作为一种固定上部浮式结构的锚固基础,多向受荷锚(OMNI-Max anchor)结合了动力锚自安装和板形锚承载效率高的优点。多向受荷锚的安装全过程包括在水中自由下落、在海床中高速沉贯、以及在海床中旋转调节过程三个阶段。锚依靠在水中自由下落过程获得的动能和自身重力势能贯入海床中。随后张紧连接在锚眼处的锚链,锚在海床中旋转调节至合适的方位以提高抗拔承载力。围绕多向受荷锚的研究需要解决的科学问题包括:锚在水中自由下落时的水动力学特性(拖曳阻力系数、下落速度、方向稳定性等),锚在海床中的高速沉贯机理,以及锚在海床旋转调节过程中锚-锚链-土大变形相互作用机理。解决这些科学问题有助于建立多向受荷锚的贯入速度及沉贯深度预测模型、以及锚在旋转调节过程中承载力计算方法,并有助于深入揭示结构-软黏土相互作用机理,为其他海洋工程岩土问题提供借鉴。尽管国内外学者已开始关注多向受荷锚,并通过数值模拟方法研究了锚的动力安装过程和旋转调节过程,但还很不充分,尤其在物理模型试验方面鲜有研究结果。因此,本文在自主研发的一系列微型力传感器、加速度传感器和测速传感器,以及设计的配套试验装置(包括水槽、模型箱、长行程加载装置等)基础上,通过模型试验系统研究了多向受荷锚的动力安装过程及旋转调节过程,基于试验结果建立了多向受荷锚贯入速度和沉贯深度理论预测模型以及承载力计算方法。本文研究内容及主要结论如下:(1)针对贯入物体(如动力锚、自由落体式贯入仪)在水中的自由下落问题和在黏土中高速贯入问题,推导了1g模型试验相似关系,并验证了相似关系的准确性。当物体在水中自由下落时,若作用在物体上的拖曳阻力以压差阻力为主,则拖曳阻力系数与雷诺数基本无关,由模型试验得到的拖曳阻力系数可直接用于原型。当物体在黏土中高速贯入时,模型试验中土强度需进行折减以保证土样应力比与原型一致,从而保证物体沉贯深度比尺等于几何比尺。(2)针对多向受荷锚在水中下落时方向稳定性较差和在海床中沉贯深度较浅的不足,提出并设计了助推器。助推器主要包括中轴和尾翼,可根据实际情况调整他们的尺寸和重量。助推器通过剪切销连接在锚的尾部,形成组合锚。助推器可显著提高组合锚下落至海床表面的动能和相对最终沉贯深度处的重力势能,从而显著增加锚的沉贯深度;助推器尾部设有板形或环形尾翼,可提高组合锚在水中下落时的方向稳定性。安装结束后,可回收助推器并用于其他锚的安装。简而言之,助推器相当于多向受荷锚的辅助安装设备,在保证高效安装的前提下可有效提高锚的沉贯深度以及承载效率。这有助于减少某一场地中所需安装的锚的个数,进而降低锚的生产成本、运输成本,并节约安装时间、提高安装效率。(3)开展水槽试验系统研究了多向受荷锚和组合锚在水中的自由下落过程,基于6自由度加速度传感器和陀螺仪来追踪锚在水中的运动轨迹和偏角(锚的轴线与铅垂方向的夹角),揭示了助推器对组合锚水动力学特性的影响规律,建立了动力锚在水中自由下落过程及贯入速度理论计算模型。试验结果显示:当偏角为3°时,多向受荷锚的下落速度为22.8 m/s,小于其极限速度24.6 m/s;而组合锚H1.5-R1.5(助推器与锚重量之比为1.5:1,助推器尾部环形尾翼半径与锚翼板宽度之比为1.5:1)的下落速度为31.0 m/s,已经达到极限速度,表明助推器能同时提高锚的下落速度和方向稳定性。根据试验结果优化了尾翼尺寸和形状,使组合锚兼具良好的方向稳定性和较高的贯入速度。(4)开展多向受荷锚和组合锚在正常固结和轻微超固结软黏土中高速沉贯过程模型试验,系统研究了助推器重量、土强度、贯入速度、初始贯入偏角以及携水效应对沉贯深度的影响,并分别提出了基于锚的总能量以及基于锚的运动微分方程的沉贯深度预测模型。研究结果表明:助推器有助于增加组合锚的动能和重力势能,从而显著增加锚在海床中的沉贯深度;当初始贯入偏角(即锚轴线与铅垂方向间的夹角)小于9°时,初始贯入偏角对沉贯深度的影响可忽略,助推器能减弱初始贯入偏角对组合锚沉贯深度的影响。(5)采用半个锚贴着模型箱玻璃面运动并结合图像识别技术,可得到锚在土中的运动轨迹。通过模型试验系统研究了锚眼偏移角、锚眼及锚链嵌入点处荷载角度、锚翼板厚度、初始埋深、土强度特性等因素对锚的承载力、埋深损失以及下潜性能的影响规律,探明了多向受荷锚下潜机理。试验结果表明:锚眼偏移角以及锚链嵌入点处荷载角度是决定锚是否具有下潜性能的主要因素,当锚眼偏移角为24～30°时,锚在海床中兼有下潜性能和较高的承载效率,而锚链嵌入点处荷载角度大于20°时,多向受荷锚将失去下潜性质。(6)通过模型试验分别建立了锚链和锚绳在海床中的承载力包络面方程。在此基础上,提出了基于锚链承载力包络面方程和锚链反悬链方程来预测锚在海床中运动轨迹的方法,并设计了相配套的测试装置。考虑锚链承载力包络面方程可提高基于锚链反悬链方程预测嵌入段锚链在海床中反悬链形态的预测精度。通过模型试验验证了预测方法的可靠性和精度。与预测方法相配套的测试装置还可用来研究锚的承载力随运动轨迹、运动模式的演化规律,揭示锚-锚链-土大变形相互作用机理。本文研究成果在理论层面上有助于推进深海土力学特性、锚-锚链-土大变形相互作用机理研究,在工程层面上有助于为深海岩土工程锚固基础提供设计依据和理论参考。