通过辅助技术提高重力锚在沙质海底和浅水区域的固定效果

《Ocean Engineering》：Enhancing the penetration of gravity installed anchors in sandy seabed and shallow waters by auxiliary techniques

针对重力安装锚（GIA）在砂质海底浅水环境穿透能力不足的问题，研究通过理论推导和大型变形有限元分析，建立考虑附加质量、空水联合释放高度、冲击速度及土体特性等多因素的锚固深度计算公式。采用耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法和表面塑性模型，系统分析了OMNI-Max、T98和尾流无翼型锚在松散至密实砂层中的穿透特性，提出通过增加锚重和提升空中释放高度实现深度增强的工程方法。

　　在海洋工程领域，锚固结构是确保海上浮动设施稳定性的关键组成部分。随着海洋资源开发的不断深入，诸如石油与天然气开采、风能利用、海洋空间开发等项目日益增多，对锚固技术提出了更高的要求。特别是对于在沙质地层和浅水区域进行安装的重力安装锚（Gravity Installed Anchor, GIA），其穿透性能成为影响工程应用的重要因素。传统方法在这些条件下往往难以达到理想的锚固效果，因此，探索有效的辅助技术显得尤为必要。

GIA是一种依靠重力作用进行安装的锚固结构，其基本原理是将锚从一定高度释放，使其在水中下落并最终撞击海底，从而完成锚固。这种安装方式相比其他类型锚的安装方式更为简便，因为它无需复杂的机械装置，而是通过自然重力实现。然而，在浅水区域，由于下落距离有限，锚可能无法达到其在水中的最大速度，进而影响其穿透能力。因此，如何提高GIA在沙质地层和浅水区域的安装效果，成为当前研究的重要课题。

为了应对这一挑战，研究人员提出了两种辅助技术：增加锚的额外质量以及提高锚在空气中的释放高度。增加额外质量通常通过在锚尾部安装配重块来实现，而提高释放高度则需要在安装船上将锚提升到更高的位置，再将其释放到空气中。这两种方法能够有效提升锚的冲击动能，从而增强其在沙质地层中的穿透能力。在实际工程中，这些技术已被广泛采用，并且在提高锚固效率方面展现出良好的效果。

目前，关于GIA在沙质地层中的研究相对较少，多数研究集中在粘性土中。例如，Richardson（2008）通过离心机试验研究了鱼锚在粘性土和中密砂中的穿透深度，发现其在粘性土中的穿透深度约为锚长度的2.1–2.9倍，而在石英砂中仅为0.33–0.36倍，在碳酸盐砂中为0.7–1.5倍。这些研究结果表明，沙质地层的强度通常高于粘性土，导致GIA在沙地中的穿透深度较低。因此，需要通过增加额外质量或提高释放高度等方法，来改善其在沙地中的表现。

为了系统研究GIA在沙质地层中的安装性能，研究人员采用了理论分析和数值模拟相结合的方法。理论分析主要基于物理学原理，计算锚在不同释放高度和额外质量下的冲击速度。而数值模拟则利用大变形有限元分析（Large Deformation Finite Element Analysis, LDFE），结合耦合欧拉-拉格朗日（CEL）技术，以更精确地模拟锚在沙地中的穿透过程。这种分析方法能够考虑多种因素，包括锚的质量、冲击速度、土壤特性以及锚与土壤之间的摩擦系数，从而更全面地评估GIA的安装效果。

在研究过程中，研究人员设计了八组分析案例，涵盖了三种典型的GIA类型：OMNI-Max锚、T98锚和无鳍鱼锚。这些案例旨在系统评估不同因素对锚固性能的影响，例如增加锚的质量、提高释放高度、改变土壤密度以及调整锚与土壤之间的摩擦系数。通过这些案例，研究人员能够更深入地理解GIA在不同环境下的表现，并据此提出优化建议。

在数值模拟中，研究人员采用大变形有限元分析（LDFE）方法，结合CEL技术，以模拟锚在沙地中的穿透过程。CEL技术能够有效处理大变形问题，特别是在涉及复杂材料行为和非线性响应的情况下。这种方法已被广泛应用于海洋地质工程领域，例如在研究锚在粘性土中的表现时，许多学者采用了CEL技术进行数值模拟，以更精确地预测其穿透深度。在本研究中，研究人员进一步将CEL技术应用于沙质地层的分析，以验证其在不同条件下的适用性。

为了确保数值模拟的准确性，研究人员特别关注计算域的设置。计算域的大小应足够大，以消除边界效应，同时保证计算精度和效率之间的平衡。此外，研究人员还采用了一些先进的数值方法，如嵌入了边界面塑性模型（Bounding-Surface Plasticity Model）的分析方法，以更精确地模拟土壤的非线性行为。这些方法能够有效捕捉锚在沙地中的复杂运动过程，包括其与土壤之间的相互作用以及能量的转化。

在分析案例的设计中，研究人员考虑了多种参数组合，以全面评估GIA的安装性能。例如，第一组案例研究了增加锚的质量对穿透深度的影响，第二组案例研究了提高释放高度对穿透深度的影响，第三组案例研究了不同土壤密度对锚固性能的影响，第四组案例研究了锚与土壤之间的摩擦系数对穿透深度的影响。通过这些案例，研究人员能够更系统地了解GIA在不同环境下的表现，并据此提出优化建议。

此外，研究人员还通过理论分析推导出锚在不同释放高度和额外质量下的冲击速度表达式。这些表达式能够帮助工程师在实际操作中快速计算锚的冲击速度，并据此调整释放高度和额外质量，以达到最佳的安装效果。例如，当释放高度较高时，锚的冲击速度也会相应增加，从而提升其穿透能力。同样，当增加锚的质量时，其冲击动能也会随之增大，进而增强其在沙地中的表现。

在研究过程中，研究人员还特别关注了不同类型的GIA在沙地中的表现差异。例如，OMNI-Max锚由于其结构特点，其在沙地中的穿透能力相对较弱，因此需要更多的优化措施。相比之下，T98锚和无鳍鱼锚在沙地中的表现较为稳定，因此在实际工程中更易应用。通过比较这些类型锚的安装效果，研究人员能够更全面地了解GIA在不同条件下的适用性，并据此提出针对性的改进方案。

为了提高GIA在沙地中的安装效果，研究人员还进行了大量的实验验证。例如，通过离心机试验和1g模型试验，研究人员能够更直观地观察锚在沙地中的运动过程，并据此验证理论分析和数值模拟的结果。这些实验不仅能够提供实际数据，还能够帮助研究人员更深入地理解锚在不同环境下的表现，并据此优化安装参数。

在研究过程中，研究人员还发现，锚与土壤之间的摩擦系数对穿透深度有显著影响。较高的摩擦系数会导致锚在沙地中的阻力增大，从而降低其穿透能力。因此，在实际工程中，需要合理调整锚与土壤之间的摩擦系数，以提高其安装效果。此外，土壤的密实度也是影响锚固性能的重要因素，密实度较高的沙地会显著增加锚的阻力，因此需要通过增加额外质量或提高释放高度等方法来改善其穿透能力。

综上所述，研究人员通过理论分析和数值模拟相结合的方法，系统研究了GIA在沙地中的安装性能。他们发现，增加锚的质量和提高释放高度是提升GIA在沙地中的穿透能力的有效辅助技术。通过这些技术，工程师能够更精确地控制锚的冲击速度和穿透深度，从而提高其在沙地中的安装效果。此外，研究人员还提出了一个基于多种因素的显式表达式，用于计算GIA在沙地中的穿透深度。这一表达式能够帮助工程师在实际操作中快速确定合适的锚质量和释放高度，从而为GIA在沙地中的成功安装提供理论支持。

在实际工程应用中，GIA的安装效果受到多种因素的影响，包括锚的质量、冲击速度、土壤特性以及锚与土壤之间的摩擦系数。因此，研究人员建议在设计和施工过程中，应综合考虑这些因素，以优化GIA的安装效果。例如，在沙质地层中，应适当增加锚的质量，以提高其冲击动能；在浅水区域，应提高锚的释放高度，以确保其能够达到足够的冲击速度。这些优化措施能够有效提升GIA的安装效果，从而确保海上浮动设施的稳定性。

此外，研究人员还发现，锚的安装方式对其在沙地中的表现有重要影响。例如，OMNI-Max锚由于其结构特点，其在沙地中的穿透能力相对较弱，因此需要更多的优化措施。相比之下，T98锚和无鳍鱼锚在沙地中的表现较为稳定，因此在实际工程中更易应用。通过比较这些类型锚的安装效果，研究人员能够更全面地了解GIA在不同条件下的适用性，并据此提出针对性的改进方案。

在研究过程中，研究人员还发现，锚的安装方式对其实现最大穿透深度的能力有重要影响。例如，在浅水区域，由于下落距离有限，锚可能无法达到其在水中的最大速度，因此需要提高其在空气中的释放高度，以确保其能够达到足够的冲击速度。而在深水区域，锚的下落距离较长，因此其冲击速度也较高，从而能够实现更深的穿透。因此，研究人员建议在实际工程中，应根据具体的水深和土壤条件，选择合适的安装方式，以优化GIA的安装效果。

总之，GIA在沙质地层和浅水区域的安装效果受到多种因素的影响，包括锚的质量、冲击速度、土壤特性以及锚与土壤之间的摩擦系数。因此，研究人员建议在实际工程中，应综合考虑这些因素，以优化GIA的安装效果。通过增加锚的质量和提高释放高度等辅助技术，工程师能够更精确地控制锚的冲击速度和穿透深度，从而确保GIA在沙地中的成功安装。这些研究成果为海洋工程领域的锚固技术提供了重要的理论支持，并为未来的研究和应用奠定了基础。