土壤不排水抗剪强度影响分析 海底饱和软黏土由于其土壤自身组成、孑Ｌ隙比
及饱和度等性质和状态不同，使得反应土壤强度的 不排水抗剪强度在不同的海域存在较大差别。为研 究土壤不排水抗剪强度变化对船舶抛锚人泥深度的 影响，选取４０ ｋｇ的Ｃ型霍尔锚为抛锚对象，假设 其抛锚过程中接触土壤时的速度为１ ｍ／ｓ，在不排 水抗剪强度分别为２、４、６、８和１０ ｋＰａ的土壤条 件下进行数值分析，其结果如图３所示。从图可以 看出，随着不排水抗剪强度的增大，抛锚入泥深度 将显著减小，且入泥深度的减小幅度随不排水抗剪 强度值的增大而逐渐变小。
且入泥深度变化幅值随不排水抗剪强度值的增大而逐渐变小；抛锚入泥深度变化率与锚质量变化 率及土壤水平接触面积变化率的比值呈线性关系。 关键词：船舶；抛锚；入泥深度；不排水抗剪强度；落锚速度；ＣＥＬ 中图分类号：ＴＥ９５２ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４５７８．２０１４．１２．０１０
再
ＥＰ＝’Ｔ…。＂／７Ｓ，Ｎ。Ｚ４
＿ｒ
（２）
＇●萼摩
－扣晰刚｜】弹法 ＿、限托倬法
式中，Ｚ为锚人泥深度；Ｅ，为锚接触土壤时的动 能；Ｓ，为锚形状系数，一般取０．６；Ｎ，为土壤承 载力系数；ｙ’为土壤的有效单位重力：
图ｌ
Ｆｉｇ．１
拉格朗日算法与欧拉算法中连续介质变形情况
Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｅｄｉｕｍ ｉｎ Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ ａｎｄ Ｅｕｌｅｒｉａｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎａｌｙｓｉｓ
现有抛锚入泥深度计算方法的局
限性
目前，常用的抛锚入泥深度计算方法主要有２
曲，将严重影响计算的收敛性；而欧拉算法中有限 元网格在空间上固定不动，冈此不会出现网格大变 形问题，但是它很难给出精确的物体界面（如图ｌ 所示）：ＣＥＬ算法结合了两者的优点，其采用拉格 朗日网格离散结构物，采用欧拉网格离散海底土 壤，结构物与海底土壤间的接触面采用拉格朗日域 边界来描述，很好地解决了物体界面描述与网格大
４．１
Ｆｒａｃｔｉｏｎ，ＥＶＦ）来跟
踪其经过网格的状态，所有欧拉单元需通过指定 ＥＶＦ值来代表其充满欧拉材料的比例。如果ＥＶＦ 等于ｌ，则该欧拉单元被欧拉材料完全充满；而当 ＥＶＦ等于０时代表该欧拉单元中没有欧拉材料。拉 格朗日材料和欧拉材料间的接触通过基于罚函数接 触算法的一般接触分析来计算，当欧拉单元中 ＥＶＦ为０时，拉格朗日单元能没有任何阻碍地通过 欧拉单元。因此，在船舶抛锚有限元模型建立过程 中，采用八节点欧拉单元ＥＣ３Ｄ８Ｒ模拟土壤，采 用八节点拉格朗日单元Ｃ３Ｄ８Ｒ模拟锚，并将其定 义为约束于参考点的刚体。由于采用三维单元模拟 土壤，分别选取对应于８倍锚爪宽度与厚度及８倍 锚杆高度的范围作为计算区域，以减小边界效应对 计算结果的影响。同时，对落锚区域土壤网格进行 局部加密，使网格尺寸约为锚实际尺寸的％，具体 的有限元计算模型如图２所示。
万方数据
石
油机械
２０１４年第４２卷第１２期
方法进展中指出，ＣＥＬ算法能很好地解决管土相互 作用和深水吸力锚性能评估中的土壤大变形问题； Ｐｉｋｅ等。８一在极地海洋油气开发研究中，采用ＣＥＬ 算法分析了冰山底部与海底土壤碰撞产生沟槽及其 对海底管道的影响。ＣＥＬ算法的出现，对于船舶抛 锚人泥深度预测的数值模拟提供了一种新的思路， 同时随着ＡＢＡＱＵＳ等大型有限元分析软件的飞速 发展，将ＣＥＬ算法集成到其求解器中，为解决各 类复杂问题提供了便利。
强烈的非线性和非弹性等特征。土壤受力后会有明 显的塑性体积变形，不仅压力会引起塑性体积变
形，而且剪切也会引起塑性体积变形（剪胀性）。
因此，描述土壤应力与应变关系的本构模型经历了 从简单弹性、理想塑性到复杂的各向异性的硬化模 型和软化模型的发展过程。笔者选取ＡＢＡＱＵＳ软 件中的Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ模型作为海底土壤的本构模 型，并且选取海底土壤的弹性模量Ｅ为不排水抗 剪强度Ｓ。的１ ０００倍，泊松比肛为０．４９。考虑土 壤自重的影响，需要对模型进行地应力平衡。
一４４一 ．一海洋石油装备◆
石 油 机械 ＣＨＩＮ＾㈨’ｒｌ／ｉ）１．Ｅｔ＿、１、Ｉ、ｌ＿：ＨＩＮＩ・：Ｈ、
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２０１４年
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基于ＣＥＬ的船舶抛锚入泥深度分析
王
懿１
贾
旭２
黄
俊２
段梦兰１
（１．中国石油大学（北京）海洋油气研究中心２．中海油研究总院）
从上述２种抛锚人泥深度计算方法可以看出， 经验预测模型只考虑了锚形状参数，无法反映土壤 特性对抛锚入泥深度的影响，这显然与实际情况存 在较大差异；而ＤＮＶ规范的预测公式中虽然包含 了土壤承载力系数，但其无法反映土壤特性随深度 的变化，也存在一定的局限性。在船舶抛锚对海底 管道损伤风险日渐增大和数值计算方法不断进步的 条件下，采用先进的数值计算方法对船舶抛锚入泥 深度进行预测，对精确模拟抛锚对海底管道损伤问 题具有重要的指导意义：
耦合欧拉一拉格朗日算法
近年来，针对土壤大变形问题的研究主要采用
有限元方法，如Ｍａｒｄｆｅｌｄｔ采用三维有限元方法对 汉堡港的码头岸墙与土壤间的大变形问题进行模 拟；Ｍａｂｓｃｏｕｔ等６。采用传统的有限元方法对桩嵌入 土壤过程进行了模拟。从他们的研究可以看出，传 统有限元方法在解决结构物与土壤接触问题和土壤 网格大变形问题时常难以收敛：由Ｎｏｈ最早提出 的耦合欧拉一拉格朗日算法（ＣＥＬ算法）常被用于 解决土壤大变形问题。 在有限元分析中，主要通过有限元网格描述有 关物理量：拉格朗１３算法能够清晰地描述物体界 面，但当所描述的物体发生大变形时，由于有限元 网格的运动与物体质点的运动重合而使网格严重扭
ｒＦＴ．
着我国海洋油气开发的飞速发展，海底管道和电缆 ０
—－
口
在离岸距离２００ ｋｍ以内的海上油田，特别是渤海 湾地区得到了广泛应用。与此同时，渤海湾地区的 海洋渔业、海洋运输业和海洋旅游业等活动日渐频 繁，必然使得渔业作业区域和各类船舶航线在部分
海底管道和电缆作为海洋油气运输和控制的重 要手段，是海洋油气资源开发与生产的生命线。随
（１）
类：一类为经验预测模型，另一类则根据能量守恒 原理计算获得： 霍尔锚的入泥深度经验预测公式如下。：
Ｔ＝Ｈ。ＣＯＳＯ／＋Ｂｌ／２
变形问题：Ｐａｕｌ等一在深水油气管道有限元评估
式中，丁为锚入泥深度；Ｈ。为锚爪高度；Ｏ／为锚爪 展开角度；Ｂ．为锚身厚度： 关于霍尔锚的结构参数可通过规范获得４＝ 在ＤＮＶ规范中’利用能量守恒定律，当锚的 动能全部被土壤吸收时，可以求出锚入泥深度：计 算式为：
ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｕｋｅ ｗｉｄｔｈ ａｎｄ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ８ ｔｉｍｅｓ ｔｈｅ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ａｎｃｈｏｒ
ａｎ
ｒｏｄ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｄｒｏｐｐｅｄ ａｎｃｈｏｒ ｈａｓ
ｉｎｖｅｒｓｅ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｕｎｄｒ－
。基金项口：国家自然科学基金项目“考虑钢悬链线立管安装的管土非线性相互作用机理研究”（５１３４９００２）；高等学校博士点专项科 研基金项目“考虑钢悬链线立管运动速度的管土非线性相互作用机理研究”（２０１３０００７１２０００９）；巾国石油大学青年教师专项培养基金资助 项目（Ｋ＇ｔＪＪ２０１２—０４—１４），
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王
懿等：基于ＣＥＩ．的船舶抛锚入泥深度分析
海域内与海底管道和电缆的铺设区域产生交叠，从 而使得船舶意外的抛锚作业对海底管道与电缆的损 伤越来越频繁：以我国为例，近几年发生的多起海 底管道与电缆受损事故中大部分由船舶抛锚造成。 ２００８年１月，渤西外输天然气管道被锚损伤； ２００９年３月，渤中１３—１至歧口１８一ｌ ＷＨＰＩ平台 海底管道被大吨位货船的锚拉断；２００９年１２月， 舟山定海鳌头浦水道海底电缆被锚损伤；２０１０年７ 月，烟台长岛地区海底电缆被锚损伤；２０１１年１２ 月，惠州２ｌ一１油田天然气管道被锚损伤。１。近年 来，越来越多的海底管道与受损事故引起了相关机 构及研究人员的高度重视。 船舶用锚由于航行区域变化大，需要适应多种 海底土壤（如砂土、黏土等），大多为无杆转爪锚 （如霍尔锚、斯贝克锚等）２。海底管道和电缆在 近海区域主要采用挖沟埋设的方式进行安装，在渔 船、工程作业船和一般运输船等进行抛锚作业时． 锚的入泥深度是决定抛锚对海底管道和电缆损伤程 度的重要参数。同时海底土壤存在含水量高、孔隙 比大和压缩性高等主要物理特征以及变形量大、不 排水抗剪强度较低等力学特性，在抛锚过程中将发 生复杂的弹塑性变形。笔者采用耦合欧拉一拉格朗 １３方法（ＣＥＬ）对船舶抛锚入泥深度问题进行研 究，建立了抛锚入泥深度数值分析方法，所得结果 对海底管道安全服役具有理论意义和工程意义。 ｌ ２
ａｉｎｅｄ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓｏｉｌ．Ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ ａ］ｓｏ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｕｎｄｒａｉｎｅｄ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｖａｌｕｅ．Ｔｈｅ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ ｃｈａｎｇｅ
ｃｏｕｐｌｅｄ
ｒｕｌｅｒ—Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｉｎ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｔｈｅ Ｅｉｇｈｔ－ｎｏｄｅ Ｅｕｌｅｒ ｕｎｉｔ ＥＣ３ Ｄ８ Ｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｅｉｇｈｔ—ｎｏｄｅ Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ ｕｎｉｔ Ｃ３ Ｄａ Ｒ ｉｓ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ａｎｃｈｏｒ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｄｅｆｉｎｅｄ ｓｔｒａｉｎｅｄ
ｒａｔｅ ｒａｔｅ
ｈａｓ
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ｌｉｎｅａｒ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｈｅ ａｎｃｈｏｒ ｗｅｉｇｈｔ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｓｏｉｌ．