【论文推荐】| 饱和黏土海床展翼板锚调位拉拔过程运动特性及设计优化

论文导读与观点概要

一、研究目的

随着中国海洋油气和清洁能源开发逐步走向深远海，浮式平台作为深远海能源开发的核心设备，其安全可靠的锚固技术成为关键瓶颈。展翼板锚作为一种新型锚固基础，具有承载力高、造价低、安装便捷和定位准确的显著优势，在深远海能源开发工程中展现出广阔的应用前景。然而，展翼板锚在饱和黏土海床中完成吸力沉箱安装后，需通过锚链拖曳实现锚板展开与闭合，该过程被称为”调位拉拔”（Keying）。在此过程中，锚板旋转并产生竖向位移，导致板锚中心竖向位移——即”埋深损失”。由于黏土海床土体抗剪强度通常随深度增加而增大，埋深损失将直接导致展翼板锚承载力降低，严重影响其工程安全性。因此，深入理解展翼板锚Keying过程的运动特性与力学机制，揭示锚板打开机制，并探究减小埋深损失的优化设计方法，对推动展翼板锚在海洋工程中的广泛应用具有重要的理论价值和工程意义。

二、研究方法

本文采用耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法，在ABAQUS平台下建立了展翼板锚Keying过程的大变形有限元数值模型。CEL方法综合了欧拉分析和拉格朗日分析的优点，能够精确模拟材料在大变形过程中的流动行为，通过计算欧拉体积分数（EVF）获得材料的流动状态。模型中，海床土体视为均质饱和黏土，采用Tresca强度准则，不排水抗剪强度su=50 kPa，泊松比0.49，弹性模量E=500su；展翼板锚锚板视为刚体，锚板高度B/2=2.32 m，厚度t=0.16 m，长度B=4.64 m，模型尺寸与西非海洋工程实际板锚相近。数值模型通过模拟文献中吸力贯入式板锚（SEPLA）的上拔过程进行验证，模拟获得的埋深损失与文献结果偏差仅6%，证实了模型的有效性。在此基础上，系统设计了多组参数分析方案：（1）土体不排水抗剪强度su取10、20、30、40和50 kPa五种工况；（2）锚板厚度比t/B取0.02、0.04、0.06、0.08和0.10五种工况；（3）偏心系数η取0.3～1.4范围内多组工况。通过数值模拟获取展翼板锚Keying过程中的运动轨迹、旋转角演化、土阻力演化及埋深损失等关键参数，并基于力矩平衡理论解析锚板打开的力学机制。

三、研究结果

（1）运动轨迹与旋转特征：展翼板锚Keying过程可划分为四个阶段。第一阶段（旋转角90°>α>80°）：板锚缓慢旋转，埋深损失速率较大；第二阶段（α=80°～60°）：板锚快速打开和旋转，埋深损失达到最大；第三阶段（α=60°～20°）：板锚继续快速旋转但出现”下潜”现象，埋深损失减小，板锚下潜约0.06B；第四阶段（α=20°～0°）：板锚再次向上运动，发生埋深损失，直至板锚呈水平状态，Keying过程结束。

（2）锚板打开机制：在第一阶段，锚板所受竖向土阻力Rz对锚眼产生打开力矩Mo，水平向土阻力Rx对锚眼产生关闭力矩Mc。锚板是否打开及旋转速度取决于Mo与Mc之间的竞争关系——Mo越大、Mc越小，板锚打开越快。当旋转角α<60°时，锚眼位置高于锚板中心，关闭力矩Mc方向发生反转，由阻碍转动转变为推动转动，锚板进入快速打开状态。

（3）土体强度影响：随着不排水抗剪强度su从10 kPa增大至50 kPa，板锚最终埋深损失从0.199B增大至0.271B，增幅达36.2%。这是因为土体强度增大导致侧向土阻力增大，锚翼更难展开。

（4）锚板厚度影响：随着t/B从0.02增大至0.10，板锚埋深损失从0.25B减小至0.18B，但减小速率逐渐趋缓。t/B=0.08和0.10时最终埋深损失基本相同，表明存在最优厚度范围。

（5）偏心系数影响：随着偏心系数η增大，板锚埋深损失先减小后增加，当η=0.8时埋深损失最小。

四、研究结论

建立饱和黏土海床展翼板锚Keying过程的大变形有限元模型，分析展翼板锚Keying过程中的运动特征和翼板打开机制，研究土体不排水抗剪强度、锚板厚度和偏心系数对展翼板锚拉力系数和埋深损失的影响，得到的主要结论如下：

1）展翼板锚Keying过程包括4个阶段：从90°>α>80°时，展翼板锚处于Keying过程的第一阶段，这一阶段板锚打开和旋转速度慢，板锚埋深损失大；当α<80°后，展翼板锚进入Keying过程的第二、三和四阶段，先后经历板锚快速打开和旋转、板锚下潜和埋深损失增长。

2）当展翼板锚Keying过程开始时（90°>α>80°），锚板竖向土阻力R_z对锚眼产生打开力矩M_o，锚板水平向土阻力R_x对锚眼产生关闭力矩M_c，锚板打开与否和旋转速度取决于这两者的竞争，M_o和M_c两者差值越大，板锚打开速度越快。当α<60°时，M_c方向改变，转化为打开力矩，锚板快速打开和旋转。

3）饱和黏土海床土体不排水抗剪强度对展翼板锚埋深损失有很大影响，随着不排水抗剪强度增加，板锚埋深损失增大。

4）随着展翼板锚锚板厚度增加，板锚埋深损失减小，且减小速率趋缓。在展翼板锚设计中，板锚厚度可取在t/B=0.06~0.08，板锚也可取为顶端厚底端薄的变厚结构。

5）随着偏心系数增加，板锚埋深损失先减小后增加，展翼板锚偏心系数宜取在0.7~0.9。

相关图表

本文引用格式：王荣, 张文龙, 何俊彪, 等. 饱和黏土海床展翼板锚调位拉拔过程运动特性及设计优化[J]. 海洋工程, 2026, 44(4): 193-202.  (WANG Rong, ZHANG Wenlong, HE Junbiao, et al. Motion behavior of the position adjustment hauling of expandable plate anchor in saturated clay seabed and its design optimization[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(4): 193-202.  (in Chinese)）

作者简介：   

王 荣（1983—），男，博士研究生，主要从事海洋岩土工程方面研究。E-mail：wangrong@chec.bj.cn

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