海洋工程中的动态海床贯入器设计与应用综述

作者及机构
本综述由皇家墨尔本理工大学（RMIT）工程学院的Junlin Rong、Majidreza Nazem、Annan Zhou、Sara Moridpour及墨尔本大学基础设施工程系的Shiao Huey Chow合作完成，发表于期刊《Ocean Engineering》2024年第293卷。

研究背景与主题
动态海床贯入器（Dynamic Seabed Penterators）是近20年来海洋岩土工程领域的重要工具，主要用于两类应用：
1. 自由落体贯入仪（Free-Falling Penetrometer, FFP）：用于海底原位土体强度表征，替代传统静力触探（CPT），降低勘探成本。
2. 动力安装锚（Dynamically Installed Anchor, DIA）：为浮式海上设施（如风电平台、油气钻井装置）提供高效系泊解决方案。
本文系统回顾了2000年后动态贯入器的设计进展、性能影响因素及数据解释模型，旨在为工程实践提供设计优化依据，并指出未来研究方向。

主要观点与论据

1. 动态贯入器的分类与设计演变
- FFP：从早期单一加速度计配置（如True, 1976）发展为多传感器集成系统（如Nimrod、BlueDrop），可测量加速度、孔隙水压力、摩擦阻力等参数。轻量化设计（<50 kg）适用于浅水（<150 m），而深水型（如SeaDart2）重量可达6吨，工作水深达6000米。
- DIA：包括火箭式锚（如Torpedo Anchor）和板式锚（如Omni-Max Anchor）。前者通过高冲击速度（20–25 m/s）实现深嵌入，后者通过可调鳍片优化土壤-锚相互作用，提升系泊容量。

支持证据：
- 表1对比了15种FFP和8种DIA的几何参数（如尖端形状、直径、鳍片设计）。例如，锥形尖端（60°顶角）比球形尖端嵌入更深（Chow et al., 2014）。
- 图2展示了DIA的典型设计，如鱼形锚（Fish Anchor）通过流体动力学优化减少水中阻力，嵌入深度达锚长的2.5倍（Chang et al., 2019）。

2. 几何与重量对性能的影响
- 尖端形状：锥形尖端在黏土中嵌入更深，而球形尖端（如IFFS）可消除轴摩擦，适合软土（Randolph et al., 2011）。
- 重量：FFP的嵌入深度与质量正相关。例如，SeaDart2通过配重模块（1000–6000 kg）实现深海穿透（Peuchen et al., 2017）。
- 鳍片设计：DIA的鳍片增加飞行稳定性，但可能降低嵌入深度（O’Loughlin et al., 2013）。

支持证据：
- 图3显示模型板式FFP在高冲击速度下嵌入深度随土体强度降低而增加（Chow & Airey, 2014）。
- 表2汇总了现场测试数据，如Torpedo Anchor在黏土中嵌入深度达锚长的1.9倍（Medeiros, 2002）。

3. 土体类型与状态的影响
- 黏性土：动态贯入诱发应变率效应（Strain Rate Effect），导致阻力增强。例如，钙质粉土的嵌入深度比高岭土低19%（Hossain et al., 2015）。
- 无黏性土：砂土中的嵌入受颗粒密度和 dilatancy（剪胀性）影响。Lirmeter在粗砂中穿透仅0.08–2 m（Stephan et al., 2012）。

支持证据：
- 图4展示Nimrod在软黏土中穿透80 cm（Stark et al., 2013），而图5显示Lirmeter在粗砂中穿透受限。

4. 数据解释模型
- 运动方程：基于牛顿第二定律，引入拖曳力、轴摩擦等修正项（式1–2）。
- 速率效应模型：黏性土的动态阻力通过速率因子（Rate Factor, RF）修正（式3），如Einav & Randolph (2005)的黏性-应变率耦合模型。
- 能量守恒模型：预测嵌入深度的关键参数包括初始动能、土体强度梯度（式4–7）。

支持证据：
- 图6展示砂土中动态阻力与相对密度的“骨架曲线”（White et al., 2018）。
- 数值模拟（Nazem et al., 2012）验证了锥形贯入器的承载力因子（式8–10）与土体刚度相关。

研究价值与亮点
- 科学价值：系统梳理了动态贯入器的设计-性能-土体响应关系，揭示了应变率效应和几何优化的内在机制。
- 应用价值：为海上风电、油气开发提供低成本勘探与系泊方案。例如，Omni-Max Anchor的系泊容量达干重的10倍（Shelton, 2007）。
- 创新点：
1. 提出鱼形锚等新型设计，结合流体动力学优化；
2. 开发适用于砂土的动态阻力模型（White et al., 2018）；
3. 集成多传感器FFP（如SeaDart2）实现深海高分辨率探测。

未来方向
- 开发统一速率效应模型以覆盖复杂土体（如钙质土）；
- 探索人工智能在动态贯入数据实时解析中的应用；
- 优化DIA在极端环境（如台风、地震）下的可靠性。

（注：全文术语首次出现时保留英文，如“dilatancy（剪胀性）”、“Strain Rate Effect（应变率效应）”）