粘土中傾斜荷載作用下深水吸力錨的極限承載力計(jì)算研究*

王麗勤龐然高杰

(1.中海油研究總院;2.海王星海上工程技術(shù)有限公司)

粘土中傾斜荷載作用下深水吸力錨的極限承載力計(jì)算研究*

王麗勤1龐然2高杰2

(1.中海油研究總院;2.海王星海上工程技術(shù)有限公司)

建立了適用于深水吸力錨的三維彈塑性有限元模型，對(duì)粘土中傾斜荷載作用下吸力錨的極限承載力進(jìn)行了計(jì)算，并采用塑性極限法的理論分析對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了校核，驗(yàn)證了有限元模型與計(jì)算結(jié)果的可靠性，為吸力錨在我國(guó)深水油氣田工程設(shè)施應(yīng)用的前期研究和設(shè)計(jì)提供了參考。

深水吸力錨傾斜荷載承載力塑性極限法有限元模型

隨著海上油氣開采邁入深海和超深海，各類浮式平臺(tái)都在不斷創(chuàng)新。作為深水油氣田開發(fā)工程設(shè)施的重要組成部分，錨泊基礎(chǔ)是平臺(tái)能否成功使用的前提條件。吸力錨是目前全球深水油氣田開發(fā)工程中應(yīng)用水深最大、海域范圍最廣的錨泊基礎(chǔ)，具有安裝方法簡(jiǎn)單，位置、方位、深度較準(zhǔn)確，能夠重復(fù)利用、適用于張緊式系泊等特點(diǎn)。目前國(guó)外在深水吸力錨的設(shè)計(jì)與海上安裝施工技術(shù)方面已經(jīng)非常成熟，應(yīng)用水深最大已超過(guò)2 500 m。而吸力錨在我國(guó)海上油氣田開發(fā)工程中的應(yīng)用還停留在淺海，技術(shù)相對(duì)落后。且深水吸力錨的設(shè)計(jì)與安裝更是剛剛起步，這就使得我們?cè)谏钏蜌馓镩_發(fā)生產(chǎn)中必然會(huì)面臨著昂貴的設(shè)計(jì)與設(shè)備租賃費(fèi)用，導(dǎo)致油氣田開發(fā)的投資增大。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于能夠承受傾斜荷載，且考慮深水因素設(shè)計(jì)吸力錨的研究工作相對(duì)較少。本文以南海某深水氣田為參考，針對(duì)深水粘土中吸力錨的特點(diǎn)，利用FLAC3D軟件對(duì)拉緊式系泊狀態(tài)下即傾斜荷載作用下的吸力錨的極限承載力進(jìn)行了計(jì)算，并利用塑性極限法理論分析對(duì)有限元模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了校核，驗(yàn)證了有限元模型與計(jì)算結(jié)果的可靠性，從而為促進(jìn)吸力錨在我國(guó)南海深水油氣田開發(fā)工程設(shè)施應(yīng)用的前期研究與設(shè)計(jì)提供了參考。

1 深水吸力錨設(shè)計(jì)要素分析

深水吸力錨的設(shè)計(jì)在以下幾個(gè)方面與淺水吸力錨存在差別:

(1)吸力錨的形狀和尺寸。在吸力錨的設(shè)計(jì)中，長(zhǎng)徑比(即基礎(chǔ)長(zhǎng)度與直徑的比值)是一個(gè)很重要的參數(shù)，它直接決定著吸力錨的極限承載力和基礎(chǔ)貫入設(shè)計(jì)深度的可行性。通常情況下，深水吸力錨的長(zhǎng)徑比比較大。

(2)系泊形式的選擇。隨著水深的逐步加大，深水吸力錨多數(shù)采用張緊式或半張緊式系泊，這主要是因?yàn)殡S著水深增加，懸鏈線式系泊的錨鏈和鋼筋束自重加大，水平剛度減小，錨泊有效性降低;另外，懸鏈線式錨泊系統(tǒng)覆蓋面積大，也影響當(dāng)?shù)毓芾|線的敷設(shè)和其他船舶的錨泊。

(3)吸力錨的系泊點(diǎn)位置。影響深水吸力錨承載能力的另外一個(gè)重要因素就是系泊點(diǎn)的位置。在荷載矢量作用下，當(dāng)吸力錨的破壞模式為只有平動(dòng)沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，吸力錨可以達(dá)到最大承載力，這種平動(dòng)破壞模式降低了吸力錨被拉出的幾率，吸力錨的剩余承載力彌補(bǔ)了吸力錨破壞時(shí)的延性。為了達(dá)到這種效果，系泊荷載的施加點(diǎn)要通過(guò)吸力錨軸線上的“最佳系泊點(diǎn)”［1］。

2 粘土中傾斜荷載作用下深水吸力錨的極限承載力計(jì)算

研究吸力錨的極限承載力問題，也就是研究吸力錨與周圍土體相互作用的問題。由于吸力錨和周圍土層2種材料的物理力學(xué)性質(zhì)相差很大，因此模擬兩者之間的接觸面成為了計(jì)算的難點(diǎn)。本文采用FLAC3D軟件中的接觸面單元INTERFACE模擬不同材料之間的相互作用，如吸力錨與土的接觸，巖體中的節(jié)理、斷層，以及地基與土體的接觸等。

計(jì)算中，采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型很好地模擬土體的剪應(yīng)力屈服特性，所采用的各向同性彈性本構(gòu)模型具有卸荷后變形可恢復(fù)的特性。土體單元采用柱形隧道外圍漸變放射網(wǎng)格radcylinder單元模擬，該單元可以很好地模擬大范圍的分層土體，并通過(guò)ratio的設(shè)置使得局部單元網(wǎng)格細(xì)化，計(jì)算速度得到提高。吸力錨單元采用柱形殼體網(wǎng)格cshell單元模擬，該單元可以很好地模擬薄壁殼體。

2.1 土層與模型參數(shù)選取

以南海某深水氣田為參考選取的土層及吸力錨參數(shù)見表1。

表1 南海某深水氣田土層及吸力錨參數(shù)

針對(duì)該深水氣田，擬采用直徑為5 m，壁厚為0.025 m，錨長(zhǎng)為20 m的吸力錨進(jìn)行計(jì)算;荷載作用點(diǎn)位于錨長(zhǎng)的2/3處，系泊角為20°?？紤]到結(jié)構(gòu)和荷載的對(duì)稱性，對(duì)吸力錨的結(jié)構(gòu)和土體計(jì)算區(qū)域的一半建立了有限元模型如圖1所示。

圖1 南海某深水氣田深水吸力錨有限元模型示意圖

2.2 邊界條件選取

邊界約束條件選取要根據(jù)實(shí)際情況而定，以能正確地反映力學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)為原則。本文的計(jì)算模型左、右、下、前、后邊界為位移約束，左右邊界μx=0，前后邊界μy=0，下邊界μx=0、μy=0、μz=0，模型約束圖如圖2所示。

圖2 南海某深水氣田深水吸力錨模型約束圖

2.3 極限承載力計(jì)算結(jié)果分析

施加荷載與水平方向夾角為20°，平衡后該深水吸力錨的位移云圖如圖3所示。分析認(rèn)為，該深水吸力錨的平均位移0.46 m，接近錨徑的10%，此時(shí)的吸力錨處于極限受力狀態(tài)［2］。

圖3 南海某深水氣田深水吸力錨位移分布圖

圖4給出了在該深水吸力錨達(dá)到極限承載力時(shí)土體的位移云圖，可以看出:受拉側(cè)土體下沉，受壓側(cè)土體拱起，在施加的傾斜荷載的作用下，吸力錨基本為平動(dòng)。此時(shí)，該深水吸力錨的水平承載力和豎向承載力分別為24 432 kN和8 892 kN。

圖4 南海某氣田深水吸力錨土體位移分布圖

該深水吸力錨達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)土體的塑性區(qū)分布如圖5所示，可以看出:土體大面積區(qū)域?yàn)榧羟衅茐?，在土體受拉側(cè)有明顯拉伸破壞區(qū)域。分析認(rèn)為，塑性區(qū)的分布和范圍與土體性質(zhì)和參數(shù)的選取有直接關(guān)系。

圖5 南海某深水氣田深水吸力錨極限狀態(tài)時(shí)土體的塑性區(qū)分布圖

2.4 承載力計(jì)算結(jié)果校核

利用塑性極限法［1-3］進(jìn)行吸力錨的水平極限承載力計(jì)算時(shí)，要考慮作用在吸力錨的極限表面?zhèn)茸枇蜆O限平均水平阻力的耦合作用:確定各土層的水平阻力系數(shù)，對(duì)作用面積內(nèi)的水平承載力代數(shù)求和，其中不排水抗剪強(qiáng)度的取值參考NGI對(duì)承載力計(jì)算時(shí)錨與土體之間不排水抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)，得到吸力錨的水平承載力為25 560 kN，豎向承載力為9 320 kN(包括錨側(cè)承載力和錨端承載力兩部分)。

表2 深水吸力錨承載力塑性極限法與有限元法的誤差分析

表2為南海某深水氣田深水吸力錨承載力塑性極限法與有限元法計(jì)算結(jié)果的誤差統(tǒng)計(jì)，可以看出:塑性極限法與有限元法計(jì)算結(jié)果比較吻合，水平承載力和豎向承載力的相對(duì)誤差均小于5%，說(shuō)明有限元法計(jì)算結(jié)果是可靠的。作為深水吸力錨極限承載力理論計(jì)算方法，塑性極限法具有計(jì)算簡(jiǎn)單方便的優(yōu)點(diǎn)，但由于該方法是建立在一些簡(jiǎn)化的假定前提下，當(dāng)結(jié)構(gòu)的型式或受力狀態(tài)復(fù)雜時(shí)，此方法的準(zhǔn)確性取決于它的假定條件與實(shí)際情況是否相符，因而其應(yīng)用受到限制;而三維有限元法盡管其模型中有些參數(shù)的準(zhǔn)確性需要大量試驗(yàn)確定，但此方法可以考慮非線性等因素，適應(yīng)復(fù)雜的幾何條件、材料特性和邊界條件等，能夠模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，運(yùn)用靈活，因此工程設(shè)計(jì)中常采用理論解與有限元計(jì)算法相結(jié)合的方法對(duì)方案進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于深水吸力錨的工程設(shè)計(jì)，重在解決因水深的變化給設(shè)計(jì)與安裝帶來(lái)的諸多問題，而國(guó)內(nèi)對(duì)此研究較少。因此，從分析吸力錨深水與淺水存在的差別出發(fā)，依托南海某深水氣田工程，以有限元分析軟件FLAC3D為平臺(tái)，對(duì)貫入在粘土中且承受傾斜荷載的吸力錨的極限承載力進(jìn)行計(jì)算研究，建立適用于深水吸力錨的三維彈塑性有限元模型，并利用塑性極限法理論解加以校核，驗(yàn)證了模型和計(jì)算結(jié)果的可靠性，為深水吸力錨的工程設(shè)計(jì)提供了參考。

［1］SPARREVIK P．Suction pile technology and installation in deep waters［C］．OTC14241:1-9．

［2］DNV．DNV-RP-E303 Geotechnical design and installation of suction anchors in clay［S］．2005．

［3］ANDERSEN K H，MURFF J D，RANDOLPH M F，et al．Suction anchors for deepwater applications［C］．ISFOG 2005:3-30．

Calculation study on the ultimate holding capacity of deepwater suction anchors against inclined load in clays

Wang liqin1Pang ran2Gao jie2
(1．CNOOC Research Institute，Beijing，100027;2．Neptune Offshore Engineering Development Co．Ltd．，Tianjin，300384)

The ultimate holding capacity of deepwater suction anchor under inclined load in clays is calculated by building a three dimensional finite element model．The calculation result is checked by the plastic limit theoretical analysis，which verifies the reliability of finite element model and calculation results．The findings presented in this paper could be useful for the early study and design of suction foundation for deepwater oil and gas engineering facilities in China．

deepwater;suction anchor;inclined load; holding capacity;plastic limit method;finite element model

2011-07-13改回日期:2011-09-17

(編輯:葉秋敏)

*國(guó)家科技重大專項(xiàng)“南海深水油氣勘探開發(fā)示范工程(編號(hào):2008ZX05056)”部分研究成果。

王麗勤，女，畢業(yè)于大連理工大學(xué)港口海岸與近海工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事海洋工程研究工作。地址:北京市東城區(qū)東直門外小街6號(hào)海油大廈906室(郵編:100027)。電話:010-84523725。