動力錨在斜坡地基上的沉貫特性

李云飛，韓聰聰，劉 君

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

海洋油氣開發(fā)所用的浮式平臺、大型生產(chǎn)與儲卸油裝置(floating production, storage and offloading，簡稱FPSO)、大型FLNG船(floating liquefied natural gas system)以及海洋工程中其他常用的浮式結(jié)構(gòu)，如懸浮隧洞、浮式橋梁、浮式機(jī)場、浮式風(fēng)機(jī)以及浮式網(wǎng)箱等，都需要錨來定位。在水庫和湖泊等水面上建立的浮式光伏發(fā)電站也依靠錨來定位。常用的錨固基礎(chǔ)有樁錨、吸力式沉箱、拖曳安裝錨及吸力式安裝板錨等。這些錨固基礎(chǔ)的安裝需要借助輔助裝置，周期長且成本高。動力安裝錨(簡稱動力錨)是一種自安裝式錨固基礎(chǔ)，它依靠自身重量貫入水下地基中完成安裝，安裝成本低且便捷，近年來受到廣泛關(guān)注。

目前工程中常用的動力錨有魚雷錨(torpedo anchor)[1]、深貫錨(deep penetrating anchor)[2]和多向受荷錨(OMNI-Max Anchor)[3-5]。魚雷錨和深貫錨沉貫深度大，依靠錨—土界面的摩擦提供承載力[2,3]，承載效率較低；多向受荷錨拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，沉貫深度淺[6]，承載效率高[7-8]。圖1(a)所示是一種新型輕質(zhì)動力錨(light-weight gravity installed plate anchor, L-GIPLA)[7-9]，采用圖1(b)所示助推器[10]協(xié)助安裝。該新型輕質(zhì)動力錨同時具有動力錨自安裝和板錨承載效率高的特點(diǎn)，其安裝過程主要包括以下幾個階段：L-GIPLA和助推器組成組合錨在水中自由下落獲得能量并高速貫入到地基土中；然后張拉助推器的回收繩開始上拔，助推器被拉出而留L-GIPLA在地基中，助推器只是輔助安裝工具；最后張緊系在錨眼處的錨鏈，L-GIPLA在地基土中旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)和下潛至更深的土層，從而獲得更高的承載能力[7,10]。

圖1 輕質(zhì)動力錨和助推器Fig. 1 L-GIPLA and booster

動力錨的安裝過程包括水中自由下落階段[4, 11]以及土中沉貫階段[5, 7-9, 12]，明確動力錨在土中的沉貫特性有助于準(zhǔn)確預(yù)測錨在地基中的承載力。影響動力錨沉貫特性的因素主要包括貫入速度[8-9, 12-14]、貫入偏角(錨的軸線與鉛垂方向的夾角)[10]、錨的形狀和質(zhì)量[10, 14-15]、土強(qiáng)度[12, 14]、土體率效應(yīng)和軟化效應(yīng)參數(shù)[5, 9, 16-17]等。Liu等[12]采用1g模型試驗(yàn)研究了不同貫入速度、土強(qiáng)度和助推器質(zhì)量下L-GIPLA的沉貫深度，當(dāng)沖擊速度在13.3～25 m/s，土體不排水抗剪強(qiáng)度在1.5z～2.7zkPa范圍內(nèi)時，L-GIPLA埋深比ze/hA為2.05～5.01，其中z為從地基表面算起的深度，ze是錨尖的最終沉貫深度，hA是動力錨的長度。

目前的研究均限于平整地基，而動力錨在安裝過程中不可避免會遇到不平整地基的情況，如海底岸坡、水庫岸坡等?；财露?、動力錨錨柄方位和貫入速度等均會對安裝產(chǎn)生影響，因此通過1g模型試驗(yàn)研究了動力錨在一定坡度地基上的沉貫特性，為工程設(shè)計和施工提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計

1.1 模型錨和助推器

本次研究以圖1所示的輕質(zhì)動力錨模型和助推器模型為研究對象。動力錨由錨板和錨柄兩部分組成，通過螺栓連接。錨尾部的實(shí)心圓柱(直徑6 mm)插入助推器頭部的凹槽實(shí)現(xiàn)兩者的連接。助推器的質(zhì)量為錨質(zhì)量的1.8 倍。助推器的尾部連接寬度為1.0wf(wf為錨板寬度)的板形尾翼來控制方向穩(wěn)定性。不銹鋼模型的幾何比尺為41，模型相似關(guān)系請參考文獻(xiàn)[5,8]。動力錨和助推器模型的主要尺寸列于表1。

1.2 模型箱和土樣制備

本次試驗(yàn)所用模型箱內(nèi)部尺寸為0.60 m×0.22 m×0.4 m(長×寬×高)。試驗(yàn)箱底部均勻布設(shè)細(xì)小排水孔，排水孔上方依次為土工布、濾紙和土樣。

模型試驗(yàn)用高嶺土(spes-white kaolin clay)來模擬河床/海床軟黏土[5, 12, 18-19]。高嶺土的基本特性：液限LL=65%，塑限PL=34%，比重Gs=2.61[5, 20-21]。用加載法[5, 18]制備土樣，具體步驟如下：首先將高嶺土粉末與水混合形成含水量為兩倍液限(130%)的泥漿；然后將泥漿倒入真空攪拌器中，在真空度為-30 kPa的條件下連續(xù)攪拌5小時；將攪拌好的飽和高嶺土裝入水平放置的模型箱中進(jìn)行固結(jié)。本次試驗(yàn)分兩組，第一組和第二組土樣的固結(jié)壓力分別為2.5 kPa和4.0 kPa。

采用球形觸探儀(ball)測量土體不排水抗剪強(qiáng)度[18, 22]，球形觸探儀的直徑DB=32 mm，如圖2(a)所示。觸探儀貫入速率5 mm/s，確保土樣處于不排水狀態(tài)[23]。土樣不排水抗剪強(qiáng)度隨深度變化曲線如圖2所示，第一組土樣的不排水抗剪強(qiáng)度沿深度線性變化，不排水抗剪強(qiáng)度su=0.37+1.32zkPa。第二組土樣的不排水抗剪強(qiáng)度沿深度比較均勻，su=0.83 kPa。為避免邊界效應(yīng)的影響，應(yīng)使觸探儀到側(cè)壁的距離≥(3～5)R[5]，其中R為觸探儀半徑，模型箱以及觸探儀測點(diǎn)位置如圖3所示。

圖2 土體不排水抗剪強(qiáng)度Fig. 2 Soil undrained shear strength

圖3 試驗(yàn)工況和測點(diǎn)布置Fig. 3 Test arrangement

1.3 工況設(shè)計

影響動力錨沉貫特性的主要因素為基床坡度、錨柄方位以及貫入速度。試驗(yàn)共設(shè)計2組6個工況，如表2所示。第一組(組I)和第二組(組II)分別研究錨柄方位和貫入速度對動力錨最終偏角的影響；工況A3和A4錨柄方位和貫入速度均相同，用于研究基床坡度的影響，各工況布置也示于圖3，為了避免邊界效應(yīng)，相鄰落點(diǎn)間距離不小于3.0wf，錨與箱壁間距為2.3wf[8, 24]。

表2 試驗(yàn)工況及結(jié)果

1.4 測量方法

試驗(yàn)采用兩種方法測量動力錨沉貫過程中的偏角變化：一是采用高速相機(jī)(型號EoSens Cube7)[10, 12]，根據(jù)圖像識別確定錨的偏角；二是基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的加速度傳感器[10, 25]。試驗(yàn)采用的MEMS加速度傳感器型號為ADXL326，量程為±16g，尺寸為18 mm×18 mm×3 mm(長×寬×厚)，質(zhì)量1.4 g，如圖4(a)所示。試驗(yàn)時將MEMS加速度傳感器密封到助推器尾翼上，如圖5(a)所示。通過對加速度積分兩次可以得到錨在任一時刻的速度及相應(yīng)的下落距離，通過重力加速度在三個軸上的分量可以確定準(zhǔn)靜態(tài)物體的姿態(tài)，具體的工作原理請參見文獻(xiàn)[25]。如圖4(b)所示，設(shè)Oxyz為固定坐標(biāo)系，O′x′y′z′為參考坐標(biāo)系，ax′、ay′、az′分別是x′、y′、z′三個軸上的加速度，則物體與豎直方向的夾角γ可以表示為：

(1)

1.5 試驗(yàn)布置與試驗(yàn)步驟

模型試驗(yàn)裝置主要包括：試驗(yàn)箱、動力錨和助推器、高速相機(jī)以及采集系統(tǒng)，如圖5所示。試驗(yàn)步驟如下：1) 將裝有助推器的動力錨懸掛在土樣上方設(shè)計高度處，通過改變動力錨距土表的高度來改變貫入速度；2) 待錨靜止，將MEMS加速度傳感器清零，開始采集加速度數(shù)據(jù)(采樣頻率2 kHz)；3) 打開高壓鈉燈，啟動高速相機(jī)采集程序(采樣頻率 500 Hz)；4) 燒斷助推器尾部的懸掛繩，動力錨自由下落并以設(shè)計速度貫入土中。

圖5 模型試驗(yàn)布置示意Fig. 5 Model test arrangement

2 試驗(yàn)結(jié)果

為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，也體現(xiàn)試驗(yàn)的離散性，試驗(yàn)一般需要重復(fù)做3次，考慮到：高嶺土制樣需要的周期較長，本課題組對不同形式的動力錨已做了許多研究[4-5, 7-12]，且針對研究動力錨在土中的沉貫過程已做過許多模型試驗(yàn)[8, 12]，已有非常豐富的經(jīng)驗(yàn)，故研究中只做了2次重復(fù)試驗(yàn)，重復(fù)性很好，因此只取其中一次的結(jié)果進(jìn)行討論與分析。

2.1 典型工況

2.1.1 錨的加速度、速度和豎向位移的變化

試驗(yàn)6個工況沉貫過程中的加速度隨時間的變化情況類似，以工況A1為例來分析動力錨沉貫過程中加速度、速度和豎向位移的變化規(guī)律，如圖6所示。根據(jù)加速度變化規(guī)律(圖6(a))可將試驗(yàn)過程分為4個階段：第一階段(S1)，錨靜止懸掛在土樣上方，此時加速度az=0；第二階段(S2)，在t=0時刻燒斷懸掛線，錨開始在空氣中自由下落，此時加速度等于重力加速度g；第三階段(S3)，錨接觸到土體，此時錨受到土體的向上阻力，加速度開始減小，當(dāng)土體阻力大于錨的重量時，加速度由正值變?yōu)樨?fù)值；第四階段(S4)，錨的加速度變?yōu)榱?，此時錨靜止在土中，速度也為零。模型試驗(yàn)所有工況的沉貫深度也列于表2。

圖6 模型試驗(yàn)結(jié)果(工況A1)Fig. 6 Model testing results (Case A1)

動力錨的速度與豎向位移的變化關(guān)系如圖6 (b)所示，可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)錨尖貫入土中后，錨的豎向速度vz繼續(xù)增加，表明作用在錨上的土體阻力小于錨的重量；只有作用在錨上的土體阻力超過錨的重量，錨才開始減速直至停止。當(dāng)錨在土中的速度達(dá)到最大值vmax時，作用在錨上的土體阻力恰好等于錨的重量。錨的最終沉貫深度ze=0.268 m。試驗(yàn)結(jié)束后，用直尺測量得到的最終沉貫深度為0.26 m，與MEMS加速度傳感器積分結(jié)果非常接近，表明基于MEMS加速度傳感器確定模型試驗(yàn)中錨的沉貫深度是合理的。

2.1.2 錨的偏角隨貫入深度的變化

試驗(yàn)6個工況沉貫過程中錨的偏角隨貫入深度的變化情況類似，以工況A5為例說明動力錨的偏角隨貫入深度的變化關(guān)系。圖7(a)為錨貫入土中高速相機(jī)拍攝的照片。當(dāng)錨尖接觸土表面時，錨達(dá)到貫入速度v0，錨的偏角為0。沉貫結(jié)束后，錨的最終偏角γ=6.10°。圖7(b)為工況A5中動力錨偏角γ隨下落距離的變化關(guān)系。當(dāng)錨未貫入土中時，錨的偏角保持0不變；當(dāng)錨貫入土中后，錨的偏角隨貫入深度的增加而不斷增加。最終穩(wěn)定時高速相機(jī)圖像分析得到的偏角為6.10°，加速度傳感器測到的偏角為6.14°。高速相機(jī)只能采集錨繞y軸的運(yùn)動姿態(tài)，實(shí)際上由于模型加工誤差等原因，錨繞x軸也有轉(zhuǎn)動，所以高速相機(jī)圖像分析結(jié)果與MEMS加速度傳感器得到的結(jié)果稍有偏差，但偏差不大，結(jié)果基本一致。

圖7 錨貫入土中過程(工況A5)Fig. 7 Anchor penetration process within the soil (case A5)

2.2 沉貫深度

Han等[6]提出了改進(jìn)的能量經(jīng)驗(yàn)公式并將其用于預(yù)測動力錨的沉貫深度，如式(3)所示：

(2)

其中，Deff是錨的等效直徑，定義為與輕質(zhì)動力安裝錨具有相同水平投影面積的圓的直徑；a、b是系數(shù)；Etotal為動力錨在地基表面處時相對于最終沉貫深度處所具有的動能和勢能總和；ke為土的等效強(qiáng)度梯度，計算方法為假設(shè)真實(shí)的土樣強(qiáng)度和埋深圍成的面積與等效強(qiáng)度和埋深圍成的面積相等，其中等效強(qiáng)度表示為正常固結(jié)土形式；As為錨的表面積。

已有的輕質(zhì)動力錨1g模型試驗(yàn)沉貫深度結(jié)果[11, 14]如圖8所示，試驗(yàn)結(jié)果與已有的能量公式曲線吻合很好。在坡度為20°～30°的斜坡地基中，試驗(yàn)點(diǎn)與能量公式曲線的相對偏差小于5.81%。與平整地基結(jié)果的對比分析表明，在研究范圍內(nèi)，基床坡度對動力錨沉貫深度的影響較小。

圖8 模型試驗(yàn)與能量預(yù)測模型對比Fig. 8 Comparison of model test and energy prediction models

2.3 錨柄方位對動力錨最終偏角的影響

工況A1～A3研究了錨柄方位對動力錨最終偏角的影響，如表2所示，表中MEMS的最終偏角結(jié)果取動力錨靜止后0.5 s采集到的數(shù)據(jù)(共1 000個數(shù)據(jù)點(diǎn))的平均值。

坡角α=20°時，錨柄從向內(nèi)到向外，錨的最終偏角為0.7°～5.98°。與錨柄向外相比，錨柄向內(nèi)偏角更小，垂直度更好。錨進(jìn)入土中之后，錨板兩側(cè)的土壓力不同，錨柄向內(nèi)或者向外時，以繞y軸轉(zhuǎn)動為主，參見圖4(b)。錨柄向內(nèi)時，土體給錨柄的阻力給錨繞y軸旋轉(zhuǎn)的力矩為負(fù)(力矩正負(fù)滿足右手螺旋定則)；錨柄向外時，土體給錨柄的阻力以錨繞y軸旋轉(zhuǎn)的力矩為正，所以錨柄向外時最終偏角更大。錨柄平行于坡面時，錨在yOz平面內(nèi)投影面積最小，錨兩側(cè)的土壓力差最小，垂直度最好，最終偏角為0.7°。

2.4 貫入速度和基床坡度對動力錨最終偏角的影響

工況A4～A6研究了貫入速度對動力錨最終偏角的影響，結(jié)果如圖9所示。坡角α=30°，動力錨的初始貫入速度v0=2.12～3.22 m/s時，錨的最終偏角為6.93°～6.05°，錨的最終偏角隨貫入速度的增大而減小。錨的貫入速度越大，動量越大，穩(wěn)定性越好。

圖9 貫入速度對錨最終偏角的影響Fig. 9 Influence of velocity on final inclined angle

對比工況A3和A4，錨柄方位相同，貫入速度相同的情況下，基床坡度越大，錨的最終偏角越大。這是因?yàn)榛财露仍酱螅^板兩側(cè)的土壓力差越大，最終穩(wěn)定時錨的偏角也越大。

3 結(jié) 語

通過1g模型試驗(yàn)?zāi)M了新型輕質(zhì)動力安裝錨在斜坡地基中的高速沉貫過程，用MEMS加速度傳感器測量錨在貫入土體過程中的加速度、速度、貫入深度和最終偏角。研究了基床坡度、動力錨錨柄方位和貫入速度對動力錨最終偏角的影響，主要結(jié)論如下：

在研究范圍內(nèi)，當(dāng)坡角為20°～30°時，錨的最大偏角不超過6.93°，最小偏角為0.7°，表明坡度對動力錨安裝影響有限。基床坡度不超過30°時，地基坡度對動力錨沉貫深度影響可忽略不計。當(dāng)貫入速度相同時，錨柄平行坡面時錨的最終偏角最小，錨柄指向坡外時錨的最終偏角最大；當(dāng)基床坡度相同時，錨的貫入速度越大，錨的最終偏角越小。