸出的結果不易于直觀顯示。

發明內容

本發明的目的是克服現有技術的上述不足，提供一種能夠有效提高計算的準確性和可行性，評價深海錨固基礎的穩定性的深海錨固基礎承載力計算方法。本發明的技術方案如下：

一種考慮錨鏈與土體作用的深海錨固基礎承載力計算方法：

1)將錨固系統分解為錨鏈與土體相互作用體系及吸力錨與土體相互作用體系，首先求解錨鏈與土體的響應并確定錨固位置處的反力，根據懸鏈線方程獲得錨鏈初始形態方程，建立錨鏈線深入土體中的初始狀態模型；

2)建立錨鏈與土的相互接觸體系：根據錨鏈線深入土體中的初始狀態模型，做出土體與錨鏈的摩擦接觸界面，建立二者之間的摩擦接觸，并限制錨鏈在土體之中的位移，待建立好該摩擦接觸之后，在錨鏈出土端施加荷載;

3)錨鏈深入土體之后，存在出土端和土層之中的錨固端，不斷調整出土端的荷載值，提取相應的錨固端的荷載響應值，確定出土端的荷載和錨固端荷載的關系。

4)在仿真數值模擬界面時，考慮錨鏈深入土體之后，影響土體原始的自重應力場并且產生錨鏈影響之后的應力場，建立吸力錨與如上之土體的相互作用之模型關系，在吸力錨的錨固位置不斷施加荷載，同時提取得到吸力錨的位移值，據此，繪制吸力錨的P?S曲線，即力和位移的關系曲線，通過該曲線，可以得到吸力錨的破壞荷載，亦即錨固位置處的荷載的極限值;

5)根據第三步得到的出土端力值和錨固端力值的關系曲線，確定對應的出土端的荷載值，即為此種工況條件下的錨固極限荷載。

本發明使用數值模擬方法來研究海上錨鏈錨固的力學響應，得到深海錨固基礎與海洋土體之間的相互作用關系，從清楚直接的反應錨鏈入土后其與土體間的力學響應。并可以通過此方法能夠更加準確的確定通過錨鏈（系泊纜）錨固于吸力錨的作業狀態在不同土性作業條件下的極限承載力。

具體實施方案

本發明采用數值模擬的方式來模擬錨鏈的力學性能及其與土體的相互作用機理，提出了一套模擬錨鏈與土相互作用的模擬方法。在數值模擬界面中，將土體—錨鏈和錨固基礎三者進行拆分處理，該方法需對錨鏈和土體進行建模分析，錨鏈深入土體，與土體存在摩擦響應，這就需要在界面中做出土體與錨鏈的摩擦接觸界面，使二者進行有效的摩擦契合。在數值模擬中，采用接觸的方式建立摩擦接觸界面，建立二者的相互影響關系。進而求解受荷后錨鏈與土體相互作用的力學響應，求取深海錨固基礎承載力。

在此錨固基礎以吸力錨形式為例。具體方法如下：

1.將錨固系統分解為錨鏈與土體相互作用體系及吸力錨與土體相互作用體系，首先求解錨鏈與土體的響應并確定錨固位置處的反力，根據懸鏈線方程獲得錨鏈初始形態方程，建立錨鏈線深入土體中的初始狀態模型。

2.建立錨鏈與土的相互接觸體系。錨鏈深入土體，與土體存在摩擦響應，這就需要在界面中做出土體與錨鏈的摩擦接觸界面，使二者進行有效的摩擦作用。這一步是確定承載力中較為重要的一步，建立好錨鏈與土體模型之后，建立二者之間的摩擦接觸，并限制錨鏈在土體之中的位移，待建立好該摩擦接觸之后，在錨鏈出土端施加荷載。

3.錨鏈深入土體之后，存在出土端和土層之中的錨固端，在第2步驟之后，提取相應的錨固端的荷載響應值，并且不斷調整出土端的荷載值，相應提取錨固端的荷載值，藉此確定出土端的荷載和錨固端荷載的關系。