关于锚杆几何形状、相对密度和拖曳速度对沙子中拖锚安装特性影响的实验研究

《Ocean Engineering》：Experimental study on the effect of shank geometry, relative density and drag velocity on the installation characteristics of drag anchors in sand

本研究通过自主研发的模型测试系统，系统考察了拖速、土壤密度和锚杆结构对拖 embedment anchors（DEA）在砂土中的穿透轨迹和锚固性能影响。结果表明，过高拖速加剧锚体倾覆风险，高密度土壤导致穿透深度浅且锚固能力降低，而单锚杆设计显著提升穿透深度和锚固能力，且在松散砂土中通过降低稳定倾覆角增强锚固效果。为DEA砂土设计优化提供依据

　　

吴楚成|张友虎|王向宇

东南大学土木工程学院，中国南京东南大学路2号

摘要

拖拽埋置锚（DEAs）是一种成本效益高且高效的系泊锚解决方案，在海上应用中具有巨大潜力。然而，目前仍缺乏可靠的预测拖拽锚在沙土中穿透轨迹和承载能力的方法，关于其行为的实验数据也非常有限。为了填补这一知识空白，本研究使用自主研发的模型测试系统，探讨了拖拽锚在沙土中的安装机制及其关键影响因素。系统地研究了拖拽速度、土壤密度和锚杆配置对拖拽锚穿透能力和承载能力的影响。实验结果表明，过高的拖拽速度会加速锚杆的滚动角度发展，从而增加锚杆脱落的风险；较高的土壤密度会导致更浅的穿透深度和较低的承载能力。此外，锚杆的几何形状对其在沙土中的穿透能力起着关键作用。与传统的双锚杆设计相比，单锚杆设计显著提高了最终的穿透深度和承载能力。实验还发现，在较松散的沙土中或使用单锚杆时，更大的埋置深度和承载能力与最终状态下更小的稳定俯仰角相关。这些发现为理解拖拽锚在沙土中的安装机制提供了宝贵的见解，并为拖拽锚的设计优化提供了潜在机会。

引言

随着海上石油和天然气、风能以及海洋养殖业的发展（Rui等人，2024年），各种大型浮动结构被越来越多地使用。系泊锚在这些结构的固定中起着关键作用。在各种锚型中，拖拽埋置锚（DEAs）具有制造和安装成本低以及承载能力效率高的优点，其承载能力效率通常以承载能力与自重之比来衡量（Cerfontaine等人，2023年）。目前，关于DEAs在粘土中的研究相对较为全面（Neubecker和Randolph，1996a；Thorne，1998年；O'Neill等人，2003年；Ruinen，2004年；Aubeny等人，2011年；Wang等人，2011年；Zhang等人，2022年），相应的设计方法也已经成熟（DNV，2021a，DNV，2021b）。然而，尽管最近取得了一些进展（Neubecker和Randolph，1996b，1996c；O'Neill等人，1998年；Liu等人，2010a，2010b，2012年；Zhao和Liu，2015年；Davidson等人，2023年；Dao和Grabe，2024年；Dao等人，2025年；Sharif等人，2023年，2024年，2025年；Lai等人，2025年），但关于DEAs在沙土中的研究仍然有限。相关标准（API，2005年；ISO，2013年；DNV，2021a，DNV，2021b）表明，业界缺乏可靠的预测DEAs在沙土中穿透深度和实际承载能力的方法。在工程实践中，DEAs在沙土中的设计主要依赖于经验性设计图表（NCEL，1987年；Vryhof Anchors，2017年；O'Loughlin等人，2018年）。此外，相关的经验和安装数据主要由少数拖拽锚制造商掌握，这限制了DEAs在海洋工程中的广泛应用。

在沙土中安装DEAs时，锚杆会受到较大的土壤阻力，导致安装深度通常受到限制。DEAs的穿透深度通常小于一根锚爪的长度（O'Loughlin等人，2018年）。由于DEAs的实际承载能力受穿透深度控制，因此较浅的穿透深度会导致较低的承载能力，从而限制了DEAs在沙土中的应用。针对这一问题，张等人（2024年）提出了一种新型单锚杆拖拽锚。该设计理念通过优化锚杆结构来减少穿透过程中的土壤阻力，从而显著提高了DEAs在硬土中的穿透深度和承载能力。张等人（2024年）通过大变形有限元分析证明了单锚杆拖拽锚在硬粘土和沙土中的优越性，但缺乏物理实验证据。

为了填补这一空白，本研究进行了一系列物理模型测试，以研究DEAs在沙土中的安装特性和实际承载能力。测试在一个长12米、宽2米的大型测试坑中进行，这使得可以使用相对较大的锚模型（锚爪宽度为541毫米），并能够真实模拟商业锚设计的几何特征。本研究的目标有两个：（1）揭示DEAs在均匀沙土中的穿透行为，并探讨拖拽速度、沙土的相对密度（D_r）和锚杆配置对穿透深度和实际承载能力的影响（这是以往实验中未涉及的方面）；（2）提供物理实验证据，证明张等人（2024年）提出的单锚杆拖拽锚设计的优越性。本研究测试了两种拖拽锚设计：一种流行的商业设计——Vryhof MK6（Vryhof Anchors，2017年）以及张等人（2024年）提出的单锚杆拖拽锚设计。这些模型测试还提供了必要的安装数据，可用于开发和校准预测DEAs在沙土中轨迹和承载能力的模型。

实验设置

实验装置

本研究探讨了DEAs在沙土中的安装性能和承载能力。开发了一个由四个关键部分组成的测试系统（图1）：1）测试坑；2）加载系统；3）装有传感器的模型锚；4）用于跟踪锚位移、方向和拉力的仪器和数据采集系统。

典型安装过程

图8展示了拖拽锚模型测试的典型安装过程。最初，将锚放置在土床的一端（图8a）。当开始拖拽时，在拉力和锚自重的共同作用下，锚的尖端开始穿透土床（图8b）。土壤阻力导致锚的俯仰角θ_p迅速增加，使锚链靠近土壤表面。随着锚爪逐渐嵌入土壤...

结论性意见

使用自主研发的模型测试系统，在均匀沙土中进行了一系列拖拽埋置锚的安装测试。研究了拖拽速度、锚杆配置和土床相对密度三个关键因素对DEAs安装性能的影响。本研究的主要发现总结如下：

1)

拖拽速度的影响：拖拽速度主要通过加速锚杆的滚动角度发展来影响其穿透性能

作者贡献声明

吴楚成：撰写——初稿、方法论、调查、数据分析。张友虎：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金筹集、概念构思。王向宇：撰写——初稿、方法论、调查、数据分析。

数据可用性声明

支持本研究结果的部分或全部数据、模型或代码可向相应作者索取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

作者感谢中国自然科学基金（52471273）提供的财政支持。