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洋上埋設型アンカーは、周囲の海底の摩擦抵抗（支持力）を利用して保持力を得る、洋上使用を目的としたアンカーです。一方、重力式アンカーは、主に自重によって保持力を得ます。洋上開発がより深い海域へと進むにつれて、重力式構造物は必要なサイズが大きくなり、輸送コストも高くなるため、経済的ではなくなります。
複数の埋め込み式アンカー方式にはそれぞれ独自の利点があり、海洋構造物の係留に適しています。係留方法の選択は、係留が必要な海洋施設の種類、設置場所、経済的実現可能性、耐用年数、地盤条件、利用可能な資源など、複数の要因によって決まります。
沖合での係留が必要となる可能性のある施設の例としては、浮体式生産貯蔵積出設備（FPSO）、移動式海洋掘削装置、海洋石油生産プラットフォーム、波力発電装置やその他の 再生可能エネルギー変換装置、浮体式液化天然ガス設備などが挙げられる。
ドラッグ埋め込みアンカー（DEA）は、海底深く埋設されることで保持力を得ており、そのアンカー力は埋設深度に直接関係しています。DEAは係留チェーンやワイヤーを使用して引きずりながら設置され、この比較的簡単な設置方法により、DEAはオフショア構造物のアンカーとして費用対効果の高い選択肢となっています。DEAは、移動式オフショア掘削装置などのオフショア石油・ガス構造物の一時係留によく使用されます。一時係留のみに使用されるのは、アンカーの埋設軌道や土壌への配置に関する不確実性に大きく起因しており、その結果、アンカーの保持力に関して不確実性が生じます。[ 2 ]
理想的な条件下では、DEAは最も効率的なアンカータイプの1つであり、保持力は自重の33倍から50倍以上に及びます。[ 3 ]また、DEAの質量は海底深くに集中し、そこで土壌抵抗、ひいては保持力が最大となるため、このような効率性により、ケーソンや杭などの他のアンカーソリューションよりもDEAに固有の利点があります。[ 2 ]アンカー効率は、アンカーの最終保持力と乾燥重量の比として定義され、DEAは他のアンカーソリューションと比較して、効率比が著しく高い場合がよくあります。
カテナリー構成は、自重でカテナリー形状を形成する「緩んだ」係留索で構成されます。カテナリー係留索は海底に沿って水平に敷設されるため、アンカーには水平方向の力のみがかかります。海底に対して斜めに張られた係留索は、アンカーに水平方向と垂直方向の両方の力がかかります。 [ 1 ] DEAは水平方向の力のみに耐えるように設計されているため、これらのアンカーはカテナリー係留構成でのみ使用する必要があります。DEAに大きな垂直荷重をかけると、パッドアイに垂直方向の力が加わりアンカーが引き戻されるため、DEAが破損します。ただし、これによりアンカーの引き戻しが容易になり、この係留ソリューションの費用対効果に貢献します。
DEAの3つの主要構成要素は、フルーク、シャンク、およびパッドアイです。DEAの場合、フルークとシャンクの間の角度は、硬い粘土や砂の場合は約30度、柔らかい粘土の場合は50度に固定されています。[ 1 ]
プレートアンカーのフルークは、アンカーの最終埋め込み深さにおける保持力の大部分を提供する支持板です。フルークはアンカーの保持力に貢献するだけでなく、埋め込み中のアンカーの安定性にも貢献する可能性があります。幅の広いフルークを採用することで、より深い埋め込みとより優れた保持力を可能にする転がり安定性を提供できます。[ 4 ]アンカーのフルークの適切な幅、長さ、厚さに関する業界ガイドラインがあり、幅は埋め込み方向に対して垂直な寸法を指します。市販のアンカーは通常、フルークの幅と長さの比が2:1、フルークの長さと厚さの比が5～30です。[ 4 ]
DEA（深型アンカー）は埋め込み深さによって強度を発揮するため、アンカーの埋め込み経路に垂直な方向の土壌抵抗が最小限になるようにシャンクを設計する必要がある。
しかし、シャンクの平行方向に対する土壌摩擦抵抗はそれほど大きくありません。そのため、埋め込み時の転がりに対するアンカーの安定性を確保するために、埋め込み軌道方向に沿ったシャンクの面積は比較的大きく設定されることがよくあります。
パドアイは、アンカーと係留索をつなぐ部分です。パドアイの偏心度は、パドアイオフセット比として測定されることが多く、アンカーのフルークとシャンクの接続部に対するパドアイの位置の水平方向と垂直方向の距離の関係を表します。DEAおよび垂直荷重アンカー（VLA）の最適なパドアイ偏心度の評価は、埋め込み時のフルークとシャンクの角度が固定されている場合の適切なシャンク長の選択に限定されます。適切なシャンク長を調査するために実施された研究では、シャンク長とフルーク長の比が1から2の範囲で検討されました。[ 5 ]シャンク長が短いほど（比率が1に近いほど）、アンカーの埋め込みが深くなることが判明しました。[ 5 ]
係留索は DEA に特有のアンカー構成要素ではありませんが、その設計はアンカーの挙動に大きな影響を与えます。係留索が太いほど、アンカーの埋め込みに対する抵抗が大きくなります。チェーンとワイヤーの係留索の特性が調査されており、チェーン係留索はアンカーの保持力を最大 70% 低下させます。[ 6 ]したがって、適切かつ費用対効果が高い場合は、ワイヤー係留索を使用する必要があります。係留索の埋め込み部分は、水平方向の動きに対するアンカーの保持力に寄与します。したがって、アンカーの埋め込みプロセスと最終的なアンカー保持力への寄与の両方に関して、アンカーの係留索の寄与を分析することが適切です。
垂直荷重アンカー（VLA）は、基本的にフルークとシャンクの接続部を中心に自由に回転できるDEAであり、これによりアンカーは垂直荷重と水平荷重の両方に耐えることができ、DEAとは異なり、係留索はカテナリーまたは張力係留のいずれかの構成にすることができます。VLAは、DEAと同様に、指定されたドラッグ長にわたって埋め込まれます。その結果、DEAに必要な設計上の考慮事項の多くがVLAにも適用できます。ドラッグ長を挿入した後、フルークは「解放」され、シャンクとの接続部を中心に自由に回転できるようになります。この新しいアンカー構成により、係留索の荷重はVLAのフルークに対してほぼ垂直になります。[ 2 ]
吸引ケーソン（吸引バケット、吸引杭、吸引アンカーとも呼ばれる）は、他の方法に比べて多くの経済的利点を持つ新しいタイプの埋め込みアンカーです。これらは基本的に、土壌に埋め込まれた逆さまのバケットで、水を汲み出して真空を作り出す吸引力を使用して、洋上浮体構造物を固定します。迅速な設置と廃止時の撤去、材料費の削減など、多くの経済的利点があります。[ 7 ]ケーソンは、底部が開いていて上部が閉じている大径の円筒（通常3～8メートル（10～26フィート）の範囲）で構成され、長さ対直径比は3～6の範囲です。[ 8 ]このアンカーソリューションは、大型洋上構造物、洋上掘削および居住プラットフォームで広く使用されています。再生可能エネルギーの需要の高まり以来、このようなアンカーは現在、洋上風力タービンに、通常は三脚構成で使用されています。
1997年に、効率を高めコストを削減するために、実績のある2つのアンカーコンセプトである吸引杭とプレートアンカーを組み合わせた吸引埋め込みプレートアンカー（SEPLA）が導入されました。[ 10 ]
現在、SEPLAアンカーはメキシコ湾、西アフリカ沿岸、その他多くの場所で使用されています。SEPLAは、最初に水で満たされた底が開いたケーソンである吸引式「フォロワー」を使用して、プレートアンカーを海底に埋め込みます。吸引式フォロワーは海底まで降ろされ、自重で海底に食い込み始めます。次に、ケーソン内部から水を汲み出して真空状態を作り出し、プレートアンカーを所定の深さまで押し込みます（ステップ1）。次に、プレートアンカーの係留索をケーソンから外し、ケーソンに水を注入することでケーソンを引き上げ、プレートアンカーは埋め込まれたまま上方に移動します（ステップ2）。次に、係留索に張力をかけ（ステップ3）、プレートアンカーを回転させて（「キーイング」とも呼ばれるプロセス）、荷重方向に対して垂直になるようにします（ステップ4）。[ 9 ]これは、最大表面積が荷重の方向に向くようにして、アンカーの抵抗を最大化するためである。
吸引式ケーソンフォロワーを使用するため、SEPLAアンカーは直接埋設アンカーに分類され、アンカーの位置と深さが既知となります。SEPLAプレートアンカーは地盤工学的に効率的であるため、同等の吸引式アンカーよりも大幅に小型軽量であり、コスト削減につながります。
深海でのアンカー設置コストの増加により、自由落下によって海底に埋め込まれる動的貫入型アンカーが開発されました。これらのアンカーは通常、スクラップ金属またはコンクリートが充填された厚肉鋼管シャフトと円錐形の先端部で構成されています。設置後の流体力学的安定性を向上させ、浮上に対する摩擦抵抗を高めるために、シャフトには鋼製のフルークが取り付けられることがよくあります。 [ 1 ]
動的に設置されるアンカーの主な利点は、その使用が水深によって制限されないことです。設置中に追加の機械的相互作用が必要ないため、コストが削減されます。シンプルなアンカー設計により、製造および取り扱いコストが最小限に抑えられます。さらに、動的アンカーの最終的な保持力は、場所の地盤工学的評価にあまり依存しません。これは、せん断強度が低いほどより大きな貫入が可能になり、保持力が増加するためです。[ 11 ]これらの利点にもかかわらず、このタイプのアンカーの主な欠点は、埋め込み深さと方向の予測の不確実性の度合いと、それに伴う保持力の不確実性です。
1990年代に初めて商業開発されて以来、動的に設置されるアンカーにはいくつかの異なる形式が設計されてきました。深層貫通型アンカー（DPA）と魚雷型アンカーは、南米沖合やノルウェー沖合で広く採用されています。[ 11 ]これらの設計は、他の2つの形式の動的に設置されるアンカー、すなわちOmni-Maxと動的埋め込みプレートアンカー（DEPLA）とともに図に示されています。
深海貫入型アンカーと魚雷型アンカーは、海底で最大毎秒 25～35 メートル (82～115フィート/秒)の速度に達するように設計されており、アンカー先端がアンカーの長さの 2 ～ 3 倍まで貫入し、土壌が固まった後にアンカーの重量の 3 ～ 6 倍の保持能力を発揮します。[ 1 ]
動的埋め込み式プレートアンカー（DEPLA）は、水中での自由落下によって得られる運動エネルギーを利用して海底に埋め込まれるプレートで構成される、直接埋め込み式の垂直荷重アンカーです。この新しいアンカーコンセプトはごく最近開発されたばかりですが、実験室と現場の両方で試験が行われています。DEPLAの各構成要素は、図中のラベル付き図で確認できます。
写真のOmni-Maxアンカーは、360度回転機能によりあらゆる方向に荷重をかけることができる重力設置型アンカーです。[ 12 ]このアンカーは高強度鋼で製造されており、特定の土壌条件に合わせて調整可能なフルークフィンを備えています。[ 12 ]
魚雷型アンカーは、垂直の鋼製フィンが付いている場合と付いていない場合がある鋼管状のシャフトを備え、円錐形の先端が取り付けられ、スクラップ金属またはコンクリートが充填されています。[ 13 ]最大150メートル（490フィート）の長さのアンカーは、自由落下により海底に完全に埋まります。
全長12メートル（39フィート）、直径762ミリメートル（30.0インチ）、乾燥重量400キロニュートン（90,000ポンドf）の魚雷型アンカーを使用して、水深最大1,000メートル（3,300フィート）の水中で実物大の現場試験が実施された。海面から30メートル（98フィート）の高さから投下された魚雷型アンカーは、通常固結粘土に29メートル（95フィート）の貫入を達成した。 [ 13 ]
その後、乾燥重量240キロニュートン（54,000ポンドf ）で先端の平均埋め込み深さが20メートル（66フィート）の魚雷型アンカーを用いた試験を行ったところ、設置直後のアンカーの乾燥重量の約4倍の保持力が得られ、土壌が10日間固まった後には約2倍になった。[ 13 ]
効率はドラッグ埋め込みアンカーなどの他のタイプのアンカーで得られるものより低いものの、製造コストが低く設置が容易であるため、これは相殺されます。したがって、一連の魚雷型アンカーは、ライザーやその他の浮体構造物の位置保持に使用できます。[ 1 ]
深海貫通型アンカー（DPA）は、概念的には魚雷型アンカーに似ています。ダーツ型の厚肉鋼製円筒で、アンカーの上部に爪が取り付けられています。実物大のDPAは、長さ約15メートル（49フィート） 、直径1.2メートル（4フィート） 、重量は50～100トン（49～98ロングトン、55～110ショートトン）程度です。設置方法は魚雷型アンカーと変わりません。海底から所定の高さまで降ろし、自由落下させて海底に埋め込みます。[ 1 ]
大きな保持能力が求められる状況では、埋め込み式アンカー杭（打ち込みまたは掘削）が必要です。アンカー杭の設計により、垂直テザー、カテナリー係留、セミテンション/テンション係留の 3 種類の係留構成が可能になり、これらは洋上風力タービン、浮体式生産貯蔵積出設備(FPSO) 船、浮体式液化天然ガス(FLNG) 設備などの洋上構造物の係留に使用されます。産業例としては、Ursaテンションレッグプラットフォーム(TLP) があり、これは 16 本のアンカー杭によって所定の位置に保持されています。各アンカー杭は長さ147 メートル (482フィート)、直径2.4 メートル (7フィート 10インチ) 、重量380 トン (370 ロングトン、420 ショートトン)です。[ 1 ]
アンカー杭は、海底に掘削された穴に打ち込むか挿入し、その後グラウトを注入する中空の鋼管で、洋上固定構造物で一般的に使用される杭基礎と同様です。図は、さまざまな設置方法を示しています。「打ち込み」方式では、鋼管をハンマーで機械的に打ち込みますが、「掘削」方式では、回転ドリルで掘削した特大のボーリング孔に現場打ちの杭を挿入し、その後セメントを注入します。どの方法を採用するかは、海底の地球物理学的および地盤工学的特性によって異なります。
アンカー杭は通常、水平荷重と垂直荷重の両方に耐えるように設計されています。アンカー杭の軸方向保持力は杭と土壌の界面に沿った摩擦によるものであり、杭の横方向保持力は横方向の土壌抵抗によって生み出されます。この抵抗を最適化するには、アンカーの向きが重要です。そのため、最適な横方向の土壌抵抗を実現するために、カテナリーまたは張力係留からの力が回転点周りのモーメント平衡をもたらすように、パッドアイの位置が配置されます。[ 1 ]
アンカー杭は細長いため、打ち込み杭には 3 つの設置上の問題があります[ 14 ]。1 つ目は、杭の打ち込み位置での打ち込みやすさ、または過度の土壌抵抗によって所望の深さまで貫入できない可能性がある点です。2 つ目は、過度の抵抗と杭の軌道のずれによって先端が崩壊したり座屈したりする杭の変形です。3 つ目は、土壌の地盤工学的特性です。土壌による側方抵抗が不十分だとアンカーが転倒する可能性があり、貫入経路に沿って岩や巨石があると貫入が拒否され、先端が崩壊する可能性があります。
掘削・グラウト杭に関する設置上の問題点としては、ボーリング孔の安定性、孔底の不要な軟弱な切削片、グラウトの損失につながる土壌の水圧破砕、熱膨張の影響などが挙げられる。[ 14 ]
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