科学网—Ocean|中国科学院力学所漆文刚研究员：沟槽海床吸力锚承载力预测-清华大学出版社学术期刊的博文
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2026-9-30 07:13
| 个人分类: Ocean | 系统分类: 论文交流
1 导读
在海洋漂浮式结构的系泊系统中，系泊链往复运动会导致海床形成沟槽，从而降低吸力锚的承载力。沟槽的形成伴随着卸载效应，改变了周围土体的应力状态和抗剪强度。本研究采用有限元建模，通过更新沟槽形成前后土体的本构参数，量化了卸载效应对吸力锚承载力的影响。最终基于数值结果，提出了考虑沟槽卸载效应的承载力修正公式，为工程预测设计提供了新依据。
Citation: Ouyang Y.X., Qi W.G., Wang Y.F., Wang N., Sun C., Gao F.P. Predicting the ultimate bearing capacity of suction anchors in trenched seabeds for offshore mooring systems. Ocean, 2025. 1(1): 9470010.
DOI: https://doi.org/10.26599/OCEAN.2025.9470010
2 背景介绍
近年来，漂浮式风力发电机等海上浮动结构展现出巨大市场潜力。这些结构依赖于系泊系统定位，在风浪等循环荷载作用下，系泊链嵌入海床的部分会反复剪切土体，导致土体软化并最终形成沟槽。与冲刷类似，沟槽会显著降低吸力锚的承载力，是海上基础全生命周期完整性管理的关键考量。然而，以往的研究通常只在几何构造中简单移除沟槽内土体，而忽略了沟槽形成过程中的应力释放（卸载）对剩余土体物理力学性质的影响，导致预测结果可能偏于不安全。
图 1 沟槽示意图
3 图文介绍
3.1 沟槽卸载导致土体物理参数的变化
本研究采用 Tresca强度准则，考虑沟槽形成前后土体应力状态，主要基于修正剑桥模型，通过Abaqus子程序更新土体不排水抗剪强度、浮重度和弹性模型。
图 2 考虑应力历史的沟槽形成前后黏土固结曲线
3.2 沟槽海床锚—土相互作用数值模型
由于荷载和结构的对称性，本文建立了三维有限元半模型。此外，与以往研究不同，根据现场调查报告，本模型考虑了沟槽与吸力锚之间的附着土层。计算采用准静态分析步，分别为：初始状态、施加地应力、形成沟槽和加载。
图 3 有限元模型的网格划分及边界条件
图 4 沟槽海床吸力锚承载力有限元模拟流程图
3.3 沟槽的影响机制
沟槽自身对吸力锚竖向极限承载力影响较小，承载力的减小主要源于沟槽形成导致的土体参数变化，这会导致锚 -土界面处土体强度衰减；沟槽对吸力锚的水平极限承载力的影响较大，主要通过以下三种机制削弱：（a）土体体积减小导致侧向约束弱化；（b）锚-土界面吸力损失；（c）卸载效应引起的土体不排水抗剪强度衰减。
(a) (b)
图 5 沟槽海床吸力锚承载力
3.4 附着土层的作用
现场调查发现，沟槽与锚侧壁之间常存在 1-3米厚的附着土层。数值模拟表明，该土层可提供较大的水平承载力（贡献可占10%以上）。 主要原因有两 方面 ：（ a）由于沟槽稳定机制的作用，应力重分布导致的 附着 土层抗剪强度并不会无限降低，而是保持相对较高的强度，这意味着其自身抗力仍可提供一定承载力；（ b） 附着 土层还表现出加载效应。这使得沟槽底部下方土体的应力重分布向远离锚体的方向偏移。
(a) (b)
图 6 附着土层的影响
3.5 卸载效应的量化
研究发现，水平极限承载力修正系数与无量纲参数 T u 之间存在显著的线性关系，据此拟合的公式可以修正忽略卸载效应时沟槽海床吸力锚水平极限承载力。此外， 无量纲参数 T u 能在一定程度上反映沟槽导致的卸载效应的强弱程度， T u 值越大表示卸载效应越弱。 T u 的最大值约为 1.42，当 T u 超过该阈值时，卸载效应可忽略不计。因此，在工程设计中，保持锚径不变时采用较大的长径比，可有效降低沟槽卸载效应，提升吸力锚的承载力。
图 7 卸载效应量化公式
4 总结与展望
本研究采用有限元方法研究了沟槽化海床中吸力锚的极限承载力，重点关注沟槽诱发的卸载效应及附着土层的作用。通过对比参数修正前后的承载力变化并分析关键因素的敏感性，得出结论： 沟槽的卸载效应会导致剩余土体强度退化，主要影响水平承载力，最大计算差异可达 25%。此外，附着土层能提升沟槽化海床中吸力锚的水平承载力（阻挡作用和抑制重力重分布），无论是否考虑卸载效应，贡献均大于10%。参数敏感性发现， 卸载效应 对附着土层厚度 ( W s )、锚长径比 ( L / D ) 及沟槽宽度 ( w t ) 高度敏感。这些参数构建的无量纲数 ( T u = ( L / D )( W s/ D ) 1/2 exp(- w t / D ))可以预测修正系数，用以修正未考虑卸载效应时沟槽海床中吸力锚承载力。
5 作者简介
通讯作者 漆文刚
中国科学院力学研究所
中国科学院力学研究所准聘研究员。主要从事海洋流固土耦合力学方面的研究，涉及基础结构冲刷、基础 -波流-海床相互作用、海洋基础稳定性等问题。主持国家自然科学基金项目4项(青年B、青年C、面上项目)，2021年入选中国科学院“青年创新促进会”会员。目前担任国际海洋与极地工程学会(ISOPE)技术理事会成员(TPC Member)、中国海洋学会海洋工程分会理事、《力学与实践》编委、Ocean Engineering和Applied Ocean Research编委、China Ocean Engineering青年编委。海上风机大直径单桩基础冲刷及承载力预测模型成果获2024年中国力学学会自然科学二等奖。
第一作者 欧阳宇轩
中国科学院力学研究所
中国科学院力学研究所 23级硕士生，导师为漆文刚研究员。研究方向为海上系泊系统（锚固基础和系泊链与海床相互作用）、颗粒流计算。以第一作者发表论文2篇，授权发明专利/软著2项。担任ISOPE会议审稿人；中国力学学会学生会员。曾获校优秀百篇毕业设计（论文）、国家奖学金、省优秀毕业生等荣誉。
期刊简介
《海洋（英文）》（ Ocean ）是清华大学主办的英文开放获取期刊，基于清华大学出版社 SciOpen平台出版发行，主编团队由 挪威科技大学的 Torgeir Moan 院士 、 中国科学院的王中林院士 、以及 清华大学的张建民院士 共同组成。 《 海洋 （英文）》 致力于发布海洋科学、海洋工程、海洋科技领域相关的最新研究进展，通过 开放获取 的 出版模式 提升 成果传播 速度 与影响力 ，助力 科研合作与创新 ， 启幕海洋 相关 领域 的 学术新征程 。
收稿范围包括但不限于：海洋生物学与海洋生物制药、海洋生物地球化学过程、海洋地球科学、海洋自然资源、大气与气象学、海洋污染与生态学、海洋化学、海洋数学、遥感、海洋声学与光学、海洋环境与预测、海洋自动化与机器人技术、海洋信息学与数字孪生、海洋灾害与防治、海洋采矿、近海与海岸工程结构、海洋岩土工程、水产养殖工程、流体力学、水动力学、海底工程等主题的研究论文、综述、快报、专家观点和研究亮点。
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期刊网址： www.sciopen.com/journal/3008-1203
投稿地址： https://mc03.manuscriptcentral.com/ocean
联系方式： ocean@tup.tsinghua.edu.cn
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