自平衡抗吸附海床基的吸附力研究分析

胡展銘 ，陳偉斌 ，胡 波 ，張衛(wèi)平 ，孫兆晨

（1.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 大連 116023；2.大連理工大學(xué) 海岸及近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023）

自平衡抗吸附海床基的吸附力研究分析

胡展銘1，陳偉斌1，胡 波1，張衛(wèi)平2，孫兆晨2

（1.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧 大連 116023；2.大連理工大學(xué) 海岸及近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023）

針對自平衡抗吸附海床基，結(jié)合其在渤海和北黃海近百次的應(yīng)用，采用Skempton，Terzaghi經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃陀邢拊?jì)算模型方法，分析不同底質(zhì)、不同浸深和不同起吊方式對海床基的吸附力影響。結(jié)果表明：（1）海床基的吸附力主要取決于底質(zhì)粘聚力的大小，相同浸深條件下粘土底質(zhì)吸附力最大，以下依次為亞粘土、亞砂土、淤泥和砂土。不同底質(zhì)吸附力相差較大，粘土底質(zhì)吸附力最大可達(dá)172.6 kN，而在砂土底質(zhì)下吸附力最大僅有20.4 kN。同一底質(zhì)條件下隨著海床基浸深的增大，海床基的破壞位移也隨之增大，相應(yīng)的吸附力也增大明顯；（2）相對于Terzaghi模型，Skempton吸附力模型結(jié)果與有限元結(jié)果更接近，因此其更適合用來估算海床基吸附力的上限解；（3）海床基側(cè)向單點(diǎn)起吊的吸附力僅為豎向?qū)ΨQ起吊的44%～47%。

自平衡抗吸附海床基；吸附力；海洋環(huán)境監(jiān)測

近年來隨著海洋環(huán)境保護(hù)、海洋資源開發(fā)、海洋災(zāi)害預(yù)防與應(yīng)急等領(lǐng)域的發(fā)展，對海洋環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的要求越來越高，海床基作為海洋環(huán)境的海底監(jiān)測平臺國外應(yīng)用[1]已越來越廣泛，國內(nèi)海床基多處在研究階段，缺少業(yè)務(wù)化監(jiān)測應(yīng)用。在海床基投放使用過程中，不可避免地要受到海底沉積物吸附作用影響，特別是粘性底質(zhì)如粘土和淤泥，因此如何判斷海底沉積物對海床基的吸附力，將直接關(guān)系到海床基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、回收方式和監(jiān)測站位的選擇，從而影響海洋環(huán)境監(jiān)測是否能夠順利實(shí)施。

從廣義上說吸附力是結(jié)構(gòu)物、土與液體三者之間相互作用的結(jié)果，即土與結(jié)構(gòu)物底面間的粘著力、結(jié)構(gòu)物被提升過程中產(chǎn)生的負(fù)孔隙水壓力以及土與結(jié)構(gòu)物側(cè)面產(chǎn)生的側(cè)摩阻力組成。對坐底結(jié)構(gòu)物離底問題的研究，國內(nèi)20世紀(jì)90年代金廣泉[2]、張日向[3]等對海底結(jié)構(gòu)物的吸附力進(jìn)行了機(jī)理研究，2000年以后隨著有限元理論的發(fā)展和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的提高，馬俊[4]以及Zhang[5]等針對石油平臺潛坐結(jié)構(gòu)吸附力進(jìn)行了有限元數(shù)值計(jì)算研究；國外從20世紀(jì)60年代末期就開始對失事潛艇的離底力進(jìn)行試驗(yàn)和理論研究，20世紀(jì)80年代Chiang C.Mei[6]等人對吸附力進(jìn)行了理論分析和原型觀測研究，2000年以后Sawicki[7]等人則通過數(shù)值方法對吸附力產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究。

由于影響吸附力主要有3個(gè)因素，即結(jié)構(gòu)體因素、底質(zhì)因素和結(jié)構(gòu)體在底質(zhì)中的浸沒深度。本文針對國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心開發(fā)的自平衡抗吸附海床基，結(jié)合其在渤海和北黃海不同底質(zhì)、不同水深、不同投放時(shí)間條件下的近百次業(yè)務(wù)應(yīng)用和試驗(yàn)使用情況（海床基投放位置可見圖1），采用不同的計(jì)算模型對其進(jìn)行不同底質(zhì)、不同浸深、不同起吊方式條件下的吸附力研究分析，以期在海床基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和投放使用方面進(jìn)行系統(tǒng)性研究。

圖1 自平衡抗吸附海床基投放位置

1 吸附力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型

在計(jì)算自平衡抗吸附海床基離底產(chǎn)生的吸附力時(shí)，可以把海床基的離底力計(jì)算問題簡化為一個(gè)淺浸在半無限空間介質(zhì)中的剛體在受到向上拉力作用時(shí)的一個(gè)塑性極限問題。參照傳統(tǒng)的地基承載力理論，離底問題與承載極限問題所不同的主要是受力的方向。本文為了研究海床基的吸附問題，對斯肯普頓和太沙基兩種常用吸附力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型進(jìn)行了對比，并對這兩種模型的適用性與較為精確的有限元數(shù)值模型進(jìn)行了對比研究。

1.1 斯肯普頓(A.W.Skempton)吸附力計(jì)算模型

斯肯普頓考慮到實(shí)際情況下的海底底質(zhì)多為飽和的軟基礎(chǔ)，不計(jì)土體內(nèi)摩擦角的影響，給出了軟粘土條件下的極限吸附力公式[8]：

式中：c為底質(zhì)土的粘聚力；γ為底質(zhì)土的重度；d為浸深；A為底面面積。

1.2 太沙基(K.Terzaghi)吸附力計(jì)算模型

太沙基假定基礎(chǔ)底面粗糙，考慮土體內(nèi)摩擦角的影響，并從實(shí)際工程的精度要求出發(fā)對于圓形基礎(chǔ)有極限吸附力公式[8]：

式中：Nγ，Nq，Nc為太沙基承載力系數(shù)，它只與土的內(nèi)摩擦角有關(guān)；D為圓形基礎(chǔ)的直徑；q=γd為結(jié)構(gòu)物浸深范圍內(nèi)的壓載，其中γ為底質(zhì)土的重度，d為浸深。

2 數(shù)值分析

2.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

在本文吸附力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算中，自平衡抗吸附海床基的直徑1.7 m，高0.6 m，浸深0.3 m。為了分析底質(zhì)土體參數(shù)粘聚力和內(nèi)摩擦角對吸附力的影響，粘聚力范圍取1～20 kPa，內(nèi)摩擦角范圍取1°～35°。從兩種模型的計(jì)算結(jié)果（見圖2）可知，吸附力和粘聚力成線性關(guān)系，在Terzaghi吸附力模型中，吸附力對內(nèi)摩擦角極為敏感，在35°內(nèi)摩擦角下的吸附力約是1°內(nèi)摩擦角吸附力的10倍。通過對兩種模型吸附力數(shù)值比較來看，不考慮內(nèi)摩擦角影響的Skempton吸附力模型計(jì)算得到的吸附力與Terzaghi吸附力模型在較小內(nèi)摩擦角條件下較為吻合，即在內(nèi)摩擦角很小情況下如淤泥質(zhì)兩種模型計(jì)算結(jié)果較為接近。

圖2 吸附力——粘聚力曲線

2.2 有限元模型

本文采用有限元方法[9]對自平衡抗吸附海床基進(jìn)行吸附力分析研究，并采用大型通用有限元分析軟件ABAQUS對海床基的吸附力進(jìn)行三維數(shù)值模擬，海床基原型以及有限元離散后的模型如圖3所示。本文算例中，海床基側(cè)面吊點(diǎn)位于底面以上0.4 m處，地基半徑取5.0 m。地基采用基于Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型，所有分析采用位移控制方式逐步施加位移。根據(jù)渤海底質(zhì)調(diào)查資料[10]可知渤海5種典型底質(zhì)即淤泥、粘土、亞粘土、亞砂土和砂土的沉積物物理性質(zhì)（見表1）。海床基在實(shí)際投放使用中，其會受自重以及泥沙沉降等因素的影響產(chǎn)生淤積。本文對海床基分別在5種不同底質(zhì)、4種不同浸深（0.0 m，0.1 m，0.2 m，0.3 m）共20種工況條件下的吸附力進(jìn)行計(jì)算，起吊方式為對稱，最終計(jì)算結(jié)果見表2。

圖3 海床基原型及其有限元離散模型

表1 渤海沉積物物理性質(zhì)

表2 海床基吸附力/kN

從表2可知隨著浸深加大不同底質(zhì)的吸附力都明顯增大，特別是砂土底質(zhì)浸深0.3 m條件下的吸附力已達(dá)到浸深0.0 m條件下的2倍；相同浸深條件下粘土底質(zhì)吸附力最大，以下依次為亞粘土、亞砂土、淤泥和砂土；粘土底質(zhì)浸深0.3 m條件下吸附力最大可達(dá)172.6 kN，而在砂土底質(zhì)下吸附力最大僅有20.4 kN。因此在不同底質(zhì)條件下，應(yīng)選擇不同破斷力的回收繩索。

從圖4不同底質(zhì)、不同浸深條件下海床基的加載到破壞階段吸附力—位移曲線可知，在同一底質(zhì)條件下隨著海床基浸深的增大，海床基從開始加載到破壞階段位移隨之增大，相應(yīng)的吸附力也增大明顯。在不同底質(zhì)條件下，粘土條件下加載過程呈現(xiàn)較好的延性，并有明顯“軟化”階段，位移20 cm左右時(shí)達(dá)到破壞；淤泥條件下加載過程也表現(xiàn)出一定的延性，位移15 cm左右時(shí)達(dá)到破壞；亞粘土條件下，位移8 cm左右時(shí)達(dá)到破壞；亞砂土條件下，位移4 cm左右時(shí)達(dá)到破壞；隨著粘聚力急劇減小、內(nèi)摩擦角的增大，加載曲線“剛性”增大，從加載到破壞時(shí)間愈短，最終位移也明顯減小，砂土底質(zhì)條件下破壞位移僅有0.5 cm左右。以上的計(jì)算結(jié)果與海床基回收情況較吻合，在粘土和淤泥質(zhì)條件下應(yīng)緩慢回收海床基，使海床基破壞位移有充裕的時(shí)間逐漸增大直至破壞；起吊力過快加載必將“軟化”不充分，易超出回收繩索的破斷力。

圖4 吸附力—位移曲線

2.3 結(jié)果比較

為研究經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪m用性，以便于實(shí)際監(jiān)測中對不同形狀、不同大小的海床基在不同底質(zhì)條件下的吸附力進(jìn)行預(yù)估。本文以0.2 m浸深條件為例，就5種不同底質(zhì)條件下的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算結(jié)果與有限元模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析。通過三種模型吸附力數(shù)值結(jié)果比較（見圖5）可知，Terzaghi吸附力模型計(jì)算結(jié)果只在淤泥質(zhì)底質(zhì)條件下與有限元模型計(jì)算結(jié)果吻合較好，其余底質(zhì)條件下兩種結(jié)果相差較大；Skempton吸附力模型在淤泥和砂土底質(zhì)條件下與有限元模型計(jì)算結(jié)果吻合較好，其余底質(zhì)條件下兩種結(jié)果略有差異，并且相差幅度明顯小于前者。因此相對于Terzaghi模型，Skempton模型更適用于對海床基的吸附力進(jìn)行預(yù)估。

圖5 吸附力比較

2.4 不同起吊方式數(shù)值分析

在實(shí)際海床基回收過程中，海床基有對稱起吊和單點(diǎn)起吊方式選擇，為研究不同起吊方式對吸附力的影響，本文對淤泥質(zhì)底質(zhì)條件下的單點(diǎn)受力方式進(jìn)行了研究分析。圖6為海床基在浸深0.3 m單點(diǎn)起吊工況下海床基的位移以及應(yīng)力場分布，從圖中可以看出在單點(diǎn)起吊方式下海床基的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為對立兩端為不同方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)力主要集中在受拉一側(cè)海床基底與底質(zhì)接合區(qū)。

通過對淤泥底質(zhì)單點(diǎn)起吊方式下的吸附力位移曲線（見圖7）和對稱起吊方式下吸附力位移曲線（見圖4(a)淤泥）比較，可知單點(diǎn)起吊方式與對稱起吊方式相比呈現(xiàn)更加明顯“軟化”跡象，并且延性加強(qiáng)從加載到破壞時(shí)位移更大，單點(diǎn)起吊浸深0.1 m條件下位移30 cm時(shí)達(dá)到破壞明顯大于對稱起吊同等條件下的0.13 m。

圖6 有限元計(jì)算結(jié)果

圖7 吸附力—位移曲線

表3 吸附力對比/kN

通過海床基側(cè)向單點(diǎn)起吊和對稱起吊的極限吸附力對比表（表3）可知，側(cè)向單點(diǎn)起吊的吸附力僅為豎向?qū)ΨQ起吊的44%～47%，因此對海床基采用側(cè)向單點(diǎn)起吊方式可減少50%以上的吸附力，這在回收方式的選擇和海床基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮。

3 結(jié)論

（1）通過有限元模型計(jì)算結(jié)果可知海床基的吸附力主要取決于粘聚力的大小，相同浸深條件下粘土底質(zhì)吸附力最大，以下依次為亞粘土、亞砂土、淤泥和砂土。粘土底質(zhì)、浸深0.3 m、豎向?qū)ΨQ起吊條件下吸附力最大可達(dá)172.6 kN，而在砂土底質(zhì)下吸附力最大僅有20.4 kN。同一底質(zhì)條件下隨著海床基浸深的增大，海床基的破壞位移也隨之增大，相應(yīng)的吸附力也增大明顯。在海床基的回收過程中應(yīng)充分考慮不同底質(zhì)的延性，使海床基破壞位移有充裕的時(shí)間逐漸增大直至破壞，避免起吊力過快加載必將“軟化”不充分。

（2）相對于Terzaghi模型，Skempton模型更適用于對海床基的吸附力進(jìn)行預(yù)估。

（3）海床基采用側(cè)向單點(diǎn)起吊方式可減少50%以上的吸附力，這在回收方式的選擇和海床基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮。

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Research on Adsorption Force of Auto-balance Absorption-resistant Seabed Base

HU Zhan-ming1,CHEN Wei-bin1,HU Bo1,ZHANG Wei-ping2,SUN Zhao-chen2
(1.National Marine Environmental Monitoring Center,Dalian Liaoning 116023,China;2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 116023,China)

As a platform of sea environment observation,the auto-balance absorption-resistant seabed base has been used for nearly a hundred times in Bohai Sea and north of Yellow Sea.The effects of soil parameters,depth of seabed base in soil and the different lift method of seabed base on the adsorption force were analyzed with Skempton and Terzaghi empirical model and finite element method.Results show that:(1)The adsorption force mainly depends on cohesion force of soil,with the biggest adsorption force in clay,then loam,sandy loam,silt and sand,the adsorption force varies obviously due to the soil kind,the biggest can reach 172.6 kN in clay while only 20.4 kN in sand.As the increase of depth of seabed base,the ultimate displacement and force grow accordingly.(2)Compared to the Terzaghi model,the Skempton model can be more accurate according to FEM method,the Skempton model can be used as a reference in practice.(3)The adsorption force under side solo point lift method is only 44%～47%of vertical lift force.

auto-balance absorption-resistant seabed base;adsorption force;marine environment monitoring

P76

A

1003-2029（2012）02-0014-04

2012-01-10

國家海洋局專項(xiàng)資助項(xiàng)目——渤海污染立體監(jiān)測與動(dòng)態(tài)評價(jià);國家海洋局海洋公益性項(xiàng)目資助（200905007）

胡展銘（1978-），男，助理研究員，主要從事海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測與評價(jià)。Email：zmhu@nmemc.gov.cn