水平荷載作用下重力錨室內(nèi)模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬分析*

李 颯 竺新文 李懷亮 黃山田 王曉飛

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院 天津 300072； 2. 海洋石油工程股份有限公司安裝公司 天津 300456)

錨固基礎(chǔ)是海洋結(jié)構(gòu)物重要組成部分，重力錨主要靠自重下錨底與土之間的摩擦力來提供反力,其承受水平負(fù)荷的能力是錨與底質(zhì)之間的摩擦力以及錨下底質(zhì)的剪切強(qiáng)度的函數(shù)[1-3]。由于重力錨較強(qiáng)的適應(yīng)性，近年來常常被應(yīng)用于一些位于地質(zhì)條件復(fù)雜的海上結(jié)構(gòu)物的錨固，如海洋溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)，張力腿式風(fēng)電結(jié)構(gòu)等[4-5]。重力錨的大小和形式取決于其所要錨固結(jié)構(gòu)物的要求，隨著結(jié)構(gòu)物的不同具有很大的差異。圖1為用于鋪管船的重力錨；圖2為重力式平臺(tái)的基礎(chǔ)，一般也被認(rèn)為是重力錨的一種(也稱重力式基礎(chǔ))。

圖1 用于鋪管船的重力錨

圖2 作為海洋平臺(tái)的重力錨

海底土質(zhì)多樣，有黏土、砂土以及巖石等，鈣質(zhì)土或碳酸鹽類土、富含碳酸鈣或其他難溶碳酸鹽類物質(zhì),主要分布在南緯30°和北緯30°之間的地區(qū)，工程力學(xué)特性與一般的陸相、海相沉積物有較大的差異[6-7]，安裝錨固基礎(chǔ)或錨固裝置必須要考慮其特殊性。考慮到土質(zhì)條件、水深、海底邊坡以及荷載的大小和方向等一系列因素，與其他類型的錨固基礎(chǔ)相比，在鈣質(zhì)巖土上重力錨是較好的選擇[8]。本文通過系統(tǒng)的室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)用于鋪管船的重力錨在不同鈣質(zhì)底質(zhì)條件下的水平抗滑力進(jìn)行了研究，并采用有限元方法對(duì)重力錨在水平荷載作用下的承載機(jī)理進(jìn)行了分析探討。

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)

室內(nèi)模型裝置主要由試驗(yàn)水槽、加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成，如圖3所示。為考慮水流效果，試驗(yàn)水槽的入口處設(shè)置1道穩(wěn)流板、1道三角堰、3道穩(wěn)流板，總長(zhǎng)度1.57 m的水流緩沖區(qū)，從而使水流平穩(wěn)地通過試驗(yàn)段。

圖3 重力錨室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)通過加載水箱進(jìn)行加載，利用AT-102型號(hào)水泵向水箱內(nèi)勻速加水，實(shí)現(xiàn)對(duì)重力錨試件的加載。加載過程如下：水泵開關(guān)為接觸式開關(guān)，當(dāng)其與重力錨相接觸時(shí)，水泵打開，開始向水箱內(nèi)注水，水箱內(nèi)注入水的重量作為載荷施加在重力錨上。隨著注入水量的增加，作用在重力錨上的載荷越來越大，直到重力錨發(fā)生走錨，水泵開關(guān)與重力錨分離，水泵關(guān)閉，停止注水。重力錨在給定的載荷下繼續(xù)滑動(dòng)。

試驗(yàn)用重力錨采用實(shí)際工程中的重力錨型式，按照1∶15的比例進(jìn)行縮小，試件尺寸為0.2 m×0.20 m×0.08 m。為了探討不同錨底型式對(duì)重力錨水平抗滑力的影響，分別采用平底、8鍵和12鍵的形式，如圖4所示。由于鈣質(zhì)砂的強(qiáng)度較高，根據(jù)計(jì)算，原型重力錨在自重作用下的實(shí)際沉降很小，可以忽略不計(jì)，因此在模型試驗(yàn)中直接將重力錨放置在鈣質(zhì)砂上。

試驗(yàn)砂樣取自中國(guó)南海西沙群島，為鈣質(zhì)砂，碳酸鈣含量95%，飽和密度1.877 g/cm3，不均勻系數(shù)3.5，曲率系數(shù)1.3，內(nèi)摩擦角37.7°，屬于典型的熱帶海洋鈣質(zhì)砂，在南海具有一定的代表性，砂樣顆粒級(jí)配曲線如圖5所示。巖石試樣為鈣質(zhì)礁灰?guī)r，巖石飽和密度2.06 g/cm3，干密度1.52 g/cm3，內(nèi)摩擦角44.8°，黏聚力14.3 kPa。

圖4 重力錨試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖5 試驗(yàn)砂樣顆粒級(jí)配曲線

2 模型試驗(yàn)結(jié)果

圖6 鈣質(zhì)砂和鈣質(zhì)巖上重力錨的水平承載力和水平位移實(shí)測(cè)曲線

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，分別作出重力錨在鈣質(zhì)砂和鈣質(zhì)巖上的水平承載力與水平位移的關(guān)系曲線，如圖6所示,可以看出，不同的重力錨在2類底質(zhì)條件下表現(xiàn)出不同的破壞過程：在砂土中，重力錨的水平抗滑力隨著位移的增加逐漸加大，在達(dá)到一定位移量時(shí)，承載力趨于最大值；在巖石上，重力錨在水平拉力的作用下保持穩(wěn)定，當(dāng)達(dá)到極限承載力時(shí)，重力錨會(huì)突然啟動(dòng)并發(fā)生較大的位移。為了進(jìn)一步探討重力錨的抗滑機(jī)制，采用有限元的方法對(duì)重力錨的抗滑穩(wěn)定進(jìn)行了分析。

3 重力錨水平抗滑有限元模擬

3.1 有限元模型及參數(shù)

數(shù)值模擬與室內(nèi)模型試驗(yàn)的試驗(yàn)條件相對(duì)應(yīng)，在ABAQUS/CAE中建立土體與重力錨模型。其中，地基計(jì)算范圍包括地基深度和橫縱2個(gè)方向的長(zhǎng)度，其尺寸大小應(yīng)足以消除邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，一般應(yīng)視基礎(chǔ)寬度和地質(zhì)條件而定。在有限元計(jì)算中，一般取橫縱方向L=(1.5～2)B，其中L為結(jié)構(gòu)長(zhǎng)，B為基礎(chǔ)底寬，深度方向一般不小于L[9]。本次計(jì)算中土體寬度、長(zhǎng)度均為重力錨長(zhǎng)度的15倍，土體深度為重力錨高度的8倍,足以消除邊界效應(yīng)。

土體與重力錨均采用實(shí)體減縮積分單元 C3D8R來劃分。錨的材料為鋼材，材料本構(gòu)關(guān)系采用線彈性模型，密度ρ為7.85 g/cm3，彈性模量E為200 GPa，泊松比μ為0.3。

鈣質(zhì)砂的工程力學(xué)性質(zhì)與一般的陸相、海相沉積物相比有較明顯的區(qū)別。Fahey[10]的研究顯示，鈣質(zhì)砂的排水剪在高壓和低壓下有明顯的差異，劉崇權(quán) 等[11]的三軸試驗(yàn)得出鈣質(zhì)砂在低應(yīng)力水平下總體上類似于普通陸源砂。結(jié)合重力錨的實(shí)際應(yīng)力水平，土體材料本構(gòu)關(guān)系選用Mohr-Coulomb模型，土體容重γ=18 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ分別取自砂樣和巖石的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果。圖7為本次數(shù)值模擬中的模型網(wǎng)格單元?jiǎng)澐帧?/p>

圖7 重力錨試驗(yàn)中模型網(wǎng)格劃分

在模擬過程中分別計(jì)算砂樣及巖石上平底、8鍵、12鍵重力錨的承載力。重力錨與土體采用主控面-從屬面接觸算法，接觸面的法向行為采用硬接觸滑移方式為有限滑移。在試驗(yàn)及計(jì)算分析中均考慮重力錨處于懸鏈線式系泊，即重力錨只承受水平向系泊力，地基土體表面水平。

3.2 有限元計(jì)算結(jié)果可靠性驗(yàn)證

圖8 鈣質(zhì)砂和鈣質(zhì)巖上重力錨的水平承載力和水平位移模擬曲線

圖8是通過有限元計(jì)算得到重力錨在2類土上的位移-拉力曲線，可以看出，在不同的土質(zhì)條件下2類錨表現(xiàn)出2種不同的變化趨勢(shì)：漸進(jìn)式破壞和突變式破壞。對(duì)比模型試驗(yàn)曲線可以看出，2類曲線均有較明顯的拐點(diǎn)，數(shù)值模擬結(jié)果比實(shí)測(cè)值偏大15%左右，計(jì)算結(jié)果可以用于重力錨水平抗滑機(jī)理的研究。

3.3 抗滑機(jī)理分析

圖9 重力錨試驗(yàn)中鈣質(zhì)砂上不同水平位移處的土體變形(8鍵錨)

根據(jù)重力錨有限元的計(jì)算結(jié)果可以看出，在砂土中，重力錨在受到拉力作用發(fā)生滑動(dòng)以后其滑動(dòng)面并不是沿著錨-土接觸面，而是發(fā)生在土體內(nèi)部。圖9給出了8鍵錨在不同水平位移處的土體變形情況，左邊是室內(nèi)試驗(yàn)獲得的土體變形，右邊是相對(duì)應(yīng)的在有限元模擬中獲得的土體變形情況?？梢钥闯?，當(dāng)錨開始運(yùn)動(dòng)，土體變形由小變大，隨著水平位移的增大，錨底土的變形也逐漸增大。從有限元模擬結(jié)果圖中可以很清楚地看到錨前端土體的隆起，這也與室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果相符合。

根據(jù)有限元模擬結(jié)果，沿重力錨邊緣線將錨底土體切開，其等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖10所示，可以看出，重力錨在滑動(dòng)過程中，在土體當(dāng)中形成了明顯的滑動(dòng)面。

圖11為重力錨在鈣質(zhì)巖石上的有限元計(jì)算結(jié)果，可以看出，由于巖石的高強(qiáng)度，重力錨在巖石上的水平滑動(dòng)沿著巖石的表面進(jìn)行，豎向的位移極小，且在巖石中的塑性區(qū)也僅集中于重力錨底部的極小范圍。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，可以看到在鈣質(zhì)巖上錨在受到拉力作用發(fā)生滑動(dòng)后只是觸及巖體表層(圖12)。

圖10 重力錨試驗(yàn)中鈣質(zhì)砂土體塑性應(yīng)變(8鍵錨)

圖11 重力錨試驗(yàn)中鈣質(zhì)巖上不同水平位移處的土體變形(平底錨)

圖12 重力錨試驗(yàn)中鈣質(zhì)巖土體塑性應(yīng)變(8鍵錨)

上述有限元計(jì)算結(jié)果分析清楚地反映了重力錨在不同土質(zhì)條件下的不同破壞過程。通過試驗(yàn)和計(jì)算分析可以把重力錨的抗滑機(jī)理分為2個(gè)類型：漸進(jìn)式破壞和突變式破壞。對(duì)于漸進(jìn)式破壞，其破壞位于土體當(dāng)中，對(duì)于突變式破壞，破壞面沿著錨底與巖石之間。現(xiàn)有的重力錨的設(shè)計(jì)計(jì)算方法對(duì)于突變式的破壞模式比較合理，而對(duì)于漸進(jìn)式破壞則偏于安全。因此，相較于漸進(jìn)式破壞，突變式破壞具有更大的風(fēng)險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)計(jì)算當(dāng)中需要予以充分的重視。

4 結(jié)論

利用有限元軟件可以較好地模擬重力錨在承載中的運(yùn)動(dòng)過程，結(jié)合模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的結(jié)果，在不同底質(zhì)條件下，重力錨存在不同的滑動(dòng)形式：在鈣質(zhì)砂上，重力錨的滑動(dòng)表現(xiàn)為漸進(jìn)式破壞，在重力錨容許一定位移的條件下，目前規(guī)范中規(guī)定的針對(duì)純滑動(dòng)破壞機(jī)理的設(shè)計(jì)計(jì)算方法偏于保守；而在鈣質(zhì)巖上，重力錨的滑動(dòng)機(jī)理與純滑動(dòng)機(jī)理接近，可以采用相關(guān)方法進(jìn)行重力錨的設(shè)計(jì)計(jì)算。重力錨底部形式的改變可以有效地提高重力錨的抗滑力，不論是在鈣質(zhì)砂還是鈣質(zhì)巖上，帶鍵式重力錨具有比平底錨更好的抗滑性能。

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