黃河砂土嵌入式混凝土錨體錨碇力試驗(yàn)研究

徐 濤 李俊敏 裴志勇 趙慶亮 吳衛(wèi)國(guó)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)高性能艦船技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063) (山東省濟(jì)南船舶檢驗(yàn)局3) 濟(jì)南 250014)

0 引 言

近年來(lái)，隨著交通運(yùn)輸需求量的不斷增加，一些懸索橋、承壓舟浮橋等交通工程在國(guó)內(nèi)外發(fā)展迅猛[1]，這些需要長(zhǎng)期固定的工程裝備，常常采用混凝土錨碇作為固定和系泊設(shè)備，主要有重力式混凝土錨碇和嵌入式混凝土錨碇兩種主要形式[2].對(duì)于重力式錨碇，纜繩垂直方向的分力由自身的重力和地基的垂向支反力平衡；水平方向的分力是由錨碇與地面間的摩擦阻力平衡[3]，所以其錨碇力計(jì)算清楚明了，但重力式錨碇往往需要巨大的體積和質(zhì)量，經(jīng)濟(jì)性能較差.嵌入式錨碇是將錨碇嵌入地基下數(shù)倍埋深處，質(zhì)量較小但能夠提供數(shù)倍于自身質(zhì)量的拉力，在交通工程中有著廣泛的應(yīng)用.江陰10萬(wàn)噸級(jí)衡山號(hào)浮船塢將12只混凝土錨碇埋于黏質(zhì)砂土中進(jìn)行系泊[4]；南京原油中轉(zhuǎn)港將鋼筋混凝土錨碇埋深8～10 m用于系泊甲級(jí)浮筒；我國(guó)海軍艦船防風(fēng)系泊的水鼓也常采用嵌入式錨碇[5].由于嵌入式錨碇能夠提供遠(yuǎn)超過(guò)自身質(zhì)量的錨碇力，具有良好的經(jīng)濟(jì)性能，在系泊裝置中的使用日益廣泛.由于嵌入式錨體錨碇力的影響因素較多，雖然一些國(guó)內(nèi)外論文和規(guī)范中給出了計(jì)算公式，但都存在一定的簡(jiǎn)化和局限性，很難對(duì)嵌入式錨體錨碇力進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算[6-9].

黃河砂土屬于粉細(xì)砂，主要由單礦物顆粒(石英、長(zhǎng)石、云母等)組成，呈現(xiàn)出黃褐色，顆粒直徑尺寸比較分散，與一般砂土有極大的不同.黃河砂土在干砂情況下極為分散，有少量的粘結(jié)輕碰即散；在潮濕狀態(tài)時(shí)，用手拍擊其表面會(huì)有明顯的泛漿現(xiàn)象，有明顯的黏著感；將物塊埋置于水下濕砂中，拔起時(shí)物塊會(huì)受到極大的砂土黏性力[10].

嵌入式混凝土錨體錨碇力產(chǎn)生的機(jī)理十分復(fù)雜，錨碇力主要成分包括砂土壓力、砂土粘性力、砂土摩擦力等.錨碇在砂土中受牽引作用時(shí)，會(huì)受到主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力的壓差阻力；在錨碇與砂土接觸表面會(huì)受到砂土粘性力；并且當(dāng)錨碇表面與砂土相對(duì)靜止或者運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)分別受到砂土的靜摩擦力、動(dòng)摩擦力.當(dāng)錨碇自身參數(shù)發(fā)生變化或者處于不同的作業(yè)工況時(shí)，錨碇力產(chǎn)生的主要成分占比會(huì)發(fā)生變化，影響錨碇所能提供的錨碇力.錨碇埋深(錨碇下表面距砂土表面距離與錨碇高度的比值)、形狀、拉力角度、砂土水飽，以及度都會(huì)影響錨碇所受的砂土壓力、砂土黏性力、砂土摩擦力，進(jìn)而影響錨碇力.

目前針對(duì)黃河砂土嵌入式混凝土錨體錨碇力的研究幾乎是一片空白，極大的制約了嵌入式混凝土錨碇在黃河流域工程項(xiàng)目中的應(yīng)用.季節(jié)性干旱、岸邊裝備固定等情況下砂土水飽和度會(huì)不斷變化，影響錨碇力.本研究設(shè)計(jì)系列試驗(yàn)方案，探究錨碇縮尺比、埋深、形狀、拉力角度，以及水飽和度等因素對(duì)黃河砂土嵌入式混凝土錨體錨碇力的影響，并歸納總結(jié)出不同工況下錨碇力系數(shù)(錨碇提供的最大錨碇力與自身質(zhì)量的比值)的變化規(guī)律.

1 錨碇形式及試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 模型錨碇

在進(jìn)行模型錨碇試驗(yàn)前，首先需要確定錨碇的實(shí)形尺寸及形狀，一方面是為了確定合適的模型錨碇尺寸、形狀，另一方面是確定模型錨碇相對(duì)實(shí)形錨碇的縮尺比.本文參考承壓舟浮橋中實(shí)際使用的混凝土錨碇的尺寸形式，最終確定實(shí)形錨碇形式為邊長(zhǎng)1 m的立方體錨碇.

模型錨碇尺寸和形狀的制定，必須滿(mǎn)足試驗(yàn)條件且能夠達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?其中，縮尺比對(duì)錨碇力系數(shù)的影響通過(guò)不同邊長(zhǎng)，同一形狀的立方體錨碇進(jìn)行探究，如下代號(hào)M30，M40，M50；形狀對(duì)錨碇力系數(shù)的影響通過(guò)四種不同形狀，外部尺寸基本相同的錨碇進(jìn)行探究，如下代號(hào)M40，M40D，M40L，M40W；最終的模型錨碇見(jiàn)表1，錨碇形狀尺寸以及實(shí)物圖見(jiàn)圖1.

表1 模型錨碇參數(shù)

圖1 錨碇尺寸形狀參數(shù)

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)架

為了試驗(yàn)?zāi)軌虬踩咝У倪M(jìn)行，一套合理的試驗(yàn)系統(tǒng)尤為重要，圖2為試驗(yàn)設(shè)備與裝置布置示意圖.試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括動(dòng)力裝置、拉力測(cè)量裝置、位移測(cè)量裝置，以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析系統(tǒng).動(dòng)力裝置由牽引定滑輪、鋼絲繩、動(dòng)滑輪、卷?yè)P(yáng)機(jī)、遙控裝置組成，鋼絲繩的牽引速度為8 m/min.

圖2 設(shè)備與裝置布置示意圖

通過(guò)拉力傳感器測(cè)量錨碇力(見(jiàn)圖3a)，并將拉力信號(hào)轉(zhuǎn)化為壓差信號(hào)傳輸至壓差信號(hào)采集器.試驗(yàn)中錨碇位移的直接測(cè)量存在較大困難，并且水上工程裝備更加關(guān)注在系泊點(diǎn)處的位移情況，所以本試驗(yàn)將拉力測(cè)量裝置固定于定滑輪上，并在鋼絲繩上安裝拉線(xiàn)傳感器的拉線(xiàn)固定裝置，確保拉線(xiàn)與鋼絲繩始終處于平行狀態(tài)，位移傳感器的量程為0～2 000 mm，見(jiàn)圖3b).拉力和位移的壓差信號(hào)通過(guò)信號(hào)線(xiàn)傳導(dǎo)至壓差采集器，由壓差采集器采集并保存.

“十年樹(shù)木，百年樹(shù)人”，培養(yǎng)人是一個(gè)長(zhǎng)期的工程。教育影響相對(duì)于教育行為，具有明顯的滯后性，家庭教育也不例外。因家庭教育不當(dāng)產(chǎn)生的問(wèn)題，會(huì)在孩子進(jìn)入青春期與大學(xué)階段呈集中爆發(fā)狀態(tài)，有的會(huì)延后到下一代擇偶、組建新家庭時(shí)才會(huì)有所表現(xiàn)。這使得眾多家長(zhǎng)往往不能對(duì)孩子的成長(zhǎng)問(wèn)題做家庭教育方面的歸因，不能回溯家庭教育問(wèn)題，而將此歸因于外部條件的變化。比如，他們認(rèn)為“孩子進(jìn)入青春期，產(chǎn)生叛逆”，“孩子進(jìn)入大學(xué)，生活環(huán)境條件變化，不能適應(yīng)”，“年輕人進(jìn)入婚戀期，一時(shí)不知道如何相處”等等。實(shí)際上，其中很多的問(wèn)題都源自家庭教育失當(dāng)，造成孩子不能很好地適應(yīng)變化的環(huán)境，因而產(chǎn)生各種各樣的適應(yīng)問(wèn)題。

圖3 兩種傳感器

2 模型錨碇試驗(yàn)

模型錨碇試驗(yàn)的主要目的是得到系列錨碇在不同工況下的錨碇力，并換算得到錨碇力系數(shù)，每一種工況至少進(jìn)行3次試驗(yàn)以消除試驗(yàn)誤差，處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到錨碇力系數(shù).

2.1 試驗(yàn)流程

合理的試驗(yàn)流程應(yīng)當(dāng)能夠安全、準(zhǔn)確、高效的完成錨碇試驗(yàn)，具體試驗(yàn)流程如下.

步驟1構(gòu)架試驗(yàn)系統(tǒng) 布置砂土、拉力裝置、測(cè)量裝置等試驗(yàn)設(shè)備，確保系統(tǒng)正常工作.

步驟2根據(jù)試驗(yàn)方案，將錨碇定位埋置在砂土中.

步驟3預(yù)拉緊牽引鋼絲繩，測(cè)量牽引鋼絲繩與水平面夾角.

步驟4拉力、位移數(shù)據(jù)試采集并處理分析 判斷數(shù)據(jù)是否正常，若正常，進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)步驟；若異常，排查系統(tǒng)故障后返回步驟3.

步驟5進(jìn)行錨碇力試驗(yàn) 完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與分析，判斷數(shù)據(jù)是否正常，若正常，則結(jié)束本工況的一次試驗(yàn)；若異常，排查系統(tǒng)故障后返回步驟2.

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

3 錨碇力系數(shù)影響因素分析

3.1 錨碇縮尺比

模型錨碇和實(shí)形錨碇的力學(xué)特性通過(guò)縮尺比進(jìn)行轉(zhuǎn)化，引入了縮尺比這一影響因素，模型錨碇縮尺比采用0.3，0.4，0.5，得到模型錨碇M30，M40，M50.干砂試驗(yàn)和100%水飽和度濕砂試驗(yàn)中四種錨碇的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表2和表4，錨碇力系數(shù)隨縮尺比變化規(guī)律見(jiàn)圖4.

表2 干砂試驗(yàn)結(jié)果

表3 M40錨碇不同水飽和度砂土中試驗(yàn)結(jié)果

表4 100%水飽和度濕砂試驗(yàn)結(jié)果

系數(shù)變化范圍為1.43～1.56；1倍埋深的錨碇力系數(shù)變化范圍為2.48～3.78；2倍埋深的錨碇力系數(shù)變化范圍為6.01～6.63.0倍埋深時(shí)，錨碇力

圖4 錨碇力系數(shù)隨縮尺比變化規(guī)律

由圖4可知，干砂試驗(yàn)中，0倍埋深的錨碇力主要為其表面摩擦力，與錨碇質(zhì)量成正比，故錨碇力系數(shù)基本不變；1倍、2倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)隨縮尺比的增加而減小，變化規(guī)律接近線(xiàn)性.

100%水飽和度試驗(yàn)中0倍埋深的錨碇力系數(shù)隨縮尺比變化范圍為1.24～1.40；0.5倍埋深的錨碇力系數(shù)與錨碇自身質(zhì)量變化范圍為4.20～5.46；1倍埋深的錨碇力系數(shù)與錨碇自身質(zhì)量變化范圍為12.84～13.89.0倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)基本不變；0.5倍、1倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)隨縮尺比的增加而減小，變化規(guī)律接近線(xiàn)性.

3.2 錨碇埋深

研究表明埋深是錨碇力極為重要的影響因素，本文通過(guò)分析各錨碇在不同埋深下的錨碇力系數(shù)，確定錨碇埋深對(duì)錨碇力系數(shù)的影響，見(jiàn)圖5.

圖5 錨碇力系數(shù)隨錨碇埋深變化規(guī)律

由圖5可知，干砂試驗(yàn)中，0倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)變化范圍為0.93～1.55；1倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)變化范圍為2.57～3.32；2倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)變化范圍為5.77～7.61.0～1倍埋深時(shí)錨碇力系數(shù)的增加較為緩慢，1～2倍埋深時(shí)錨碇力系數(shù)增加較快.

100%水飽和度濕砂試驗(yàn)中，0倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)變化范圍為0.88～1.41；0.5倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)變化范圍為3.95～5.46；1倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)變化范圍為12.84～15.02.0～0.5倍埋深時(shí)錨碇力系數(shù)的增加較為緩慢，0.5～1倍埋深時(shí)錨碇力系數(shù)增加較快.

相同水飽和度砂土中，同一埋深下錨碇力系數(shù)的波動(dòng)較小，表明錨碇埋深的影響程度遠(yuǎn)超過(guò)錨碇縮尺比、錨碇形狀、錨碇拉力角度，是影響錨碇力系數(shù)最主要的因素之一.

3.3 錨碇形狀

錨碇形狀的不同，會(huì)改變錨碇與砂土的接觸面，影響摩擦阻力；會(huì)影響錨碇重心位置，進(jìn)而影響錨碇合力方向與運(yùn)動(dòng)軌跡；相同埋深下錨碇表面壓力會(huì)有所不同.錨碇形狀的不同，會(huì)產(chǎn)生多方面影響，很難用理論進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算，本試驗(yàn)主要是通過(guò)對(duì)比M40，M40D，M40L，M40W四種錨碇在不同埋深下的錨碇力系數(shù)來(lái)探究錨碇形狀的影響，見(jiàn)圖6.

圖6 錨碇力系數(shù)隨形狀變化規(guī)律

由圖6可知，干砂試驗(yàn)中，0倍埋深時(shí)錨碇力主要為錨碇與砂土的摩擦力和錨碇前的堆砂阻力，1倍、2倍埋深時(shí)，錨碇力由壓差和錨碇表面的摩擦力提供.0倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)變化范圍為0.93～1.55；1倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)變化范圍為2.67～3.13；2倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)變化范圍為6.51～7.2.有底洞的錨碇M40D因底部空洞導(dǎo)致重心前移，會(huì)增加錨碇前端入砂的深度，進(jìn)而增大前端的堆砂阻力，所以M40D的錨碇力系數(shù)最大；M40L錨碇前端是棱臺(tái)形，錨碇前端不容易形成堆砂，所以M40L的錨碇力系數(shù)最小.在1倍、2倍埋深時(shí)，M40L錨碇前端棱臺(tái)有一定的破土性，所以棱臺(tái)形的錨碇力系數(shù)最小.由于M40W，M40D，M40這三種錨碇的外形基本相同，所以提供的拉力是相近的，但由于40W，40D，40這三種錨碇的質(zhì)量逐漸增加，所以錨碇力系數(shù)逐漸減小.

100%水飽和度濕砂試驗(yàn)中，0倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)變化范圍為0.88～1.31；1倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)變化范圍為3.95～4.85；2倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)變化范圍為12.46～15.02.0倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)與錨碇自身質(zhì)量規(guī)律相似，由大到小依次為M40，M40D，M40W，M40L，方體錨碇較優(yōu)，M40L錨碇被牽引時(shí)，下部方體區(qū)域會(huì)上翹，導(dǎo)致棱臺(tái)面與砂土表面接觸，不易形成堆砂，所以M40L的錨碇力系數(shù)最小.0.5倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)由大到小分別為M40，M40D，M40W，M40L，M40，M40W，M40L錨碇與砂土接觸面積基本相同，此時(shí)錨碇力系數(shù)與錨碇自身質(zhì)量有關(guān)，質(zhì)量較大的錨碇，錨碇力系數(shù)也較大；M40D由于底部有挖孔，故其與砂土接觸面積較大，并且自身質(zhì)量大于M40W錨碇，所以其錨碇力系數(shù)位于M40與M40W錨碇之間.

1倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)由大到小依次為M40L，M40D，M40，M40W，表明棱臺(tái)形錨碇相對(duì)其他形式的錨碇較優(yōu).M40D，M40，M40W錨碇力系數(shù)依次減小，表明錨碇與砂土的接觸面積增加會(huì)導(dǎo)致其錨碇力系數(shù)增加；M40W錨碇力系數(shù)最小表明中部挖孔這種形式并不能增加錨碇的錨碇力系數(shù).

3.4 砂土水飽和度

砂土水飽和度是通過(guò)往砂箱中注水過(guò)程中不斷測(cè)定土壤密度確定的，見(jiàn)表5，在三種不同水飽和度砂土中，M40錨碇的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.

表5 砂土水飽和度

圖7為錨碇力系數(shù)隨砂土水飽和度變化規(guī)律，由圖7可知， 0倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)先增加后減小，由于0倍埋深時(shí)錨碇力系數(shù)主要受到錨碇前端的堆砂質(zhì)量的影響，干砂質(zhì)量較小，100%水飽和度濕砂底部較硬，不容易形成堆砂，50%水飽和度濕砂較容易形成堆砂，同時(shí)堆砂重量也較大，所以50%濕砂試驗(yàn)時(shí)，錨碇力系數(shù)最大.1倍埋深和2倍埋深時(shí)，錨碇力系數(shù)隨著砂土水飽和度的增大而增加，50%～100%水飽和度時(shí)錨碇力系數(shù)的增速明顯大于0%～50%水飽和度時(shí)的增度，由于砂土水飽和度的增加會(huì)增大錨碇所受砂土黏性力，并且錨碇力中砂土粘性力占比遠(yuǎn)超過(guò)砂土摩擦力以及砂土壓力所占，所以錨碇力增速明顯.2倍埋深時(shí)錨碇力系數(shù)的增加速度超過(guò)1倍埋深時(shí)的增加速度，因?yàn)?倍埋深時(shí)錨碇上表面未受到砂土壓力，而2倍埋深時(shí)，錨碇外表面均與砂土接觸，且錨碇表面壓力明顯增大，會(huì)使錨碇表面粘性力迅速增加，故2倍埋深時(shí)錨碇力系數(shù)增加明顯.

圖7 錨碇力系數(shù)隨砂土水飽和度變化規(guī)律

3.5 錨碇拉力角度

錨碇拉力角度的影響在干砂試驗(yàn)中進(jìn)行了探究，錨碇力系數(shù)隨拉力角度的變化規(guī)律見(jiàn)圖8.

圖8 拉力角度對(duì)錨碇力系數(shù)的影響

由圖8可知，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.0倍埋深的錨碇力系數(shù)隨拉力角度變化范圍為0.9～1.23；1倍埋深的錨碇力系數(shù)隨拉力角度變化范圍為3.32～3.78；2倍埋深的錨碇力系數(shù)隨拉力角度變化范圍為7.12～7.73.在相同埋深下，錨碇力系數(shù)的波動(dòng)較小，表明拉力角度對(duì)錨碇力系數(shù)的影響程度較小，由圖可見(jiàn)錨碇力系數(shù)隨錨碇拉力角度增加呈現(xiàn)出接近線(xiàn)性的變化規(guī)律.

4 結(jié) 論

1) 錨碇力系數(shù)影響因素中，錨碇埋深和砂土水飽和度的增加會(huì)明顯增大錨碇力系數(shù)，是試驗(yàn)探究的因素中影響最顯著的兩個(gè)因素，錨碇縮尺比、錨碇形狀、錨碇拉力角度對(duì)錨碇力的影響相對(duì)較?。黄渲绣^碇力系數(shù)隨錨碇縮尺比以及拉力角度的變化規(guī)律接近線(xiàn)性；錨碇完全嵌入100%水飽和度砂土中是最為常見(jiàn)的工況，該工況上半部棱臺(tái)下半部方體形錨碇提供錨碇力最大.

2) 本試驗(yàn)探究的試驗(yàn)工況與錨碇參數(shù)較多，在工程應(yīng)用中，可在充分考慮各因素影響程度的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際工況選取主要的影響因素，擬合經(jīng)驗(yàn)公式.3) 黃河砂土嵌入式混凝土錨體錨碇力試驗(yàn)過(guò)程中存在不可避免的系統(tǒng)誤差，并且試驗(yàn)結(jié)果存在一定的離散性，在工程應(yīng)用中需充分考慮.