锚链-土-锚板相互作用数值分析

摘要

由于海洋环境和荷载条件复杂，为了达到某种勘探目的锚板有可能被安装在海床的某个斜坡上。而锚板的抗拔承载能力直接决定了海洋结构物的稳定性，因此锚板在海洋斜坡上的极限抗拔承载力值得被研究。现如今海洋勘探技术突飞猛进，其勘探范围已经迈进深海，于是，适用于深水锚固的新型拖曳锚应运而生。新型拖曳锚具有深水安装便捷以及经济等优点，但是拖曳锚的最终下潜位置目前仍然难以精确确定。目前评估拖曳锚下潜深度的可行方法是根据海床表面锚链位置、锚链拉力和锚链方程反推锚的下潜位置，而锚链的受力情况直接影响锚链的形态，因此对锚链的受力特性进行分析就显得尤为重要。工程实践表明，高灵敏度的海洋软土应变软化明显，变形较大时会使锚固系统的承载能力下降，导致海洋平台失稳。因此，对深水锚的嵌入机理和运动特性以及应变软化对拖曳锚极限承载力的影响的研究，是海洋岩土工程科学的重要内容。本文以条形锚板、拖曳锚和锚链为基本研究对象，基于大变形有限元分析技术耦合的欧拉-拉格朗日法（CEL），通过数值模拟探究条形锚板在黏土斜坡地基的极限抗拔承载力，新型拖曳锚的运动特性和嵌入机理以及黏土应变软化对拖曳锚极限承载力的影响。 论文第一部分探究了斜坡地基中条形锚板极限抗拔承载力系数的数值分析。考虑了在均质土和正常固结土条件下，不同斜坡坡角、锚土不同的粘结方式（锚土立即分离和锚土不分离）以及锚板不同的埋置角度（θ=0°和90°）对条形锚板极限抗拔承载力的影响。 论文第二部分采用耦合的欧拉-拉格朗日方法（CEL），建立了研究拖曳锚在黏土中的极限抗拔承载力的数值模型，计算结果与已有文献结果吻合较好。通过用户子程序VUSDFLD来实现黏土的应变软化。研究了不同软化参数的情况下，黏土应变软化对拖曳锚极限抗拔承载力的影响。研究发现拖曳锚峰值承载力几乎不受黏土应变软化的影响，但是其残余承载力受应变软化影响较大。 论文第三部分通过耦合的欧拉-拉格朗日法（CEL）建立三维锚链-土-锚板三者相互作用的数值模型，模拟了拖曳锚的嵌入安装过程。采用LINK单元模拟缆绳结构，通过改变拖曳锚不同的设计角探究了拖曳锚的运动特性，包括拖曳锚的下潜轨迹、系缆点拖曳力、拖曳锚的运动方向和拖曳角。计算结果可清晰地观察不同设计角下嵌入缆的反悬链形态，得到了拖曳锚随设计角变化的嵌入规律和受力特性。其次，通过改变Nc和μ的不同取值，揭示了Nc和μ对系缆点处拖曳力理论解推导的影响。采用变化的Nc推导得到的拖曳力与有限元计算的结果吻合较好。

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