粘土中螺旋锚杆循环后极限承载力的数值分析

螺旋锚在黏土 seabed 上受循环荷载作用时，其极限承载能力受荷载模式、幅值、周期及土壤参数影响显著。通过3D有限元模型结合E-R本构模型，分析不同循环荷载条件下土壤强度演化及破坏机制变化，发现荷载幅值增加至0.5倍参考值时水平承载能力下降达43%，而加载周期延长至6秒时仅下降4%。研究揭示了锚体周围局部土壤强度退化及破坏机制转变是承载能力衰减的主因，并基于多项式非线性最小二乘拟合提出预测后循环荷载极限承载能力的表达式。

　　

张庭然|王乐|陈立波|卢文军|郝东雪|邵伟|张春晖|田英辉

天津大学水利工程智能建造与运行国家重点实验室，中国天津市卫津路92号，300072

摘要

螺旋锚作为浮动海上结构在粘土海床上的基础，会经历循环载荷，这显著影响其极限承载能力。然而，准确评估这种循环载荷后的承载能力仍然具有挑战性。为了解决这个问题，开发了一个结合E-R模型的三维有限元模型，以研究循环载荷模式和粘土土壤参数对极限承载能力的影响。通过土壤强度演变和破坏机制的视角，探讨了驱动承载能力变化的根本机制。结果表明，在0.5q_ref的条件下，循环幅度的增加会使水平承载能力显著降低多达43%。此外，更大的水平载荷角度和更高的土壤敏感性也会降低承载能力，而当载荷时间从2秒增加到6秒时，承载能力的降低仅为4%。这种降低与锚杆和螺旋边缘附近的局部土壤强度退化以及循环载荷下的破坏机制变化有关，这两者都导致了观察到的承载能力下降。因此，通过多项式非线性最小二乘拟合方法开发了一个预测表达式，用于估算循环载荷后的极限承载能力，为设计优化和工业指导提供了实用的工具。

引言

螺旋锚是一种新型且成本效益高的锚固基础，适用于浮动风力涡轮机，因为它具有单位重量高的极限承载能力、快速安装的特点，并且能够及时发挥抵抗作用（Byrne和Houlsby，2015；Heshmati Rafsanjani等人，2021；Spagnoli和de Hollanda Cavalcanti Tsuha，2020；Spagnoli等人，2018；Wang等人，2023a，Wang等人，2023b）。典型的螺旋锚包括一个沿其长度分布的螺旋杆，如图1所示。在浮动风力涡轮机（FOWTs）或其他海上结构受到风、波浪和水流的循环载荷作用下，锚杆与土壤的相互作用会导致土壤严重扰动，从而降低土壤强度（Chen等人，2022；Li等人，2025；Lu和Zhang，2020；Meng等人，2020；Salehzadeh等人，2022），并减少极限承载能力（DNV，2017；Mu等人，2022；Huang等人，2024；Wang等人，2025a，Wang等人，2025b）。在循环载荷下保持足够的极限承载能力（UBC）对于支撑FOWTs的螺旋锚至关重要（Wang等人，2025a，Wang等人，2025b）。

目前，大多数关于螺旋锚UBC的研究都集中在单调载荷条件下，其中承载能力通常使用V-H破坏包络线来评估，其中V和H分别代表UBC的垂直和水平分量（Chen等人，2023；Cheng等人，2022；Chi，2019；Merifield，2011；Tang和Phoon，2016；Wang等人，2013）。这种方法可以系统地评估单根系泊线锚在各种载荷条件下的承载特性（Shen等人，2016，2021）。在这些研究中，Chen等人（2023）进行了数值模拟，探讨了螺旋直径（D_H）、嵌入深度（L_e）和不同的单调载荷角度（θ_m）对螺旋锚UBC的影响。结果表明，载荷角度显著影响承载能力，在更大的水平载荷角度下观察到更高的UBC值。Liu等人（2024）采用了耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法来分析土壤参数和预安装角度对V-H破坏包络线的影响。结果表明，土壤强度的增加和更大的水平安装角度有助于扩展V-H包络线，强调了在承载能力评估中考虑土壤参数和载荷角度变化的重要性。

虽然这些研究在单调条件下提供了有价值的见解，但对循环载荷的影响关注有限。Prasad和Rao（1994）进行了模型测试，研究了螺旋锚在由粘土、粉砂和沙子混合而成的土壤中的循环响应。结果表明，随着垂直循环载荷幅度的增加，垂直UBC显著降低。Lee等人（2019）进行了大变形有限元（LDFE）分析，以评估不同垂直循环载荷对UBC的影响。相应结果显示，载荷循环次数的增加导致螺旋锚周围的应力积累和重新分布，逐渐削弱了周围土壤，进一步降低了垂直UBC。然而，大多数现有研究都集中在垂直循环载荷上，忽略了由于环境力变化而导致的锚固基础中载荷方向的变化，以及多方向循环载荷下土壤参数变化对UBC的影响。此外，大多数这些研究是在沙子（Wada等人，2017）或混合土壤（Prasad和Rao，1994；Rao和Prasad，1991）中进行的。然而，在纯粘土中，用V-H包络线表征的螺旋锚的承载能力尚未得到研究。

为了填补这一研究空白，本研究通过考虑循环载荷模式和土壤参数的各种影响，研究了螺旋锚的V-H包络线。进行了一系列结合E-R模型（用于表征土壤循环响应）的三维有限元分析。基于这些结果，通过非线性最小二乘方法提出了一个预测在不同循环载荷模式和土壤参数下UBC的表达式。

节选

有限元数值模型

有限元分析使用商业软件Abaqus 6.14（Dassault，2014）进行。

结果与讨论

系统地研究了循环载荷对UBC的影响，涵盖了多种循环载荷模式和土壤参数。关键变量包括循环次数（N）、载荷幅度（q_am）、载荷时间（T）和载荷角度（θ），以及土壤参数的敏感性（S_t）、相对延展性（ξ₉₅）和强度增长率（μ）。进行了一项包含230次模拟的结构化三阶段数值研究（详见表2）：

1.

循环载荷后的UBC演变：量化

螺旋锚循环载荷后承载包络的预测表达式

本研究提出了一个螺旋锚循环载荷后破坏包络的预测表达式，以便于实际应用。该表达式改编了通用的V-H包络框架（Chen等人，2023；Meyerhof和Yalcin，1984；Zhao等人，2019）。${\left(\frac{H}{Hc}\right)}^j+{\left(\frac{V}{Vc}\right)}^k=1$在方程（6）中，常数j和k定义了破坏包络的形状，而H_c和V_c代表在不同条件下的极限水平和垂直承载能力。

结论

本研究全面研究了循环载荷对螺旋锚极限承载能力（UBC）的影响，考虑了循环载荷模式和土壤参数。通过一系列证据分析了承载能力的变化，从V-H空间的包络变化开始，接着是土壤强度的演变以及相应的破坏机制变化。此外，还提出了一个预测表达式来描述观察到的现象。

CRediT作者贡献声明

张庭然：撰写——原始草稿、软件、方法论、调查、正式分析、概念化。王乐：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、概念化。陈立波：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、概念化。卢文军：撰写——原始草稿、数据整理。郝东雪：可视化、调查。邵伟：可视化、调查。张春晖：撰写——审阅与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52301334, 52471294）和天津市科学基金（24ZXZSSS00450）的支持。此外，本工作还得到了中国留学基金委员会奖学金（202306250131）的支持。