專利名稱：考慮錨鏈與土體作用的深海錨固基礎(chǔ)承載力計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于海上錨固基礎(chǔ)系泊技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種深海錨固基礎(chǔ)承載力計(jì)算方法。
背景技術(shù)：
當(dāng)下時代和未來一段可預(yù)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(yè)條件較為復(fù)雜，不確定性較多。深海石油平臺在作業(yè)過程中，往往需要對其進(jìn)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(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，加強(qiáng)其對復(fù)雜工況的適應(yīng)性。錨固主要是需要錨鏈將上部結(jié)構(gòu)系泊于錨固基礎(chǔ)。錨鏈需在海洋土體中有一定埋深。因此研究錨鏈的力學(xué)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(xué)性能，之前一般使用懸鏈線方程(一種計(jì)算錨鏈力學(xué)響應(yīng)的方程)來計(jì)算錨鏈?zhǔn)芰憫?yīng)的情況，對于錨鏈與土體相互作用關(guān)系，采用過模型試驗(yàn)和理論分析的辦法對其進(jìn)行模擬和計(jì)算。但是進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)所需成本很高，且實(shí)驗(yàn)所取得的數(shù)據(jù)有限，不能反映土性變化對這一過程的影響。且試驗(yàn)的可重復(fù)性難度很大。由于土與錨鏈相互作用的復(fù)雜性，理論計(jì)算方式存在較明顯的缺陷，不便于結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用，且輸出的結(jié)果不易于直觀顯示。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種能夠有效提高計(jì)算的準(zhǔn)確性和可行性，評價深海錨固基礎(chǔ)的穩(wěn)定性的深海錨固基礎(chǔ)承載力計(jì)算方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種考慮錨鏈與土體作用的深海錨固基礎(chǔ)承載力計(jì)算方法I)將錨固系統(tǒng)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(yīng)并確定錨固位置處的反力，根據(jù)懸鏈線方程獲得錨鏈初始形態(tài)方程，建立錨鏈線深入土體中的初始狀態(tài)模型；2)建立錨鏈與土的相互接觸體系根據(jù)錨鏈線深入土體中的初始狀態(tài)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(diào)整出土端的荷載值，提取相應(yīng)的錨固端的荷載響應(yīng)值，確定出土端的荷載和錨固端荷載的關(guān)系。4)在仿真數(shù)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(yīng)力場并且產(chǎn)生錨鏈影響之后的應(yīng)力場，建立吸力錨與如上之土體的相互作用之模型關(guān)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(jù)此，繪制吸力錨的P S曲線，即力和位移的關(guān)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(jù)第三步得到的出土端力值和錨固端力值的關(guān)系曲線，確定對應(yīng)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(fā)明使用數(shù)值模擬方法來研究海上錨鏈錨固的力學(xué)響應(yīng)，得到深海錨固基礎(chǔ)與海洋土體之間的相互作用關(guān)系，從清楚直接的反應(yīng)錨鏈入土后其與土體間的力學(xué)響應(yīng)。并可以通過此方法能夠更加準(zhǔn)確的確定通過錨鏈(系泊纜)錨固于吸力錨的作業(yè)狀態(tài)在不同土性作業(yè)條件下的極限承載力。
具體實(shí)施方案本發(fā)明采用數(shù)值模擬的方式來模擬錨鏈的力學(xué)性能及其與土體的相互作用機(jī)理， 提出了一套模擬錨鏈與土相互作用的模擬方法。在數(shù)值模擬界面中，將土體一錨鏈和錨固基礎(chǔ)三者進(jìn)行拆分處理，該方法需對錨鏈和土體進(jìn)行建模分析，錨鏈深入土體，與土體存在摩擦響應(yīng)，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(jìn)行有效的摩擦契合。在數(shù)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(guān)系。進(jìn)而求解受荷后錨鏈與土體相互作用的力學(xué)響應(yīng)，求取深海錨固基礎(chǔ)承載力。在此錨固基礎(chǔ)以吸力錨形式為例。具體方法如下I.將錨固系統(tǒng)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(yīng)并確定錨固位置處的反力，根據(jù)懸鏈線方程獲得錨鏈初始形態(tài)方程，建立錨鏈線深入土體中的初始狀態(tài)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(yīng)，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(jìn)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(yīng)的錨固端的荷載響應(yīng)值，并且不斷調(diào)整出土端的荷載值，相應(yīng)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(guān)系。4.錨鏈深入土體之后，必定影響土體原始的自重應(yīng)力場，并且同時產(chǎn)生了錨鏈影響之后的應(yīng)力場，吸力錨即在該應(yīng)力場條件之土體中進(jìn)行錨固作業(yè)任務(wù)，在仿真數(shù)值模擬界面中，建立吸力錨與如上之土體的相互作用之模型關(guān)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(jù)此，繪制吸力錨的P S曲線，即力和位移的關(guān)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(jù)第三步得到的出土端力值和錨固端力值的關(guān)系曲線，確定對應(yīng)的出土端的荷載值，即為此種工況條件下的錨固極限荷載。對于不同海區(qū)，不同地質(zhì)條件的區(qū)域其土性條件必然不相同，在不同土性條件下進(jìn)行海上錨固，都可以采用的數(shù)值模擬方法對其進(jìn)行模擬。且模擬過程相對簡單。只需要在建立的模型之上調(diào)整土性參數(shù)和錨鏈形式就可以達(dá)到要求，便于工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)掌握。且對于不同形式的錨鏈(系泊纜)形式亦可以進(jìn)行反復(fù)模擬。通過數(shù)值模擬的方式可以直觀得觀察到錨鏈入土后其與土體之間的相互作用關(guān)系，得到相應(yīng)的土體的力學(xué)響應(yīng)。可以相對節(jié)省不同海區(qū)試驗(yàn)的高昂成本。且結(jié)果以圖像形式反映，更為直觀的反映出這一模型的響應(yīng)結(jié)果。不同海區(qū)賦予土層不同參數(shù)，即可得到不同施工作業(yè)區(qū)域的土體響應(yīng)，亦可按照技術(shù)方案中所論得到該種條件下的錨固極限承載能力，確保施工作業(yè)的安全。亦即針對不同海區(qū)采用該方法進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，可以得出土體響應(yīng)以及錨固基礎(chǔ)極限承載等諸多直觀有益結(jié)論。
采用本發(fā)明的針對南中國海海洋地質(zhì)條件深海錨固研究采取了上述仿真模擬，得到南中國海之錨固響應(yīng)以及南中國海地質(zhì)條件下的極限承載力。在仿真模擬界面中采用上述方法，對土體輸入南中國海海洋土體特征參數(shù)，對錨固基礎(chǔ)極限承載力及錨鏈錨固體系對海洋土體之相互聯(lián)系和影響做了相應(yīng)分析。
權(quán)利要求
1.一種考慮錨鏈與土體作用的深海錨固基礎(chǔ)承載力計(jì)算方法 1)將錨固系統(tǒng)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(yīng)并確定錨固位置處的反力，根據(jù)懸鏈線方程獲得錨鏈初始形態(tài)方程，建立錨鏈線深入土體中的初始狀態(tài)模型； 2)建立錨鏈與土的相互接觸體系根據(jù)錨鏈線深入土體中的初始狀態(tài)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(diào)整出土端的荷載值，提取相應(yīng)的錨固端的荷載響應(yīng)值，確定出土端的荷載和錨固端荷載的關(guān)系。
4)在仿真數(shù)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(yīng)力場并且產(chǎn)生錨鏈影響之后的應(yīng)力場，建立吸力錨與如上之土體的相互作用之模型關(guān)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(jù)此，繪制吸力錨的P-S曲線，即力和位移的關(guān)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(jù)第三步得到的出土端力值和錨固端力值的關(guān)系曲線，確定對應(yīng)的出土端的荷載值，即為此種工況條件下的錨固極限荷載。
全文摘要
本發(fā)明屬于海上錨固基礎(chǔ)系泊技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種考慮錨鏈與土體作用的深海錨固基礎(chǔ)承載力計(jì)算方法，包括將錨固系統(tǒng)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，獲得錨鏈初始形態(tài)方程，建立錨鏈線深入土體中的初始狀態(tài)模型；建立錨鏈與土的相互接觸體系；確定出土端的荷載和錨固端荷載的關(guān)系；建立吸力錨與如上之土體的相互作用之模型關(guān)系，繪制吸力錨的P-S曲線，即力和位移的關(guān)系曲線，得到吸力錨的破壞荷載，亦即錨固位置處的荷載的極限值；確定錨固極限荷載。本發(fā)明可以清楚直接的反應(yīng)錨鏈入土后其與土體間的力學(xué)響應(yīng)。能夠更加準(zhǔn)確的確定不同土性作業(yè)條件下的極限承載力。
文檔編號G06F19/00GK102708302SQ20121018268
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月5日
發(fā)明者吳蘊(yùn)洲, 李颯 申請人:天津大學(xué)