新型鉸接式重力錨的設計及其性能研究

閆宏生，高率群，孟祥偉，李懷亮，于文太，劉建成

(1. 天津大學 建筑工程學院，天津 300072; 2. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

海洋中蘊含著豐富的油氣資源[1-2]。隨著陸地上的油氣資源日漸枯竭，各國紛紛將油氣勘探開發的目標轉至海洋，特別是深海海域[3-6]。海底地形地貌十分復雜，沉積了厚度不一、不同類型的海洋沉積物，其中黏土、軟黏土分布廣泛[7-9]，因此，在不同海域進行系泊或海管鋪設定位作業時要謹慎考慮錨固基礎的類型[10]。重力錨是最早使用的錨型之一[11-12]，可以在多種土質條件中使用，且不需要太過詳細的土質勘探資料，其應用范圍較其他幾種錨型更廣[13-14]。傳統重力錨如圖1所示。

圖1 傳統重力錨Fig. 1 Traditional gravity anchor

國內外許多學者對重力錨進行了大量的研究。O'Neill等[15]采用有限元分析方法研究了錨與土的相互作用關系以及不同錨型作用下土體的破壞形式。Harris等[16]為波浪能轉換器設計了錨泊系統，并從經濟性和適用性探討了多種類型的錨泊系統對該體系的作用效果，從而得出重力錨是比較優越的選擇。Gourvenec[17]基于有限元計算結果，總結了均質和非均質地基下裙板重力錨在豎向、彎矩和水平荷載作用下的破壞包絡線和承載機理。Yun和Bransby[18]發現了裙板重力錨的裙板部分可以有效提供承載力，并在數值分析的基礎上，提出了一種計算豎向承載力的設計方法。李懷亮等[10]研究了重力錨在鈣質砂上的承載機理，進而發現了在同一工況下，重力錨的水平承載力與錨底面積有關。李颯等[19]在室內模型試驗的基礎上，研究了重力錨在不同鈣質土上的水平抗滑力，并采用有限元方法對重力錨在水平荷載下的承載機理進行了分析。郝瀟涵和唐小微[20]著重研究了波浪作用下重力錨承載力的變化及海床土體的動力響應規律。徐保照等[21]通過有限元的方法研究了重力錨在水平荷載下的破壞機理，并對串錨的水平承載力以及承載力影響因素進行了進一步的探索。

通過總結國內外研究現狀發現，目前在傳統重力錨的承載性能和承載機理等方面的研究已經較為成熟。通過良好設計，可以滿足系泊系統在水平方向的承載要求。由于黏土質的特性，在起錨回收時，黏土對錨體產生巨大的豎向吸附力，導致回收作業極為困難，甚至出現不得已棄錨的現象。為此，設計了一種利用普通拖船即可完成鋪設作業的新型鉸接式重力錨，通過鉸接連接的設計，在保證水平承載性能的前提下，極大降低了黏土的吸附作用，有效降低了收錨作業的難度。

1 鉸接式重力錨設計

1.1 重力錨概述

重力錨通常被放置在海床表面，通過自重下錨底與土體之間的摩擦反力來提供水平或豎向承載力[22]。重力錨通常由混凝土塊或者鋼材、碎金屬或其他高密度材料制作而成[23]，型式多樣[24]，具體結構型式及特點如圖2所示，其中工程中比較常用的如圖2(a)、2(b)和2(e)所示。這里在傳統重力錨的基礎上，針對其較大的豎向吸附力進行優化，開展了新型鉸接式重力錨的設計工作。

圖2 傳統重力錨的結構型式Fig. 2 Structural types and characteristics of traditional gravity anchor

1.2 新型鉸接式重力錨的設計方案

傳統型式的重力錨可以通過增加自身重力的方式來增加水平承載力，進而提高海管鋪設時定位的準確性。但大多數重力錨在黏土上會產生較大的豎向吸附力，不利于回收。為克服這一缺陷，設計了一種新型鉸接式重力錨。該錨型采用組塊鉸接串聯的全新型式，不僅可以保證錨的水平承載性能，更重要的是鉸接式重力錨在回收過程中有各模塊單元相繼拔出的特點，在回收時無需提供將整個錨組全體回收的上拔力，僅需一個組塊的上拔力就能將鉸接式重力錨單錨依次拔起回收，極大減輕了錨體回收的作業難度。

新型鉸接式重力錨的三維模型如圖3所示，具體設計方案如圖4所示。其主體部分由7個組塊構成，后端四個單元的尺寸均為3.00 m×0.62 m×0.76 m，前端三個單元的尺寸均為2.00 m×0.62 m×0.76 m，單元與單元之間采用鉸接形式連接，可發生相對轉動。上吊環鉸接在錨體的頂部。錨底設計了多排復雜的剪力鍵和擋板，這些剪力鍵和擋板可以改變重力錨周圍土體的破壞機理，使錨與土的滑動破壞變為土體內的剪切破壞，由土體的外摩擦變為內摩擦。這樣不僅能提高重力錨的水平承載力，還可以增強重力錨的抗傾倒能力。

圖3 新型鉸接式重力錨三維模型Fig. 3 3D model of articulated gravity anchor

圖4 新型鉸接式重力錨設計方案Fig. 4 Design scheme of articulated gravity anchor

為了充分發揮剪力鍵和擋板的作用，需要將其完全埋入土中，所以對土質提出了一定的要求，新型鉸接式重力錨通常被用在黏性較大的土質中，如黏土、淤泥質土、有機質土等。

從圖3和圖4中可以看出，該錨型使用多個塊體鉸接而成，易于裝配，操作簡單，可以根據需求，將多個組塊連接起來獲得所需重力，從而大大提高了錨單元的利用率。鉸接式重力錨的運輸和儲存也極為便利，節省了大量時間和空間。且無需動用大型起重設備，僅利用拖輪上的絞車，即可完成鋪設及回收作業，有效地簡化了其作業工藝流程，安全性能得到了很大的提高，極具實際應用價值。具體作業流程如圖5所示。

圖5 鉸接式重力錨鋪設及回收作業流程Fig. 5 Deploying and retrieving process diagram of articulated gravity anchor

1.3 強度校核

為保證錨體的強度，采用有限元方法分析了新型鉸接式重力錨在水平承載時的結構強度，主要考慮每個連接單元的整體強度。選擇shell建立了新型鉸接式重力錨的單元A和單元B，采用SR4單元劃分網格。單元A和單元B的有限元模型如圖6所示。

圖6 新型鉸接式重力錨單元模型Fig. 6 Unit model of articulated gravity anchor

鉸接式重力錨在橫向承載時邊界條件為底面固定，其所受荷載主要包括各種鋼制構件的自重和水平拉力。最后，利用軟件內置求解器對模型進行應力求解，得出新型鉸接式重力錨單元A和單元B在橫向承載時整體結構所受的應力，其應力云圖如圖7所示。通過分析應力云圖，可知最大von Mises應力分別為123.2 MPa和154.9 MPa，均小于Q235鋼的許用應力。

圖7 新型鉸接式重力錨單元應力云圖Fig. 7 Stress cloud of articulated gravity anchor unit

2 室內模型試驗

為了研究新型鉸接式重力錨的水平承載性能和豎向上拔荷載，驗證該錨型的優越性，開展了重力錨在黏土上的水平承載及上拔性能的模型試驗。

2.1 試驗裝置

試驗裝置主要包括試驗箱、加載裝置和拉力、位移傳感器，如圖8所示。

圖8 試驗裝置示意Fig. 8 Gravity anchor model test device

試驗箱的主體尺寸為1 750 mm×600 mm×1 850 mm(長×寬×高)，黏土均勻平整的填布在試驗箱底部，填土厚度不低于300 mm，以消除邊界效應的影響。本試驗采用向加載水箱中勻速加水的方式施加線性均勻的荷載，并在裝置中安裝三個傳導力的滑輪，其中一個可以調節高度確保試驗能夠在不同拉力角度的工況下進行。拉力傳感器的型號為CYT-202 S，量程0～100 kg，精度±0.05%；位移傳感器的型號為W-DCD200，量程0～200 mm，精度±0.3%，位移傳感器與繩索剛性連接。傳感器采集的數據通過多通道熱工表傳輸到電腦的數據采集軟件中進行處理。

2.2 重力錨模型

試驗所用重力錨一共有三種錨型，新型鉸接式重力錨(錨型1)的縮尺比為1∶20，模型總質量為7.50 kg，采用3D打印技術制作；傳統正方形重力錨(錨型2)和傳統長方形重力錨(錨型3)均為實際工程應用中錨型的等比例縮小模型，其實體質量分別為68 t和60 t，兩種錨型試件所用的縮尺比均為1∶15，模型尺寸分別為200 mm×200 mm×100 mm和267 mm×200 mm×100 mm，總質量分別為20.15 kg和17.78 kg，由鋼材焊制而成。所有錨型前端中間都設有能夠連接繩索的環扣。圖9為三種錨型按比尺縮小后的模型試件。

圖9 重力錨模型試件Fig. 9 Gravity anchor model

2.3 土質數據

試驗總共選取三種類型的黏土，黏土1取自中國南海海底，黏土2取自渤海，黏土3為天然土樣。應用環刀法密度試驗可測定黏土的飽和密度，然后根據式(1)計算出浮容重。

γ′=(ρ-ρw)g

(1)

式中：γ'為浮容重；ρ為測定黏土的飽和密度；ρw為水的密度；g為重力加速度。

通過土的直剪試驗可以測定出三種黏土的內摩擦角、黏聚力等基本物理力學指標，具體參數見表1。對試驗用黏土充分攪拌，加適量水，鋪設高度30 cm，土體表面保持平整以防止土坡角對試驗承載力測量準確性的影響。

表1 土質參數Tab. 1 Soil parameters

2.4 試驗原理和步驟

考慮到重力錨的承載性能受浮重力直接影響，在設計重力錨模型的重力時，應與實體重力錨的浮重力成比例關系。在保持重力錨縮尺比的基礎上，通過減小錨體配重重力來代替浮力效果。

待試驗所用設備調試就緒后，將重力錨模型放在土體上方靜置15 min，使土體的超孔隙水壓力消散。將拉力傳感器與重力錨前端環扣連接牢固，接著打開水泵開始向水箱內緩慢加水，水箱內注入水的重力作為荷載施加在重力錨上，隨著加力水箱中注入水量的增加，作用在重力錨上的荷載越來越大。直到重力錨滑出土體，停止注水并觀察重力錨與土體的變化，待重力錨穩定后卸除荷載，用數據采集軟件測量并記錄重力錨的拉力和水平位移變化。每組試驗需進行三次平行試驗，取三次結果的平均值。

3 試驗結果分析

3.1 新型鉸接式重力錨水平運動過程

觀察新型鉸接式重力錨的運動過程是分析其承載機理的重要依據。試驗全程錄像記錄鉸接式重力錨的水平運動和上拔回收過程，主要觀察鉸接式重力錨的整體運動和壅土過程以及與之作用的土體運動過程。

圖10和圖11顯示了新型鉸接式重力錨在黏土中的運動過程。剛開始加力時，新型鉸接式重力錨只有緩慢變化的較小位移，壅土量較少；在一段時間后，隨著拉力的逐漸增大，鉸接式重力錨開始啟動，位移發生突變，迅速壅土。整個過程中土體無明顯的剪切破壞，只有在最靠前的一個大單元兩側出現局部剪切破壞。壅土現象同時發生在小單元和大單元的前端，且大單元前端壅土量較多。

圖10 鉸接式重力錨水平承載試驗運動過程Fig. 10 Movement process of horizontal bearing test of articulated gravity anchor

圖11 鉸接式重力錨前端壅土過程Fig. 11 Change process of soil in front of articulated gravity anchor

3.2 新型鉸接式重力錨上拔過程分析

圖12中的新型鉸接式重力錨處于尚未拔出土體的狀態，鉸接式重力錨在拔出土體之前的垂向位移變化極其緩慢，周圍的土體沒有發生明顯的破壞。重力錨剛從土體中拔出的狀態如圖13所示，從圖中可以看出鉸接式重力錨在拔出后附著了極少量的黏土，土體破壞程度較小。錨體在拔出土體前受到黏土的吸附力基本保持不動，在上拔拉力達到一定數值后迅速將錨從土體中拔出。

圖12 鉸接式重力錨上拔過程中未拔出狀態Fig. 12 Unpulled status of gravity anchor during pull up

圖13 鉸接式重力錨上拔過程中拔出狀態Fig. 13 Pull out status of gravity anchor during pull up

與水平承載不同，重力錨的上拔過程為突變破壞過程，土體破壞較為穩定，不會發生滑動和壅土的現象，破壞面僅為鉸接式重力錨與土體的直接接觸面，不會將破壞面延伸到更大面積的土體。在試驗過程中能明顯感覺到，相較于傳統重力錨，新型鉸接式重力錨僅需很小的力(約25 N)便能從土體中拔出，這是由該重力錨自身鉸接式的特點決定的，每個單元只需克服該單元因黏土吸附作用而產生的抗拔阻力，逐漸減小相互作用面，使各單元的上拔過程分步進行，有效減小回收時需要克服的抗拔阻力，更有利于重力錨的回收利用。

3.3 承載性能結果及分析

通過模型試驗，可以得到拉力—位移曲線。以新型鉸接式重力錨在黏土1中貫入深度為0 mm，拉力角度為0°時的情況為例，從圖14中可以發現該曲線有較明顯的拐點，在拐點前，隨著鉸接錨的運動，拉力不斷增大，當增大到拐點處時，拉力變化逐漸變小，所以可以判定鉸接錨在該拐點處發生走錨現象，對應的拉力即為鉸接錨的水平承載力。上拔力取鉸接錨上拔試驗過程中拉力的最大值，如圖14所示，當拉力達到25 N后，隨著位移的增加，拉力不再變化，因此該種工況下鉸接錨的上拔力為25 N。將試驗數據進行匯總于表2。

圖14 黏土1中鉸接錨的承載力/上拔力—位移曲線Fig. 14 Bearing capacity/uplift force-displacement curve in clay 1

定義承載力系數α=承載力大小/錨體重力，上拔力系數β=上拔力大小/錨體重力。分別表示單位錨重下鉸接錨水平承載力和上拔力的大小，從而更精確地說明新型鉸接式重力錨的特性。具體結果見表2和表3。

表2 鉸接式重力錨的水平承載力試驗結果Tab. 2 Test results of horizontal bearing capacity of articulated gravity anchor

表3 鉸接式重力錨的上拔力試驗結果Tab. 3 Test results of uplift force of articulated gravity anchor

根據規范計算公式[25]可知，重力錨的承載力和上拔力主要取決于錨型參數、土體性質、拉力角度、剪力鍵貫入深度等因素，為了深入了解各參數對新型鉸接式重力錨承載性能的影響，分析了錨類型、黏土類型、拉力角度和貫入深度對其承載性能的影響。

3.3.1 錨類型自變量對比分析

為了對比新型鉸接式重力錨與傳統型式重力錨的區別，開展了另外兩種錨型的試驗研究。這兩個重力錨均是工程實際應用中錨體的等比例縮小模型，模型試驗所用錨型試件見圖9。以錨類型為自變量的承載力系數α—位移曲線和上拔力系數β—位移曲線如圖15和圖16所示。

圖15 三種錨型的α—位移曲線Fig. 15 α-displacement curves of three anchor types

圖16 三種錨型的β—位移曲線Fig. 16 β-displacement curves of three anchor types

通過對比可以得出，錨型2和錨型3的啟動位移分別為8.7 mm和7.8 mm，對應的水平承載力系數分別為0.82和0.80；新型鉸接式重力錨的啟動位移為5.0 mm，水平承載力能夠達到0.85倍的錨重，略大于錨型2和錨型3的水平承載力系數α，而且其承載力系數曲線也始終在傳統型式重力錨的上方。對于上拔力而言，錨型2和錨型3的上拔力約為自身重力的1.6～2.0倍，而新型鉸接式重力錨的上拔力系數β僅為0.33，相較于傳統重力錨減小了4～5倍，這是由于其鉸接式的創新設計，在上拔時只需克服單個組塊產生的吸附力，使得鉸接式重力錨在回收時所需的上拔力大幅降低，更有利于回收和重復利用。同時，新型鉸接式重力錨在使用較小上拔力時錨體就能產生緩慢位移，在一定程度上避免了與傳統型式重力錨突然拔出類似狀況的發生，從而大大提高了作業的安全性。相對于傳統型式的重力錨來說具有一定的優越性。

3.3.2 黏土類型自變量對比分析

為了研究新型鉸接式重力錨在各種海底土質中的適應性，又選取了另外兩種類型的黏土(黏土2和黏土3)進行試驗，其力學性能參數見表3。對比分析結果見圖17和圖18。

圖17 在三種黏土下的承載力—位移曲線Fig. 17 Bearing capacity-displacement curves under three kinds of clays

圖18 在三種黏土下的上拔力—位移曲線Fig. 18 Uplift force-displacement curves under three kinds of clays

由圖17、18可知，新型鉸接式重力錨在三種黏土下的上拔力基本保持不變，大都維持在25 N。而水平承載力在黏土3中略大于在其余兩種類型黏土中的承載力，但是差別不大。由此可見，無論在哪種黏土中，鉸接式重力錨發生滑動時的位移大致相同，也就是說新型鉸接式重力錨在不同類型黏土中破壞的形式基本是一致的，只是由于黏土的力學性質不同導致了承載力大小的變化，亦即鉸接式重力錨在各種黏土中承載機理并沒有改變，從而說明新型鉸接式重力錨在黏土質中具有較好的適應性。

3.3.3 拉力角度自變量對比分析

圖19所示的是不同拉力角度下新型鉸接式重力錨的承載力—位移曲線的對比情況。不難看出，隨著拉力角度的增加，新型鉸接式重力錨更容易發生滑動，承載性能迅速降低。新型鉸接式重力錨在0°角度拉力時能提供很大的水平承載力，而在45°角度拉力時能夠提供的水平承載力只剩自身錨重的25%左右，已經不能有效地提供水平承載力。因此在實際應用中應在鉸接式重力錨前鋪設一段拖地鏈，確保承載角度為0°，從而保證較大的水平承載力。

圖19 各拉力角度下的承載力—位移曲線Fig. 19 Bearing capacity-displacement curves under different tension angles

3.3.4 貫入深度自變量對比分析

在上述研究的基礎上，也研究了鉸接式重力錨貫入深度為2.5 mm和5.0 mm時承載力的變化趨勢。圖20為新型鉸接式重力錨在不同貫入深度下的承載力—位移曲線。從圖20中可以發現，新型鉸接式重力錨在海底軟黏土中有一定的貫入深度后承載力迅速增大，但隨著貫入深度的繼續增加，承載力的增幅效果不明顯。因此，在海底黏土中，適當增加配重來增加重力錨的貫入深度，可提高其承載性能。

圖20 不同貫入深度下的承載力—位移曲線Fig. 20 Bearing capacity-displacement curves at different penetration depths

4 結 語

1)新型鉸接式重力錨通過采用鉸接連接的設計方式，將土體吸附力進行合理的分散，極大減小了重力錨回收時需要克服的抗拔阻力，更有利于重力錨的重復利用。且鉸接式重力錨在鋪設和回收時無需動用大型起重設備，僅利用拖輪上的絞車即可完成，大大簡化了其作業工藝流程，具有很高的實用價值。

2)鉸接式重力錨設計寬度為3 m，使用常規運輸車輛即可方便地進行陸上運輸，并可根據需要進行適當組合滿足不同工程的需求。各模塊采用銷連接，作業簡單、可靠性高。

3)通過對鉸接式重力錨在黏土中的水平運動和上拔過程進行分析，確定了其水平承載力和上拔力。模型試驗結果可以得出：與傳統型式重力錨相比，新型鉸接式重力錨在確保水平承載性能的基礎上，其上拔力系數β減小4～5倍，回收難度大幅降低，從而驗證了設計方案的可行性。該錨型在黏土中具有較好的適應性，可廣泛用于黏性土、淤泥質土、有機質土等土質中。值得注意的是，在拉力角度為45°時鉸接式重力錨便不能有效承載，因此該錨體僅適用于懸鏈線式系泊系統。