沉船起吊過(guò)程中海土吸附力對(duì)吊力影響的數(shù)值分析

楊芷蘅，劉雨，王振宇，唐旭，朱亞洲

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.上海打撈局,上海 200090；3.南通遠(yuǎn)洋船舶配套有限公司，江蘇 南通 226000)

在沉船打撈作業(yè)中，因?yàn)榇嬖谖搅?，在沉船離底的過(guò)程中會(huì)，對(duì)船底產(chǎn)生數(shù)千噸的向下拉力，增加了整個(gè)起吊過(guò)程的難度和風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)研究主要針對(duì)拔樁過(guò)程中海底土壤對(duì)樁靴等結(jié)構(gòu)的吸附力影響因素[1-8]，但針對(duì)大噸位沉船結(jié)構(gòu)的沉底淺度入泥吸附力研究較少。為此，考慮基于土體承載力計(jì)算原理，利用有限元仿真方法，計(jì)及起吊速度及沉船入泥深度等因素對(duì)起吊離底過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，分析不同起吊模式對(duì)吸附力大小的影響，為沉船起吊過(guò)程中的吊力分布及結(jié)構(gòu)加強(qiáng)方案優(yōu)化提供技術(shù)支持。

1 吸附力理論

分析沉船的受力，典型沉船受力示意于圖1，船體受到吸附力、提升力、沉船浮力、沉船水下自重，以及沉船浸沒(méi)在海土中所排開(kāi)的海土重量等載荷作用，并達(dá)到力的平衡。

圖1 沉船受力示意

底質(zhì)中結(jié)構(gòu)物的吸附力可以根據(jù)力的方向來(lái)確定。分析可知，沉船在起吊過(guò)程中提升力的方向與海土對(duì)沉船的吸附力方向相反，在重力方向已知的情況下可以根據(jù)平衡公式對(duì)吸附力公式進(jìn)行推算[9]，太沙基吸附力公式如下所示。

Ft=P+ω-G+f=

(1)

式中：Ft為海土對(duì)沉船的吸附力峰值；P為海土極限承載情況下的提升力；ω為沉船浸沒(méi)在海土中所排開(kāi)的海土重量；G為沉船水下自重；f為沉船浮力；S為海土的抗剪強(qiáng)度；A為沉船與海土接觸處水平投影面積；D為沉船在海土中的浸沒(méi)深度；B為沉船的寬度；L為沉船的長(zhǎng)度。

太沙基吸附力公式對(duì)底質(zhì)的類型要求較低，用于此吸附力的計(jì)算滿足要求。然而考慮到船區(qū)域海土的力學(xué)特性及沉船自身的結(jié)構(gòu)特性，選用太沙基吸附力修正公式[10]。

(2)

式中：SR為結(jié)構(gòu)體與底質(zhì)的接觸面積；SP為結(jié)構(gòu)與底質(zhì)接觸處的多向投影面積。

因此，運(yùn)用太沙基吸附力修正公式得到的理論計(jì)算結(jié)果與ABAQUS數(shù)值仿真模型分析得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以驗(yàn)證ABAQUS數(shù)值仿真分析的可靠性。

2 仿真模型的建立

2.1 打撈過(guò)程及工況

沉船脫離海土的過(guò)程中，沉船主要受海土吸附力、船體自重和海水浮力的影響，船體自重和海水浮力在此過(guò)程中并無(wú)變化，而在吸附力達(dá)到峰值時(shí)沉船所受載荷最大，為最危險(xiǎn)的工況，定義其為起吊離底工況在沉船打撈過(guò)程中，所受的載荷隨船體所處起吊階段的不同而變化，吸附力主要集中在起吊離底工況。因此，在吸附力計(jì)算中，針對(duì)起吊離底工況。

2.2 吸附力計(jì)算數(shù)值模型

實(shí)際典型船體入泥深度較淺，且船艏、船艉向上翹起，與底部海土接觸面積較小甚至無(wú)接觸，所以船體與海土接觸面主要集中在主船體船舯部分。在進(jìn)行吸附力仿真計(jì)算時(shí)，對(duì)船底接觸面進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)置，降低因接觸面不規(guī)則而導(dǎo)致的網(wǎng)格畸變風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。同時(shí)在單獨(dú)進(jìn)行吸附力計(jì)算時(shí)，由于海底洋流對(duì)排開(kāi)海土的沖刷，典型沉船船體周邊排開(kāi)土體積可忽略，計(jì)算沉船結(jié)構(gòu)所受的提升力，吸附力仿真計(jì)算時(shí)可對(duì)船體結(jié)構(gòu)做剛體無(wú)自重設(shè)定，不建立海水流體模型，此時(shí)計(jì)算出的提升力等于吸附力。在海土吸附力數(shù)值計(jì)算時(shí)進(jìn)行船體與海土接觸行為分析，設(shè)定吸附力數(shù)值計(jì)算模型的船體與海土的接觸投影面長(zhǎng)80 m，寬18 m，與現(xiàn)實(shí)情況下船體與海土的接觸面積相近。

以海土作為地基材料，主應(yīng)力的破壞影響較小，Mohr-Coulomb模型采用光滑的塑性流動(dòng)勢(shì)，線彈性和塑性模型結(jié)合使用，適用于單調(diào)載荷作用下的力學(xué)特性分析，選取Mohr-Coulomb模型作為土體的本構(gòu)屬性。

為了提高海土吸附力模擬分析的準(zhǔn)確性，設(shè)置海底土壤邊界可滿足無(wú)限空間結(jié)構(gòu)的效果，取值為長(zhǎng)400 m，寬400 m，高75 m。為了計(jì)算海土的極限吸附力，假定土體不發(fā)生膨脹，膨脹角設(shè)置為0°。

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，由于海底洋流對(duì)排開(kāi)海土的沖刷，典型沉船船體周邊排開(kāi)土體積可忽略，不考慮排開(kāi)海土的重力，為了單獨(dú)求得海土吸附力，不設(shè)置海水的浮力場(chǎng)，將船體自重設(shè)置為零，所以在仿真結(jié)果中求得的提升力與船體所受海土吸附力相等。通過(guò)船體和土體的材料性質(zhì)及參數(shù)分析，決定船體底部為主動(dòng)面，海土面為從動(dòng)面，根據(jù)材料屬性，摩擦系數(shù)為0.2的硬接觸方式。

在自重的影響下，土體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的疊加產(chǎn)生了地應(yīng)力，在地應(yīng)力的作用下會(huì)導(dǎo)致土體的位移，導(dǎo)致出現(xiàn)與原始狀態(tài)不一致的情況。因此,需要將計(jì)算過(guò)程中所得的應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)入ABAQUS的下一次計(jì)算中，與土體的外力平衡。平衡地應(yīng)力前后應(yīng)變及位移見(jiàn)圖2。

圖2 平衡地應(yīng)力前后應(yīng)變及位移云圖

由圖2可知，平衡地應(yīng)力前土體的內(nèi)力最大可達(dá)到2.565 MPa，土體發(fā)生了較大的位移，會(huì)導(dǎo)致在整個(gè)模擬分析過(guò)程中初始情況下對(duì)船體造成很大的向下的瞬態(tài)拉力。平衡地應(yīng)力以后，土體結(jié)構(gòu)間因?yàn)榀B加產(chǎn)生的應(yīng)力并沒(méi)有消失，但是通過(guò)力場(chǎng)的平衡，土體幾乎沒(méi)有位移，此次平衡效果較為良好，為后期計(jì)算做好了準(zhǔn)備。

2.3 理論計(jì)算公式與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

根據(jù)典型沉船實(shí)際情況，設(shè)定船體陷入海土底質(zhì)深度為0.5 m，船體的底部與泥面完全貼合，海土應(yīng)力及土位移形變見(jiàn)圖3。

圖3 海土應(yīng)力云圖及位移形變

由圖3可知，在沉船提升過(guò)程中，海土應(yīng)力出現(xiàn)極大值時(shí)，應(yīng)力以船底與海土接觸處為中心向外擴(kuò)散，最大應(yīng)力出現(xiàn)在船體周圍；由于沉船的提升方向?yàn)樨Q直向上，在沉船提升過(guò)程中，海土豎直方向上的位移變形所受影響較大，當(dāng)海土豎直方向位移變形出現(xiàn)極大值時(shí)，豎直方向最大位移變形出現(xiàn)在船底與海土接觸處。

船體浸沒(méi)深度0.5 m時(shí)船體吸附力隨位移的變化見(jiàn)圖4。

圖4 船體浸沒(méi)深度0.5 m時(shí)的船體位移-吸附力

由圖4可知，船體浸沒(méi)深度0.5 m時(shí)，船體吸附力在船體位移為0.4 m時(shí)達(dá)到最大，其最大吸附力為1.40×104kN。

將各參數(shù)數(shù)值代入公式(2)，S=6 kPa，A=960 m2，B=18 m，L=80 m，D=0.5，SR/SP=1。計(jì)算結(jié)果，海土吸附力產(chǎn)生的吸附力為1.82×104kN，通過(guò)對(duì)比，數(shù)值模擬結(jié)果與理論計(jì)算公式結(jié)果的誤差在25%以內(nèi)，且有限元計(jì)算中考慮了粘聚力和負(fù)孔隙水壓力，相對(duì)于太沙基修正公式來(lái)說(shuō)考慮的參數(shù)更為周全，結(jié)果更為真實(shí)，更具有實(shí)際工程意義。表明所建立的吸附力數(shù)值仿真模型較為可靠。

3 吸附力數(shù)值仿真分析

3.1 不同船體浸沒(méi)深度對(duì)吸附力的影響

離底過(guò)程中，船體的浸沒(méi)深度是影響提升力的要素之一，以0.01 m/s的速度提升沉船，設(shè)置三種工況，船體在海土的浸沒(méi)深度分別為0.2、0.5、0.8 m。不同船體浸沒(méi)深度下船體吸附力隨位移的變化見(jiàn)圖5。

圖5 不同船體浸沒(méi)深度下船體位移-吸附力

從圖5可見(jiàn)，浸沒(méi)深度越大，吸附力的峰值越高，并且達(dá)到峰值的位移越大，而在浸沒(méi)0.8 m深度的工況下，到達(dá)峰值后，海土發(fā)生軟化，吸附力開(kāi)始有下降趨勢(shì)，當(dāng)沉船提升至0.8 m后，海底黏性土層應(yīng)變突增，吸附力迅速下降，直至消失。而在浸沒(méi)0.2 m的工況下，吸附力在離底前過(guò)程中海土大部分時(shí)間處于彈性變形狀態(tài)，海土的軟化現(xiàn)象并不明顯，當(dāng)沉船提升至0.2 m后，海底黏性土層應(yīng)變突增，吸附力迅速下降，直至消失。而在浸沒(méi)0.5 m的工況下，到達(dá)峰值后，海土發(fā)生軟化，吸附力開(kāi)始下降，當(dāng)沉船提升至0.5 m后，海底黏性土層應(yīng)變突增，吸附力迅速下降，直至消失。

3.2 不同提升速度對(duì)吸附力的影響

在打撈過(guò)程中，離底速度對(duì)海土吸附力也有一定的影響。選取0.1、0.01、0.001 m/s的3種離底速度，不同提升速度下船體吸附力隨位移的變化見(jiàn)圖6。

圖6 不同提升速度下船體位移-吸附力

從圖6可見(jiàn)，當(dāng)速度為0.1 m/s時(shí)，在提升初始階段，吸附力的上升極為迅速，吸附力能在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，并且在提升至0.05 m時(shí)能夠達(dá)到峰值1.98×104kN，此后吸附力迅速下降，在提升至0.35 m處海土發(fā)生軟化，當(dāng)沉船提升至0.5 m后，海底黏性土層應(yīng)變突增，吸附力迅速下降，直至消失。而以0.01 m/s與0.001 m/s速度提升時(shí)，相較于0.1 m/s的工況更加平緩，當(dāng)提升至0.1 m時(shí)海土發(fā)生軟化，之后再趨于平緩，當(dāng)沉船提升至0.5 m后，海底粘性土層應(yīng)變突增，吸附力迅速下降，直至消失。而0.001 m/s的工況與0.01 m/s的工況曲線變化相近，但0.001 m/s的速度過(guò)慢。0.01 m/s的工況下其提升力峰值為1.43×104kN，0.001 m/s的工況下其提升力峰值為1.40×104kN，相比之下0.001 m/s的工況下吸附力的峰值更小。

經(jīng)過(guò)分析，0.1 m/s速度提升時(shí)，在提升初始階段的極短的時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大吸附力，而隨著負(fù)孔隙水壓力逐漸消失，吸附力急劇下降，吸附力開(kāi)始突變，之后由于海土的軟化，吸附力的變化趨于平緩，當(dāng)沉船提升至0.5 m后，海底黏性土層應(yīng)變突增，吸附力迅速下降，直至消失。0.01 m/s和0.001 m/s的工況下，提升力受負(fù)孔隙水壓力的影響很小，符合胡克定律，但是，0.001 m/s的工況與0.1 m/s的工況的吸附力變化趨勢(shì)相近。由此，當(dāng)陷入同一深度的情況下，提升速度越小，產(chǎn)生的負(fù)孔隙水壓力越小，其離底過(guò)程中吊索承受的負(fù)載越小，越加穩(wěn)定，更加安全，但當(dāng)速度降低到一定值后，區(qū)別并不明顯。所以，在進(jìn)行離底起吊作業(yè)時(shí)，在打撈時(shí)間允許的范圍內(nèi)，盡量要緩慢勻速。

3.3 勻、變速離底對(duì)吸附力的影響

假設(shè)船體陷入海底海土深度為0.5 m，通過(guò)對(duì)比勻速和定位移的變速離底不同打撈方式的工況下吸附力的變化。選取以0.01 m/s的勻速離底方式和定位移的變速離底方式進(jìn)行比較，見(jiàn)圖7。

圖7 勻、變速提升下船體位移-吸附力

從圖7可見(jiàn)，相比于勻速工況，定位移變速打撈的過(guò)程中，速度隨著時(shí)間的推移由小變大。在勻速打撈的過(guò)程中，在起吊初期處海土處于彈性變形階段，吸附力近似地呈線性的趨勢(shì)上升，當(dāng)大約提升至0.1 m處，提升力的上升速度開(kāi)始減緩，此時(shí)在拉伸力的作用下海土發(fā)生軟化，此后吸附力近乎平緩地上升，當(dāng)沉船提升至0.5 m后，海底黏性土層應(yīng)變突增，吸附力迅速下降，直至消失。在定位移變速打撈的過(guò)程中，打撈初期吸附力相較于勻速工況下更加平穩(wěn)，約在上升至0.4 m處，海土發(fā)生軟化，趨于平緩，當(dāng)沉船提升至0.5 m后，海底黏性土層應(yīng)變突增，吸附力迅速下降，直至消失。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的打撈工況下，其提升力的峰值均為1.41×104kN，但勻速工況下吸附力的變化相對(duì)于定位移工況更加穩(wěn)定；而定位移工況下，整個(gè)提升過(guò)程中克服吸附力做的功較少，更為節(jié)能。結(jié)果表明，打撈方式對(duì)吸附力峰值的影響并不大，但是對(duì)整個(gè)打撈過(guò)程中的吸附力變化趨勢(shì)影響較大，為了更安全地完成離底過(guò)程，勻速打撈的方式更為穩(wěn)定。

4 結(jié)論

1)在同一提升速度下，沉船入泥深度對(duì)吸附力峰值會(huì)產(chǎn)生明顯的影響，吸附力隨入泥深度的增加而增加，浸沒(méi)深度越大，吸附力的峰值越高。

2)在相同浸沒(méi)深度下，當(dāng)船體勻速離底時(shí)，吸附力變化趨勢(shì)單一，打撈過(guò)程穩(wěn)定；非勻速離底時(shí)，吸附力變化復(fù)雜，打撈過(guò)程不穩(wěn)定；但兩種離底方式的吸附力峰值相近，不受離底方式的影響。

3)在相同浸沒(méi)深度下，在沉船離底初始階段，海土負(fù)孔隙壓力與選定的3種提升速度成正相關(guān)，而吸附力會(huì)隨提升速度的增大有一定的增大。

4)打撈方式對(duì)吸附力峰值的影響并不大，但是對(duì)整個(gè)打撈過(guò)程中的吸附力變化趨勢(shì)影響較大，為了更安全地完成離底過(guò)程，應(yīng)選擇采用緩慢勻速打撈的方式。