双层黏土中吸力嵌入式板锚旋转过程的大变形有限元分析

作     者：高鹏 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张雷克;赵燕兵

授予年度：2023年

学科分类：081401[工学-岩土工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：双层黏土 埋深损失 极限抗拔承载力 大变形有限元 经验公式 

摘      要：随着石油、天然气等石化资源的开发逐渐挺进深海,大型海洋浮式作业平台的生产运行面临着诸多环境与技术挑战。锚固系统作为海洋浮式作业平台的重要组成部分,承担着保护平台安全运行的关键任务。在众多的锚固结构中,吸力嵌入式板锚(Suction Embedment Plate Anchor-SEPLA)具有安装成本低、定位准确以及可回收利用等优点,具有广阔的发展前景。板锚在定向安装至目标深度之后,通过张紧系泊缆绳调整板锚的位置,使之与缆绳垂直,实现法向承载与板锚的抗拉能力最大化,该过程称为板锚的旋转调节过程。板锚在上拔过程中,势必会带来锚板中心点埋深的损失,从而降低板锚的承载能力,最终影响海上平台的稳定性。因此,对板锚旋转调节过程所造成埋深损失以及其承载力特性的研究具有重要的工程意义与科研价值。目前,对SEPLA的旋转调节过程研究主要集中在单层均质土或正常固结黏土中,而在实际的海洋环境中,海床构造复杂,常常会出现土体分层的现象,海底沉积物通常包括不同厚度和性质的离散层。现阶段对板锚在双层甚至多层黏土中的运动特性研究相对较少,迫切需要可靠高效的数值分析技术对板锚的运动特性进行研究。本文以吸力嵌入式板锚(Suction Embedment Plate Anchor-SEPLA)为研究对象,借助ABAQUS有限元软件,采用大变形有限元分析技术——耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)法,对板锚在不同初始埋深h、不同土层强度比s/s以及不同系缆点距土体分界线距离d的双层均质黏土中的旋转调节特性进行了研究。得到埋深损失与承载力的变化规律,并与板锚在单层土体中的结果进行对比,以期获得对工程应用有益的规律及结论。并最终建立起计算板锚埋深损失和极限抗拔承载力系数的经验公式。本文的主要工作如下:(1)选择分析方法并完成模型验证针对土体发生破坏时的特殊性以及对计算结果精确性的要求,选用大变形有限元分析技术CEL法,并构建相应的有限元模型。通过与两个经典试验的计算结果对比,验证CEL法的有效性。(2)分析不同初始条件下板锚的旋转调节特性在不同的初始埋深下,考察不同系缆点距上下层土体分界线距离d及强度比s/s对板锚在双层均质黏土中埋深损失与极限抗拔承载力的影响,通过分析板锚周围土体的流动机制,明确了板锚在双层均质黏土中旋转特性变化的原因。(3)提出板锚在双层均质黏土中埋深损失与极限抗拔承载力系数的经验公式对168组工况的计算结果进行拟合,得出板锚埋深损失与极限抗拔承载力系数的经验公式。后续又设计了18组计算工况来验证公式的精确性和适用性,计算结果的最大平均相对误差为6.8%。