深海嵌入式板錨循環拉拔過程模擬及承載特性研究

《深海嵌入式板錨循環拉拔過程模擬及承載特性研究》是依託中國科學院力學研究所，由胡存擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：深海嵌入式板錨循環拉拔過程模擬及承載特性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：胡存
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

嵌入式板錨是深海大型浮式結構的一種新型系泊基礎，常處於複雜海況和海床地質環境條件，其循環載荷下的承載性能與海洋軟黏土複雜動力特性密切相關。目前嵌入式板錨的研究多集中於對其嵌入深度、姿態及靜承載力的確定；已有的循環承載力分析主要基於擬靜力法，不能較合理地反映海洋土循環動力特性演變的本質。本項目旨從揭示海洋軟黏土不同應力水平下呈現的循環穩定和循環軟化特性出發，探究嵌入式板錨-海床耦合系統的循環承載性能的演變機理。擬開展偏壓循環載荷下海洋軟黏土強度、剛度等動力特性試驗研究，提出能考慮偏壓固結效應的土體循環穩定和循環軟化三維邊界麵塑性模型；進行數值模擬並結合模型試驗驗證，分析嵌入式板錨-海床耦合系統循環拉拔過程的動力回響，揭示其循環承載特性演化規律；建立嵌入式板錨循環失穩判據並提出循環承載力分析方法。本項目獲得的研究成果能夠為嵌入式板錨及類似嵌入式海洋工程結構的設計提供科學依據。

結題摘要

深海嵌入式板錨因需深嵌入海床土中，循環承載性能與海洋土體特性關係密切。在長期複雜的海洋環境中，海洋土體動力特性將會發生一系列演變，甚至出現強度軟化和剛度退化特性。本項目旨在從建立揭示土骨架-孔隙水循環耦合機理的土體本構模型出發，開展板錨長期循環承載回響分析，合理評估板錨長期循環承載力。 本項目的研究內容包括 （一）考慮海洋軟黏土偏壓固結效應的循環穩定和循環軟化三維邊界麵塑性模型 （1）提出了廣義各向同性硬化準則，推廣了Masing準則在彈塑性理論中（尤其是邊界麵塑性模型）的套用。基於該硬化準則，建立了考慮固結各向異性的三維邊界麵塑性模型，可以反映土體的循環穩定和循環軟化特性。 （二）長期循環載荷下嵌入式板錨-海床耦合系統相互作用及承載特性演變機理 （1）循環載荷作用下嵌入式板錨表現出三種典型循環承載特性：循環穩定、循環次穩定和循環退化；對於循環退化工況，載荷幅值對其位移回響具有決定性作用；對於循環次穩定狀態，載荷均值和載荷幅值之和決定了其位移；對於循環穩定狀態的板錨，載荷均值的增大可以有效地減小其循環位移。 （2）針對飽和黏土板錨長期承載特性的離心機實驗表明：當長期載荷小於0.8倍的靜承載力時，板錨的長期承載特性不會發生變化，即土體的固結效應彌補了因吸力消散而降低的承載力；但若大於該值，板錨將會發生破壞。 （3）1g模型試驗下，沙土中板錨的循環承載力研究率先確定：當循環載荷低於臨界值時，板錨在3個小時（典型風暴）下，並不會產生顯著位移變形，進而承載力不變；對於高於臨界值的工況，板錨循環承載力將退化為靜承載力的60%。 （三）基於數值和試驗結果，確定了板錨的循環承載力評估模型。 將邊界麵塑性模型與流體連續性和Darcy滲流結合起來，建立了土體骨架-孔隙水耦合分析模型，提出了板錨循環承載力的評估方法。該評估方法不限於特定基礎結構形式，因此也可用於對相似海洋工程基礎如吸力錨、動力錨等的循環承載性能分析。