粘土中倾斜荷载作用下深水吸力锚的极限承载力计算研究

中国海上油气

CHINAOFFSHOREOILANDGAS

Vol．24No．3Jun．2012

粘土中倾斜荷载作用下深水吸力锚的

极限承载力计算研究

王丽勤

1

*

庞然

2

高杰

2

（1.中海油研究总院；2.海王星海上工程技术有限公司）

建立了适用于深水吸力锚的三维弹塑性有限元模型，对粘土中倾斜荷载作用下吸力锚的极

限承载力进行了计算，并采用塑性极限法的理论分析对计算结果进行了校核，验证了有限元模型与计摘

要

算结果的可靠性，为吸力锚在我国深水油气田工程设施应用的前期研究和设计提供了参考。关键词

深水

吸力锚

倾斜荷载

承载力

塑性极限法

有限元模型

随着海上油气开采迈入深海和超深海，各类浮式平台都在不断创新。作为深水油气田开发工程设施的重要组成部分，锚泊基础是平台能否成功使用的前提条件。吸力锚是目前全球深水油气田开发工程中应用水深最大、海域范围最广的锚泊基础，具有安装方法简单，位置、方位、深度较准确，能够重复利用、适用于张紧式系泊等特点。目前国外在深水吸力锚的设计与海上安装施工技术方面已经非常成熟，应用水深最大已超过2500m。而吸力锚在我国海上油气田开发工程中的应用还停留在浅海，技术相对落后。且深水吸力锚的设计与安装更是刚刚起步，这就使得我们在深水油气田开发生产中必然会面临着昂贵的设计与设备租赁费用，导致油气田开发的投资增大。目前国内对于能够承受倾斜荷载，且考虑深水因素设计吸力锚的研究工作相对较少。本文以南海某深水气田为参考，针对深水粘土中吸力锚的特点，利用FLAC3D软件对拉紧式系泊状态下即倾斜荷载作用下的吸力锚的极限承载力进行了计算，并利用塑性极限法理论分析对有限元模型计算结果进行了校核，验证了有限元模型与计算结果的可靠性，从而为促进吸力锚在我国南海深水油气田开发工程设施应用的前期研究与设计提供了参考。

（1）吸力锚的形状和尺寸。在吸力锚的设计中，长径比（即基础长度与直径的比值）是一个很重要的参数，它直接决定着吸力锚的极限承载力和基础贯入设计深度的可行性。通常情况下，深水吸力锚的长径比比较大。

（2）系泊形式的选择。随着水深的逐步加大，深水吸力锚多数采用张紧式或半张紧式系泊，这主要是因为随着水深增加，悬链线式系泊的锚链和钢筋束自重加大，水平刚度减小，锚泊有效性降低；另外，悬链线式锚泊系统覆盖面积大，也影响当地管缆线的敷设和其他船舶的锚泊。

（3）吸力锚的系泊点位置。影响深水吸力锚承载能力的另外一个重要因素就是系泊点的位置。在荷载矢量作用下，当吸力锚的破坏模式为只有平动吸力锚可以达到最大承载力，这种平动没有转动时，

破坏模式降低了吸力锚被拉出的几率，吸力锚的剩余承载力弥补了吸力锚破坏时的延性。为了达到这种效果，系泊荷载的施加点要通过吸力锚轴线上的

［1］“最佳系泊点”。

2

粘土中倾斜荷载作用下深水吸力锚

的极限承载力计算

1深水吸力锚设计要素分析

研究吸力锚的极限承载力问题，也就是研究吸力锚与周围土体相互作用的问题。由于吸力锚和周围土层2种材料的物理力学性质相差很大，因此模拟两者之间的接触面成为了计算的难点。本文采用

深水吸力锚的设计在以下几个方面与浅水吸力锚存在差别：

*国家科技重大专项“南海深水油气勘探开发示范工程（编号：2008ZX05056）”部分研究成果。第一作者简介：王丽勤，女，毕业于大连理工大学港口海岸与近海工程专业，获博士学位，现主要从事海洋工程研究工作。地址：北京市东

84523725。城区东直门外小街6号海油大厦906室（邮编：100027）。电话：010-

76中国海上油气2012年

FLAC3D软件中的接触面单元INTERFACE模拟不

如吸力锚与土的接触，岩体同材料之间的相互作用，

中的节理、断层，以及地基与土体的接触等。

计算中，采用摩尔-库伦本构模型很好地模拟土体的剪应力屈服特性，所采用的各向同性弹性本构模型具有卸荷后变形可恢复的特性。土体单元采用柱形隧道外围渐变放射网格radcylinder单元模拟，该单元可以很好地模拟大范围的分层土体，并通过ratio的设置使得局部单元网格细化，计算速度得到提高。吸力锚单元采用柱形壳体网格cshell单元模拟，该单元可以很好地模拟薄壁壳体。2.1

土层与模型参数选取

算模型左、右、下、前、后边界为位移约束，左右边界

μx=0，前后边界μy=0，下边界μx=0、μy=0、μz=0，模型约束图如图2所示。

图2南海某深水气田深水吸力锚模型约束图

以南海某深水气田为参考选取的土层及吸力锚

参数见表1。

表1

名称土层1土层2土层3土层4土层5土层6吸力锚

2.3极限承载力计算结果分析

南海某深水气田土层及吸力锚参数

体积模量/MPa1.081.584.172.254.176.67175000

剪切模量有效重度/MPa/（kN·m－3）0.500.731.921.041.923.0880000

99999978.49

粘聚力

/kPa10.0824.2833.9449.9261.3361.33

施加荷载与水平方向夹角为20°，平衡后该深

该深水吸力锚的位移云图如图3所示。分析认为，水吸力锚的平均位移0.46m，接近锚径的10%，此

［2］

时的吸力锚处于极限受力状态。

埋深/m1.04.68.015.020.030.0

针对该深水气田，拟采用直径为5m，壁厚为0.025m，锚长为20m的吸力锚进行计算；荷载作用点位于锚长的2/3处，系泊角为20°。考虑到结构和荷载的对称性，对吸力锚的结构和土体计算区域的一半建立了有限元模型如图1所示。

图3

南海某深水气田深水吸力锚位移分布图

图4给出了在该深水吸力锚达到极限承载力时

土体的位移云图，可以看出：受拉侧土体下沉，受压侧土体拱起，在施加的倾斜荷载的作用下，吸力锚基本为平动。此时，该深水吸力锚的水平承载力和竖向承载力分别为24432kN和8892kN。

图1南海某深水气田深水吸力锚有限元模型示意图

2.2边界条件选取

边界约束条件选取要根据实际情况而定，以能

正确地反映力学系统的实际状态为原则。本文的计

图4南海某气田深水吸力锚土体位移分布图

第24卷第3期王丽勤等：粘土中倾斜荷载作用下深水吸力锚的极限承载力计算研究77

该深水吸力锚达到极限状态时土体的塑性区分

可以看出：土体大面积区域为剪切破布如图5所示，

坏，在土体受拉侧有明显拉伸破坏区域。分析认为，塑性区的分布和范围与土体性质和参数的选取有直

接关系。

性和边界条件等，能够模拟复杂结构的受力状态，运

因此工程设计中常采用理论解与有限元计用灵活，

算法相结合的方法对方案进行验证。

3结束语

对于深水吸力锚的工程设计，重在解决因水深

的变化给设计与安装带来的诸多问题，而国内对此研究较少。因此，从分析吸力锚深水与浅水存在的差别出发，依托南海某深水气田工程，以有限元分析软件FLAC3D为平台，对贯入在粘土中且承受倾斜

建立适荷载的吸力锚的极限承载力进行计算研究，用于深水吸力锚的三维弹塑性有限元模型，并利用

塑性极限法理论解加以校核，验证了模型和计算结

图5

南海某深水气田深水吸力锚极限状态时土体

的塑性区分布图

果的可靠性，为深水吸力锚的工程设计提供了参考。

参

考

文

献

2.4承载力计算结果校核

［1-3］

［1］SPARREVIKP．Suctionpiletechnologyandinstallationindeepwa-ters［C］．OTC14241：1-9．

［2］DNV．DNV-RP-E303Geotechnicaldesignandinstallationofsuc-S］．2005．tionanchorsinclay［

［3］ANDERSENKH，MURFFJD，RANDOLPHMF，etal．Suctionan-C］．ISFOG2005：3-30．chorsfordeepwaterapplications［07-13收稿日期：2011-09-17改回日期：2011-

利用塑性极限法进行吸力锚的水平极限承

要考虑作用在吸力锚的极限表面侧阻载力计算时，

力和极限平均水平阻力的耦合作用：确定各土层

的水平阻力系数，对作用面积内的水平承载力代数求和，其中不排水抗剪强度的取值参考NGI对承载力计算时锚与土体之间不排水抗剪强度折减

得到吸力锚的水平承载力为25560kN，竖向系数，

承载力为9320kN（包括锚侧承载力和锚端承载力两部分）。

表2为南海某深水气田深水吸力锚承载力塑性极限法与有限元法计算结果的误差统计，可以看出：塑性极限法与有限元法计算结果比较吻合，水平承载力和竖向承载力的相对误差均小于5%，说明有限元法计算结果是可靠的。作为深水吸力锚极限承载力理论计算方法，塑性极限法具有计算简单方便的优点，但由于该方法是建立在一些简化的假定前提下，当结构的型式或受力状态复杂时，此方法的准确性取决于它的假定条件与实际情况是否相符，因而其应用受到限制；而三维有限元法尽管其模型中有些参数的准确性需要大量试验确定，但此方法可以考虑非线性等因素，适应复杂的几何条件、材料特

表2

深水吸力锚承载力塑性极限法与有限元法的误差分析

承载力水平承载力/kN

竖向承载力/kN

塑性极限法255609320

有限元法244328892

误差/%4.44.6

（编辑：叶秋敏）

Calculationstudyontheultimateholdingcapacityofdeepwatersuctionanchorsagainstinclinedloadinclays

Wangliqin1

Pangran2

Gaojie2

（1．CNOOCResearchInstitute，Beijing，100027；2．NeptuneOffshoreEngineeringDevelopmentCo．Ltd．，Tianjin，300384）

Abstract：Theultimateholdingcapacityofdeepwatersuctionanchorunderinclinedloadinclaysiscalculat-edbybuildingathreedimensionalfiniteelementmod-el．Thecalculationresultischeckedbytheplasticlim-ittheoreticalanalysis，whichverifiesthereliabilityoffiniteelementmodelandcalculationresults．Thefind-ingspresentedinthispapercouldbeusefulfortheear-lystudyanddesignofsuctionfoundationfordeepwateroilandgasengineeringfacilitiesinChina．

Keywords：deepwater；suctionanchor；inclinedload；holdingcapacity；plasticlimitmethod；finiteelementmodel