考慮土塞效應(yīng)的吸力錨抗拔特性研究

邱 月 劉姍姍 伍海華

（1.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，山東 青島 266590；2.聊城大學(xué)東昌學(xué)院，山東 聊城 252000）

0 引言

隨著陸產(chǎn)能源的開發(fā)程度趨于飽和，面對(duì)緊張的能源問題人們開始尋求新的出路，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展讓人類把目光由陸地轉(zhuǎn)向海洋。 何琦等[1]在報(bào)告中指出海洋石油資源量為1 350 億噸，約占世界總石油資源的34%；深海里蘊(yùn)藏的待開發(fā)的油氣資源約占世界總待開發(fā)資源的46%。海洋油氣資源已經(jīng)成為陸地油氣資源的重要替代，我國已經(jīng)將開發(fā)和利用深海油氣資源作為一項(xiàng)重要戰(zhàn)略舉措[2]。

以南海981 鉆井平臺(tái)的吸力錨錨固基礎(chǔ)作為研究對(duì)象，海床的主要組成為砂土，砂土處于飽和不排水狀態(tài)，砂粒之間的摩擦系數(shù)為0.25，滲透系數(shù)為0.7，密度ρ=2 020 kg/m3，彈性模量 E=0.03 GPa，泊松比 μ=0.3，摩擦角 φ=30°，剪脹角 ψ=25°，凝聚力 c=0.1 kPa。

1 模型建立

朱興運(yùn)[3]通過模型實(shí)驗(yàn)說明，在密實(shí)砂土中吸力錨的長徑比應(yīng)該大于1.5 才能發(fā)揮比較優(yōu)秀的承載能力。 因此本次模擬的吸力錨長徑比L/D=3、厚度t=0.1 m。 模擬過程中選取的土體計(jì)算范圍寬度上取延錨徑方向?yàn)?0 倍的吸力錨直徑， 土體沿錨壁方向上取8 倍的吸力錨直徑。

吸力錨和土體模型的網(wǎng)格劃分中單元內(nèi)心都采用C3D8 單元， 吸力錨的加載方法采用控制荷載加載法，由于極限抗拔力判定標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一，文中對(duì)模擬結(jié)果將對(duì)吸力錨的水平方向上發(fā)生的位移和豎直方向發(fā)生的位移進(jìn)行分開處理。

2 考慮土塞對(duì)吸力錨抗拔性能的影響分析

丁紅巖等[5]認(rèn)為由于無法直接獲得施工過程中土塞的高度，但通過沉貫完成后錨頂面與海底泥面的距離推算土塞高度大約在0.3 m。 在1980 年的GORM[6]油田進(jìn)行的吸力錨沉貫工程中，形成的土塞高度將近3 m。 將對(duì)長徑比為3 的吸力錨在產(chǎn)生0.5 m和2 m 土塞的情況與沒有產(chǎn)生土塞的情況下進(jìn)行比較，用T 表示土塞高度，通過模擬結(jié)果對(duì)比找出土塞效應(yīng)對(duì)吸力錨抗拔性能的影響。

圖1 h/L=0 時(shí)不同加載角度下吸力錨的極限抗拔力

2.1 h/L=0 處系泊點(diǎn)各加載角度的加載情況

將T=0，T=0.5，T=2 的吸力錨在荷載作用于錨頂部的各個(gè)角度的抗拔極限荷載值統(tǒng)計(jì)于圖1。

通過圖1 可以看出在T=2 m 時(shí)極限抗拔力從Ф=0°到Ф=60°都是逐漸增大的過程， 在水平荷載作用時(shí)吸力錨的承載能力只為650 kN， 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于T=0 m（2 260 kN）和 T=0.5 m（1 890 kN），出現(xiàn)這樣的原因?yàn)楹奢d作用在帶有土塞的吸力錨錨頂時(shí)， 荷載水平分量會(huì)對(duì)露出土體的部分產(chǎn)生力矩，形成杠桿效應(yīng)，從而更加容易地達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 h/L=0.5 處系泊點(diǎn)各加載角度的加載情況

如圖2 荷載作用在吸力錨的中部系泊點(diǎn)，可以看出T=0 m 和T=0.5 m 的吸力錨的極限抗拔力隨著荷載角度的增大而逐漸減小。 在中部系泊點(diǎn)時(shí)土塞對(duì)吸力錨的主要影響荷載角度Ф＜30°的水平破壞， 且土塞高度越大吸力錨水平破壞現(xiàn)象越明顯， 當(dāng)荷載角度Ф＞30°時(shí)，土塞效應(yīng)對(duì)吸力錨的豎直上拔影響較小。

圖2 h/L=0.5 時(shí)不同加載角度下吸力錨的極限抗拔力

2.3 h/L=1 處系泊點(diǎn)各加載角度的加載情況

從圖3 中可以看出荷載作用點(diǎn)位于底部土塞效應(yīng)對(duì)吸力錨承載能力主要還是對(duì)Ф＜30°的偏水平載荷影響較大，在Ф=0°是T=0 的極限抗拔力為9 848 kN，T=0.5 m 的極限抗拔力為8 470 kN，T=2 的極限抗拔力為4 561 kN，可見T=0 m 與T=0.5 m 之間的極限抗拔力相距較小，兩者之比為1.16，T=0 m 與T=2 m 之間的極限抗拔力相差很大，兩者之比為2.16。 隨著加載角度的增加，三種土塞高度的吸力錨的極限抗拔力由土塞高度的增大而減小但三者的數(shù)值差距并不大，再次證明土塞高度對(duì)加載角度Ф＞30°的荷載的極限抗拔力影響效果不是很明顯。

圖3 h/L=1 時(shí)不同加載角度下吸力錨的極限抗拔力

3 小結(jié)

（1）考慮土塞效應(yīng)時(shí)，土塞對(duì)吸力錨的影響主要表現(xiàn)在對(duì)加載角度Ф=30°下的水平方向上的承載能力影響較大，對(duì)于Ф＞30°加載時(shí)土塞效應(yīng)對(duì)豎直方向上的抗拔能力影響較小，總體而言隨著土塞高度的升高吸力錨的承載能力逐步降低。

（2） 當(dāng)荷載作用在吸力錨露出土體的部分時(shí)，由于產(chǎn)生杠桿效應(yīng)吸力錨的水平承載能力隨著土塞高度的升高而急速地降低。所以在吸力錨的安裝作業(yè)中應(yīng)該盡量降低土塞的高度，并且盡量避免將系泊點(diǎn)設(shè)在錨頂部。