考虑土塞效应的吸力锚抗拔特性研究

2020-10-29刘姗姗伍海华

科技视界 2020年28期

邱月刘姗姗伍海华

（1.山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东青岛 266590；2.聊城大学东昌学院，山东聊城 252000）

0 引言

随着陆产能源的开发程度趋于饱和，面对紧张的能源问题人们开始寻求新的出路，现代科学技术的发展让人类把目光由陆地转向海洋。何琦等[1]在报告中指出海洋石油资源量为1 350 亿吨，约占世界总石油资源的34%；深海里蕴藏的待开发的油气资源约占世界总待开发资源的46%。海洋油气资源已经成为陆地油气资源的重要替代，我国已经将开发和利用深海油气资源作为一项重要战略举措[2]。

以南海981 钻井平台的吸力锚锚固基础作为研究对象，海床的主要组成为砂土，砂土处于饱和不排水状态，砂粒之间的摩擦系数为0.25，渗透系数为0.7，密度ρ=2 020 kg/m3，弹性模量 E=0.03 GPa，泊松比 μ=0.3，摩擦角 φ=30°，剪胀角 ψ=25°，凝聚力 c=0.1 kPa。

1 模型建立

朱兴运[3]通过模型实验说明，在密实砂土中吸力锚的长径比应该大于1.5 才能发挥比较优秀的承载能力。因此本次模拟的吸力锚长径比L/D=3、厚度t=0.1 m。模拟过程中选取的土体计算范围宽度上取延锚径方向为10 倍的吸力锚直径，土体沿锚壁方向上取8 倍的吸力锚直径。

吸力锚和土体模型的网格划分中单元内心都采用C3D8 单元，吸力锚的加载方法采用控制荷载加载法，由于极限抗拔力判定标准的不统一，文中对模拟结果将对吸力锚的水平方向上发生的位移和竖直方向发生的位移进行分开处理。

2 考虑土塞对吸力锚抗拔性能的影响分析

丁红岩等[5]认为由于无法直接获得施工过程中土塞的高度，但通过沉贯完成后锚顶面与海底泥面的距离推算土塞高度大约在0.3 m。在1980 年的GORM[6]油田进行的吸力锚沉贯工程中，形成的土塞高度将近3 m。将对长径比为3 的吸力锚在产生0.5 m和2 m 土塞的情况与没有产生土塞的情况下进行比较，用T 表示土塞高度，通过模拟结果对比找出土塞效应对吸力锚抗拔性能的影响。

图1 h/L=0 时不同加载角度下吸力锚的极限抗拔力

2.1 h/L=0 处系泊点各加载角度的加载情况

将T=0，T=0.5，T=2 的吸力锚在荷载作用于锚顶部的各个角度的抗拔极限荷载值统计于图1。

通过图1 可以看出在T=2 m 时极限抗拔力从Ф=0°到Ф=60°都是逐渐增大的过程，在水平荷载作用时吸力锚的承载能力只为650 kN，远远小于T=0 m（2 260 kN）和 T=0.5 m（1 890 kN），出现这样的原因为荷载作用在带有土塞的吸力锚锚顶时，荷载水平分量会对露出土体的部分产生力矩，形成杠杆效应，从而更加容易地达到破坏标准。

2.2 h/L=0.5 处系泊点各加载角度的加载情况

如图2 荷载作用在吸力锚的中部系泊点，可以看出T=0 m 和T=0.5 m 的吸力锚的极限抗拔力随着荷载角度的增大而逐渐减小。在中部系泊点时土塞对吸力锚的主要影响荷载角度Ф＜30°的水平破坏，且土塞高度越大吸力锚水平破坏现象越明显，当荷载角度Ф＞30°时，土塞效应对吸力锚的竖直上拔影响较小。

图2 h/L=0.5 时不同加载角度下吸力锚的极限抗拔力

2.3 h/L=1 处系泊点各加载角度的加载情况

从图3 中可以看出荷载作用点位于底部土塞效应对吸力锚承载能力主要还是对Ф＜30°的偏水平载荷影响较大，在Ф=0°是T=0 的极限抗拔力为9 848 kN，T=0.5 m 的极限抗拔力为8 470 kN，T=2 的极限抗拔力为4 561 kN，可见T=0 m 与T=0.5 m 之间的极限抗拔力相距较小，两者之比为1.16，T=0 m 与T=2 m 之间的极限抗拔力相差很大，两者之比为2.16。随着加载角度的增加，三种土塞高度的吸力锚的极限抗拔力由土塞高度的增大而减小但三者的数值差距并不大，再次证明土塞高度对加载角度Ф＞30°的荷载的极限抗拔力影响效果不是很明显。