[发明专利]用于测量锚在土中运动轨迹和承载力的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量锚在土中运动轨迹和承载力的装置及方法，属于海洋工程技术领域。

背景技术

随着国民经济的高速发展和对化石能源的不断需求，石油天然气开采由浅海逐渐向深海过渡。锚是船舶和海洋浮式结构的基础，通过锚链与上部平台结构连接，并依靠海床土的锚固力抵抗上部结构传递的荷载。锚的承载力大小与锚在土中的姿态有很大关系，当上拔荷载方向与锚的轴线方向大致垂直时，锚的承载力最大。因此，要深入研究锚在土中的运动机理，就必须准确测量锚的运动轨迹和承载力。当上拔荷载超过海床土的承载能力时，锚将会发生运动，包括竖直方向的平动(Δz)、水平方向的平动(Δx)和沿轴线的转动(α)三个自由度。由三个位移改变量可以确定锚的运动轨迹。锚的承载力指锚眼位置处受到的上拔荷载，包括大小(T_a)和方向(θ_a)两个参数；埋在土中部分的锚链也提供一部分抗拔力，锚和锚链受到的总体上拔力称为整体承载力，包括大小(T₀)和方向(θ₀)两个参数。综上，要确定锚的运动轨迹有三个参数，分别是Δz、Δx、α；要确定锚的承载力有四个参数，分别是T_a、θ_a、T₀、θ₀。

模型试验是研究岩土工程问题的一种重要手段，它既可用来检验各种理论分析和数值计算的结果，也可用来直接指导实际工程的设计和施工。在实验室里适用于预测模型锚运动轨迹和承载力的方法包括离心模型试验(ng)和常规重力试验(1g)。之前关于锚承载力和运动轨迹的研究成果总结如下：

1994年，Neubecker和Randolph^[1]进行了拖曳锚在砂土中切削安装过程的离心模型试验，在模型锚的上表面固定一个与之垂直的探针，通过露在土外侧的探针长度和倾斜角度可确定锚竖直方向的埋深、水平方向的位移和旋转角度，并由三个位移变化量确定锚在土中的运动轨迹。该方法操作便捷，计算公式简单，但探针自重和受到的土阻力会改变整体的重心位置和受力点位置，进而影响锚的运动轨迹。

2000年，Dahlberg和Strom^[2]在黏土中进行了拖曳锚的海岸场地测试，模型锚的尺寸是原型的30-40％，将轨迹跟踪器固定在锚板上，可测得锚的方位角、旋转角和拖曳力。用位移传感器测量锚在土中走过的距离。根据测到的方位角、旋转角和距离，可以计算出锚在土中的运动轨迹。试验结果表明，初始段预测的运动轨迹与实际测量结果比较一致，但随着运动距离的增大，二者的偏差逐渐增大。且轨迹跟踪器的尺寸比较大，不适合用于小比尺模型试验中。

2000年，Goncalves^[3]等在黏土中进行了拖曳锚安装过程的水槽试验。该试验设计了一套定位系统，在模型锚上固定三根碳纤维绳，将三个位移传感器分别连在三根绳的另一端，由传感器测到的位移改变量可反推出模型锚在土中的位置和转角。该方法操作简单，但由于绳子是柔性的，在土中受阻力影响时其形状不是斜直线，而文中假定绳子在土中保持直线形式，所以计算结果误差比较大。

2000年，Nunes^[4]等设计了一套适用于现场测试的预测拖曳锚运动轨迹的装置。该装置主要包括光学编码器和磁感线发射器，能够捕捉锚板的倾斜角、旋转角和位移，用迭代公式可以确定锚板的运动轨迹。该方法适用于现场测试或大比尺模型试验，由于装置尺寸较大而不适合用于小比尺模型试验中。

2002年，Elkhatib^[5]等在高岭土中进行了拖曳锚安装过程的离心模型试验，将高锰酸钾晶体粘在模型锚上，当锚运动时高锰酸钾会在土中留下痕迹。试验结束后将土小心剖开，可以清晰看到锚的运动轨迹。该方法操作难度大，剖开土体时不可避免会使痕迹周围的土受到扰动。且该方法只适用于小比尺模型试验，不适合用于大比尺模型试验或现场测试中。

2007年，Shelton^[6]等在透明土中模拟了板翼动力锚的旋转调节过程，试验槽(长×宽×高＝1.8×0.6×1.5m)的四面为透明的玻璃，便于观测试验结果。用锂皂石粉末加水搅拌成一种半透明的胶状体模拟海洋土，在试验时可以直接观察到锚的运动轨迹。但由于人工合成的透明土与天然土的性质差异较大，所以得到结果不能直接应用到实际工程中。三轴试验表明^[7]，透明土达到峰值强度时的应变大于自然土，且模拟孔隙流体的溶液会影响透明土的压缩固结曲线，因此透明土试验测试结果与实际情况有较大差异。