海洋工程中吸力錨基礎(chǔ)水平承載力特征

劉金龍，　陳陸望，　王吉利，　汪東林

(1.合肥學(xué)院　建筑工程系, 安徽　合肥　230601; 2.合肥工業(yè)大學(xué)　資源與環(huán)境工程學(xué)院, 安徽　合肥　230009;

3.中國(guó)科學(xué)院　武漢巖土力學(xué)研究所, 湖北　武漢　430071;

4.安徽建筑大學(xué)　土木工程學(xué)院, 安徽　合肥　230601)

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海洋工程中吸力錨基礎(chǔ)水平承載力特征

劉金龍1，陳陸望2，王吉利3，汪東林4

(1.合肥學(xué)院建筑工程系, 安徽合肥230601; 2.合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 安徽合肥230009;

3.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所, 湖北武漢430071;

4.安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院, 安徽合肥230601)

摘要：吸力錨可作為深海系泊系統(tǒng)基礎(chǔ)，其水平承載力與系泊點(diǎn)位置有關(guān)?；谌S有限元方法，考察了吸力錨基礎(chǔ)的水平承載特性，計(jì)算得到了變形網(wǎng)格、位移增量分布、位移等值面分布等結(jié)果，探討了系泊點(diǎn)位置與水平極限承載力之間的定量關(guān)系。計(jì)算表明，系泊點(diǎn)位置沿著吸力錨基礎(chǔ)頂部到底部變化過(guò)程中，吸力錨的破壞趨勢(shì)由向前傾覆破壞過(guò)渡到平動(dòng)破壞，再轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚝髢A覆破壞，水平極限承載力先逐漸增大后逐漸減小。吸力錨平動(dòng)破壞時(shí)，其周邊土體被動(dòng)土壓力區(qū)面積取得最大值，此時(shí)水平極限承載力取得最大值。實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)具體條件進(jìn)行確定吸力錨基礎(chǔ)的最優(yōu)系泊點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：吸力錨基礎(chǔ);水平承載力;系泊點(diǎn);位移增量;平動(dòng)破壞

吸力錨是一種頂部封閉、底部開(kāi)口的圓柱形薄壁結(jié)構(gòu)，通過(guò)真空泵抽水使錨內(nèi)外形成壓力差而貫入海床中，類(lèi)似一個(gè)倒扣在土中的“水桶”。吸力錨基礎(chǔ)自上世紀(jì)90年代首次在挪威海上油田中成功應(yīng)用以來(lái)，得到各國(guó)工程師的重視與發(fā)展。我國(guó)在1994年曹妃甸1-6兩點(diǎn)系泊系統(tǒng)中首次成功使用吸力錨基礎(chǔ)[1, 2]。與傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)相比，吸力錨具有安裝速度快、施工費(fèi)用低、可重復(fù)利用、不受水深限制等優(yōu)點(diǎn)，已逐步應(yīng)用于海上風(fēng)機(jī)、浮式結(jié)構(gòu)、張力腿基礎(chǔ)和立柱式平臺(tái)中[3]。

在不同的海洋工程中，吸力錨的受力與破壞機(jī)制不盡相同。張力腿平臺(tái)的結(jié)構(gòu)浮力大于結(jié)構(gòu)的自重，剩余浮力通過(guò)張力筋腱作用于吸力錨基礎(chǔ)上，海水平穩(wěn)時(shí)吸力錨主要承擔(dān)上拔荷載[4, 5]；在浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油船(FPSO)多點(diǎn)系泊系統(tǒng)中，系泊錨鏈一般呈半張緊狀態(tài)，錨鏈與泥面多成夾角，此時(shí)吸力錨主要承擔(dān)水平荷載[6, 7]；在海上風(fēng)機(jī)或海上平臺(tái)通過(guò)導(dǎo)管架與吸力錨相連的基礎(chǔ)工程中，吸力錨主要承擔(dān)豎向荷載、水平荷載與彎矩的組合荷載[8]。吸力錨基礎(chǔ)的變形與破壞機(jī)理，顯然與外荷載的加載方向有關(guān)。

王建華等[9]通過(guò)模型試驗(yàn)與有限元分析研究表明，對(duì)于在最佳系泊點(diǎn)受傾斜荷載作用的吸力錨，當(dāng)加載方向大于20°時(shí)，錨的破壞表現(xiàn)為豎向拔出的模式，且錨底以下土層的反向承載力是影響其極限承載力的關(guān)鍵因素。張其一等[10]基于有限元方法對(duì)深海吸力錨的水平極限承載力進(jìn)行了數(shù)值分析，給出的前傾轉(zhuǎn)動(dòng)破壞模式、平移滑動(dòng)破壞模式以及后仰轉(zhuǎn)動(dòng)破壞模式， 較為合理地反映了系泊點(diǎn)位置對(duì)吸力錨穩(wěn)定性的影響。Deng W[11]、EI-Sherbiny[12]、王志云[13]等從不同方面對(duì)吸力錨進(jìn)行了深入研究?？傮w上看，一方面室內(nèi)模型試驗(yàn)受到小比例尺寸的限制可能與實(shí)際有一定的差別，另一方面基于三維有限元分析的研究成果不豐富。

為此，本文擬基于三維有限元分析方法，對(duì)吸力錨基礎(chǔ)承受水平荷載下的變形與承載特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，考察不同系泊點(diǎn)位置對(duì)承載力的影響，為吸力錨基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

1三維有限元計(jì)算模型

吸力錨基礎(chǔ)模型如圖1所示，其直徑為D=4.0 m、高度為L(zhǎng)=12.0 m、厚度為t(鋼結(jié)構(gòu))，水平作用力Fx作用在離頂部ηL的位置處。

現(xiàn)基于大型有限元計(jì)算軟件Plaxis 3D建立吸力錨基礎(chǔ)的有限元分析模型，如圖2所示。為了減小邊界條件的影響，計(jì)算模型的長(zhǎng)、寬取10D，模型的高度取5L。模型采用10節(jié)點(diǎn)的三維四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分。

圖1　吸力錨基礎(chǔ)構(gòu)型

圖2　吸力錨基礎(chǔ)三維有限元計(jì)算模型

桶體一般為鋼結(jié)構(gòu)制作可視為線彈性體，彈性模量取E=2.1×108kPa，泊松比取v=0.21，厚度t=0.05 m。海床土為飽和軟黏土，采用莫爾-庫(kù)侖理想彈塑性模型進(jìn)行模擬，其參數(shù)為：黏聚力c=6.3 kPa，內(nèi)摩擦角φ=0°，彈性模量E=3000 kPa，泊松比v=0.35，飽和重度γsat=17.88 kN/m3。桶體與海床土體之間的摩擦通過(guò)設(shè)置接觸面單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。接觸面單元采用參數(shù)Rinter來(lái)反映兩者相互作用的程度，Rinter=[0, 1.0]。Rinter的具體取值可通過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合試算確定，本次計(jì)算中取Rinter=0.7。

本文計(jì)算中，假定吸力錨已被施工、安置于海床土體中，施工擾動(dòng)對(duì)海床土體的影響已結(jié)束，海床土體已恢復(fù)其原始物理力學(xué)參數(shù)，即暫不考慮施工過(guò)程對(duì)吸力錨承載特性的影響。

可采用位移控制法或荷載控制法進(jìn)行加載。一般地，采用位移控制法能準(zhǔn)確地得到吸力錨基礎(chǔ)的荷載-位移曲線，當(dāng)荷載-位移曲線的斜率接近于零時(shí)，表明在荷載不變的情況下吸力錨位移持續(xù)增大，據(jù)此可認(rèn)為此時(shí)的地基已達(dá)到極限狀態(tài)，與此對(duì)應(yīng)的荷載就是吸力錨基礎(chǔ)的極限承載力[14]。當(dāng)然，采用荷載控制法時(shí)，當(dāng)不同吸力錨承受相同的荷載時(shí)，吸力錨周邊海床土體發(fā)生的位移越小，表明該類(lèi)型的吸力錨承載力越大。

2吸力錨水平承載力分析

采用位移控制法來(lái)確定吸力錨基礎(chǔ)的水平極限承載力，即在吸力錨作用點(diǎn)處施加一個(gè)位移值S(作用于y=0平面內(nèi))，通過(guò)有限元計(jì)算即可得到桶形基礎(chǔ)的P-S曲線。該位移值不能過(guò)小，本處計(jì)算取S=0.5L(當(dāng)S值過(guò)大時(shí)，有限元計(jì)算在未達(dá)到S值時(shí)出現(xiàn)計(jì)算不收斂而中斷，但其對(duì)極限承載力的確定基本無(wú)影響)。

計(jì)算得到了水平荷載作用點(diǎn)變化情況，吸力錨基礎(chǔ)達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)的變形情況，如圖3所示(網(wǎng)格變形放大5倍)。可見(jiàn)，水平荷載作用點(diǎn)η≤0.5(ηL≤6.0 m)時(shí)，吸力錨的破壞趨勢(shì)是沿荷載方向向前傾覆破壞，且水平荷載作用點(diǎn)越靠近桶頂，向前傾覆破壞越容易；當(dāng)水平荷載作用點(diǎn)η=0.58(ηL=7.0 m)時(shí)，吸力錨基本屬于平動(dòng)破壞，即整個(gè)吸力錨沿著荷載作用方向近似水平移動(dòng)；當(dāng)水平荷載作用點(diǎn)η≥0.67(ηL≥8.0 m)后，吸力錨的破壞趨勢(shì)是沿荷載方向向后傾覆破壞，且水平荷載作用點(diǎn)越靠近桶底，向后傾覆破壞越容易。

即隨著水平荷載作用點(diǎn)沿著吸力錨基礎(chǔ)頂部到底部變化過(guò)程中，吸力錨的破壞趨勢(shì)由向前傾覆破壞過(guò)渡到平動(dòng)破壞，再轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚝髢A覆破壞。η=0向前傾覆破壞時(shí)，吸力錨基本沿著距桶底1/4高度處發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并隨著η值的增加轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)逐漸下移；η=1向后傾覆破壞時(shí)，吸力錨基本沿著距桶頂1/4高度處發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并隨著η值的減小轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)逐漸上移。該特征也可從后文的位移增量圖中得到佐證。結(jié)合破壞形態(tài)，可進(jìn)一步分析得吸力錨周?chē)馏w的主動(dòng)、被動(dòng)土壓力區(qū)域分布情況。

圖3　吸力錨基礎(chǔ)受水平荷載后變形示意

水平荷載作用點(diǎn)變化情況下，吸力錨內(nèi)部及周邊土體的位移增量分布情況見(jiàn)圖4。結(jié)合圖3分析可知，吸力錨向前傾覆破壞時(shí)，吸力錨內(nèi)中上部的土體及外側(cè)中上部被動(dòng)土壓力區(qū)的土體產(chǎn)生了較大的位移，吸力錨內(nèi)中下部的土體發(fā)生了旋轉(zhuǎn)位移；吸力錨平動(dòng)破壞時(shí)，吸力錨內(nèi)部的土體及外側(cè)被動(dòng)土壓力區(qū)的土體產(chǎn)生了較大的位移增量，且沿吸力錨高度范圍內(nèi)位移增量數(shù)值基本相等；吸力錨向后傾覆破壞時(shí)，吸力錨內(nèi)中下部的土體及外側(cè)中下部被動(dòng)土壓力區(qū)的土體產(chǎn)生了較大的位移，吸力錨內(nèi)中上部的土體發(fā)生了旋轉(zhuǎn)位移。

一般地，可認(rèn)為旋轉(zhuǎn)位移增量的中心點(diǎn)(位移增量為0)即是吸力錨傾覆破壞的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)。如圖4(a)可見(jiàn)，η=0時(shí)吸力錨內(nèi)中下部土體旋轉(zhuǎn)位移的中心點(diǎn)大概距桶底1/4高度處，此即為荷載作用于桶頂時(shí)吸力錨基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)；如圖4(f)可見(jiàn)，η=1時(shí)吸力錨內(nèi)中上部土體旋轉(zhuǎn)位移的中心點(diǎn)大概距桶頂1/4高度處，此即為荷載作用于桶底時(shí)吸力錨基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)。水平荷載作用點(diǎn)位置變化時(shí)，吸力錨基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)位置也發(fā)生相應(yīng)變動(dòng)。

圖4　吸力錨受水平荷載后土體位移增量分布

平荷載作用點(diǎn)位置不同時(shí)，海床地基土的變形情況必然不相同，通過(guò)地基土的變形情況窺察吸力錨的變形與破壞趨勢(shì)。不妨以海床地基土體位移為0.3 m的等值面來(lái)進(jìn)行分析，如圖5所示?？梢?jiàn)，水平荷載作用于吸力錨中上部時(shí)，吸力錨中上部周邊被動(dòng)土壓力壓縮區(qū)、主動(dòng)土壓力坍塌區(qū)發(fā)生的位移比較大；ηL=7.0 m時(shí)吸力錨基本屬于平動(dòng)破壞，沿吸力錨高度范圍內(nèi)的周邊土體均發(fā)生了較大的位移；水平荷載作用于吸力錨中下部時(shí)，吸力錨中下部周邊被動(dòng)土壓力壓縮區(qū)、主動(dòng)土壓力坍塌區(qū)發(fā)生的位移比較大，而基礎(chǔ)頂部附近土體變形較小。

圖5　吸力錨受水平荷載失效時(shí)土體位移為0.3 m的等值面

進(jìn)一步得到了y=0平面內(nèi)土體位移為0.3 m的等值線分布情況，如圖6所示。一般地，水平荷載作用側(cè)的土體為被動(dòng)土壓力區(qū)，相應(yīng)另一側(cè)為主動(dòng)土壓力區(qū)。故圖6中兩側(cè)曲線主動(dòng)、被動(dòng)土壓力區(qū)變形為0.3 m的等值線。特別地，吸力錨基礎(chǔ)的水平承載力主要由被動(dòng)土壓力區(qū)土體的抗力組成。

基于位移控制法，可確定吸力錨基礎(chǔ)的水平極限承載力。本文所提的水平極限承載力，是指吸力錨基礎(chǔ)的水平荷載-位移曲線中，隨著位移的增加水平荷載逐漸達(dá)到的恒定值，即視該恒定值為水平極限承載力。如ηL=0.0 m時(shí)的水平荷載-位移曲線見(jiàn)圖7，水平荷載逐漸達(dá)到其恒定值1274 kN，故該情況下的水平極限承載力為1274 kN。

圖6　y=0平面土體位移為0.3 m的等值線

圖7　ηL=0.0 m時(shí)有限元計(jì)算得到的荷載-位移曲線

計(jì)算得到了水平荷載作用點(diǎn)變化情況下，吸力錨基礎(chǔ)的水平極限承載力變化趨勢(shì)，如圖8所示。可見(jiàn)，隨著水平荷載作用點(diǎn)從基礎(chǔ)頂部移動(dòng)到底部，吸力錨基礎(chǔ)水平極限承載力先逐漸增大后逐漸減小，在η=0.58(ηL=7.0 m)時(shí)取得最大值。需要指出的是，水平極限承載力在η=0.58時(shí)取得最大值是在地基土均質(zhì)條件下得到的，當(dāng)海床土為非均勻的成層土?xí)r，該值將發(fā)生變化。

ηL=7.0 m時(shí)的水平極限承載力是ηL=0.0 m時(shí)相應(yīng)值的2.84倍?？梢?jiàn)，水平荷載作用位置(系泊點(diǎn))對(duì)水平極限承載力有重要影響。同樣的吸力錨基礎(chǔ)、同樣的海床地質(zhì)條件，因錨索系泊點(diǎn)的位置不同而水平承載力不同。在最佳系泊點(diǎn)時(shí)，吸力錨基礎(chǔ)的水平極限承載力取得最大值。

圖8　荷載作用點(diǎn)對(duì)吸力錨水平極限承載力的影響

不同條件下的吸力錨基礎(chǔ)的最佳系泊點(diǎn)位置也不盡相同。如韓智臣[3]等計(jì)算表明最佳系泊點(diǎn)在2L/3處，張其一[10]等研究表明最佳系泊點(diǎn)在(0.6～0.75)L處，本文算例表明最佳系泊點(diǎn)在0.58L處。工程中應(yīng)根據(jù)具體條件進(jìn)行計(jì)算，確定并選擇承載力高的位置設(shè)置錨索系泊點(diǎn)。

現(xiàn)進(jìn)一步分析最優(yōu)系泊點(diǎn)時(shí)吸力錨的受力情況。根據(jù)圖3(d)與圖4(d)，本文算例最佳系泊點(diǎn)0.58L處吸力錨基礎(chǔ)屬于平動(dòng)破壞，吸力錨內(nèi)部及被動(dòng)土壓力區(qū)土體的位移增量基本相等。特別地，該情況下吸力錨內(nèi)部全部土體基本屬于被動(dòng)土壓力區(qū)，吸力錨系泊點(diǎn)一側(cè)沿深度范圍內(nèi)的全部土體也基本屬于被動(dòng)土壓力區(qū)，即平動(dòng)破壞時(shí)被動(dòng)壓力區(qū)范圍最大。桶基水平承載力主要由被動(dòng)土壓力區(qū)土體產(chǎn)生的抵抗反力構(gòu)成，故被動(dòng)土壓力區(qū)面積大時(shí)其水平極限承載力也大。

吸力錨基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)破壞時(shí)總有部分土體(旋轉(zhuǎn)點(diǎn)附近)不屬于被動(dòng)壓迫破壞(屬于旋轉(zhuǎn)剪切破壞)，如圖4(a)與圖4(f)所示，故其被動(dòng)土壓力區(qū)面積不是最大值。只有平動(dòng)破壞時(shí)，吸力錨基礎(chǔ)被動(dòng)土壓力區(qū)面積取得最大值。因此，尋找吸力錨的最優(yōu)系泊點(diǎn)位置，實(shí)際上就是確定吸力錨基礎(chǔ)處于平動(dòng)破壞狀態(tài)時(shí)的位置。即水平荷載位于最優(yōu)系泊點(diǎn)時(shí)，吸力錨基礎(chǔ)發(fā)生平動(dòng)破壞。認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，對(duì)吸力錨基礎(chǔ)的改進(jìn)與發(fā)展有重要的促進(jìn)作用。

鑒于問(wèn)題的復(fù)雜性以及吸力錨基礎(chǔ)的特殊性，本文上述研究成果還有待結(jié)合模型試驗(yàn)進(jìn)行深入驗(yàn)證?；蛘哒f(shuō)，模型試驗(yàn)可以在本文數(shù)值研究成果的基礎(chǔ)上更好的設(shè)計(jì)與開(kāi)展。

3結(jié)論

(1) 水平荷載作用點(diǎn)沿著吸力錨基礎(chǔ)頂部到底部變化過(guò)程中，吸力錨的破壞趨勢(shì)由向前傾覆破壞過(guò)渡到平動(dòng)破壞，再轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚝髢A覆破壞。

(2) 吸力錨向前傾覆破壞時(shí)，吸力錨內(nèi)中上部土體及外側(cè)中上部被動(dòng)土壓力區(qū)的土體產(chǎn)生了較大位移，吸力錨內(nèi)中下部土體發(fā)生了旋轉(zhuǎn)位移；吸力錨平動(dòng)破壞時(shí)，吸力錨內(nèi)部土體及外側(cè)被動(dòng)土壓力區(qū)的土體產(chǎn)生了較大位移增量，且沿吸力錨高度范圍內(nèi)位移增量數(shù)值基本相等；吸力錨向后傾覆破壞時(shí)，吸力錨內(nèi)中下部土體及外側(cè)中下部被動(dòng)土壓力區(qū)的土體產(chǎn)生了較大位移，吸力錨內(nèi)中上部土體發(fā)生了旋轉(zhuǎn)位移。

(3) 水平荷載作用點(diǎn)位置變化時(shí)，吸力錨基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)位置也發(fā)生相應(yīng)變動(dòng)。隨著水平荷載作用點(diǎn)從吸力錨基礎(chǔ)頂部移動(dòng)到底部，吸力錨基礎(chǔ)水平極限承載力先逐漸增大后逐漸減小。

(4) 水平荷載作用位置(系泊點(diǎn))對(duì)水平極限承載力有重要影響。吸力錨平動(dòng)破壞時(shí)，其周邊土體被動(dòng)土壓力區(qū)面積取得最大值，此時(shí)水平極限承載力也取得最大值。故水平荷載的最優(yōu)系泊點(diǎn)位置，就是吸力錨基礎(chǔ)發(fā)生平動(dòng)破壞的位置。

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Horizontal Bearing Capacity of Suction Anchor Foundation in Ocean Engineering

LIUJin-long1,CHENLu-wang2,WANGJi-li3,WANGDong-lin4

(1.Department of Architecture Engineering, Hefei University, Hefei 230601, China; 2.School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;3.Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China;4.School of Civil Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China.)

Abstract:Suction anchor can be used as the basis of deep sea mooring system, and its horizontal bearing capacity is related to the position of mooring point. Based on three-dimensional finite element method, the horizontal bearing capacity of suction anchor foundation in ocean engineering has been studied, the deformed mesh, incremental displacement, contour plane of displacement have been obtained, and the relationship between mooring point and horizontal ultimate bearing capacity of suction anchor foundation has been revealed. It is found that during the position of mooring point moving from the top of foundation to the bottom of foundation, the failure modes of suction anchor foundation changed from forward overturning to translational failure, and then backward overturning, and the value of horizontal ultimate bearing capacity of suction anchor foundation gradually increased firstly and then gradually reduced later. When suction anchor foundation reached the state of translational failure, the area of soil in passive earth pressure zone around suction anchor foundation reaches its maximum value, and the horizontal ultimate bearing capacity of suction anchor foundation reaches its maximum value. In engineering practice, the optimal position of mooring point of suction anchor foundation should be determined according to its specific conditions.

Key words：suction anchor foundation; horizontal bearing capacity; mooring point; displacement increment; translational failure

中圖分類(lèi)號(hào)：P754

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-0985(2016)02-0001-05

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(41306088); 安徽省自然科學(xué)基金(1308085ME61；1308085QE85)

作者簡(jiǎn)介：劉金龍(1979- ), 男, 江西宜豐人, 教授, 博士, 研究方向?yàn)閹r土工程(Email: alnile@163.com)

收稿日期：2015-09-13修回日期： 2015-11-27