黏土重力錨錨-土相互作用的模型試驗(yàn)研究

黏土重力錨錨-土相互作用的模型試驗(yàn)研究

0極限承載力研究中國(guó)南海擁有豐富的油氣資源，深水區(qū)域資源規(guī)模大于陸架和平盆地。國(guó)內(nèi)對(duì)平底重力錨和簡(jiǎn)單剪力鍵重力錨的承載性能和承載機(jī)理進(jìn)行了研究，大多采用有限元分析和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，為重力錨承載性能系統(tǒng)科學(xué)的研究起了一個(gè)良好的開端。李懷亮等國(guó)際上對(duì)重力錨的研究也相當(dāng)重視，許多學(xué)者采用有限元方法對(duì)其承載性能進(jìn)行了大量的研究。GOURVENEC在上述研究的基礎(chǔ)上，本文通過(guò)模型試驗(yàn)結(jié)合有限元分析的方法，重點(diǎn)對(duì)黏土中重力錨的極限承載力及作用機(jī)理進(jìn)行了分析。選取了2種不同類型的擁有復(fù)雜剪力鍵的重力錨為研究對(duì)象，在力學(xué)性質(zhì)各異的黏土上進(jìn)行承載力的模型試驗(yàn)，通過(guò)模型試驗(yàn)確定重力錨的水平承載力，分析其承載機(jī)理和貫入深度對(duì)承載性能的影響。1重力錨限制性能分析的理論基礎(chǔ)對(duì)于有剪力鍵或裙板的重力錨，在水平荷載作用下，由于剪力鍵或裙板設(shè)計(jì)的不同，破壞模式可分為3種1.1標(biāo)準(zhǔn)水平超載計(jì)算對(duì)于有剪力鍵或裙板的重力錨，其在黏土中的水平承載力式中：μ為錨底與土體的摩擦系數(shù)，μ=tanφ，其中φ為錨底土體內(nèi)摩擦角；W1.2相似準(zhǔn)則的確保根據(jù)規(guī)范計(jì)算公式可知，重力錨的極限承載力主要與錨在水下的重力、錨底面積、剪力鍵貫入深度、土的浮容重、土體內(nèi)摩擦角等物理量相關(guān)，因此必須確保以上物理量符合試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則。2模型試驗(yàn)2.1s型拉力傳感器試驗(yàn)裝置由試驗(yàn)箱、可調(diào)高度的加力裝置和拉力、位移傳感器構(gòu)成。傳感器型號(hào)分別為CYT-202S型拉力傳感器，量程0kg～100kg，精度0.05%;W-DCD200位移傳感器，量程0mm～200mm，精度0.3%。試驗(yàn)箱主體尺寸長(zhǎng)1.75m，寬60cm，土體均勻平整的填布在試驗(yàn)箱內(nèi)，裝有高度可調(diào)滑輪用于改變拉力的角度（0°、15°、30°、45°），見(jiàn)圖2。2.2重力錨模型根據(jù)重力錨的大小選取一定的縮尺比。重力錨的承載性能與重量與浮力的差值直接相關(guān)，因此設(shè)計(jì)重力錨模型的質(zhì)量與實(shí)體重力錨的重量與浮力的差值成相似關(guān)系。保持重力錨的縮尺比，通過(guò)減小配重質(zhì)量的方法來(lái)替代浮力效果。加載前錨模型應(yīng)在土體上靜置10min，用于消散孔隙水壓力。試驗(yàn)通過(guò)向加力水箱中緩慢加水實(shí)現(xiàn)對(duì)錨體的均勻線性增長(zhǎng)的加載，當(dāng)重力錨模型發(fā)生較大位移的劃動(dòng)時(shí)，認(rèn)定重力錨已經(jīng)發(fā)生走錨，停止加載，等待一段時(shí)間后卸除載荷。2.3制備1.2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)試驗(yàn)所用重力錨一共有2種錨型，均是工程中應(yīng)用錨型的等比例縮小模型，錨型1和錨型2縮尺比λ=1∶15，主尺寸分別為200mm×200mm×100mm和267mm×200mm×100mm，質(zhì)量分別為20.15kg和17.78kg。圖3為模型試驗(yàn)所用錨型試件，圖4和圖5分別為錨型1和錨型2按比尺縮小后的設(shè)計(jì)圖，其中錨型1的剪力鍵型式為斜圓柱形剪力鍵，錨型2的剪力鍵為斜圓柱形剪力鍵和刀把型剪力鍵的組合配置。2.4針對(duì)不同黏土深度的土壤條件的研究試驗(yàn)選取3種類型的黏土進(jìn)行試驗(yàn)，黏土為天然土樣。由于重力錨在黏土種的承載力主要與黏土不同深度處的剪切強(qiáng)度有關(guān)，測(cè)量黏土的密度，并通過(guò)土的直接剪切試驗(yàn)測(cè)定其影響剪切強(qiáng)度的內(nèi)摩擦角和粘聚力等土質(zhì)參數(shù)（見(jiàn)表1）。3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1支護(hù)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)過(guò)程重力錨在受到線性增大的水平拉力時(shí)，其在黏土中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可分為階段1（起始）、階段2、階段3、階段4（走錨）4個(gè)階段，圖6和圖7顯示了錨型1在黏土1中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。開始加力時(shí)，重力錨位移極小且變化速度緩慢；一段時(shí)間后，發(fā)生了側(cè)邊土體剪切破壞和前端壅土；剪切破壞和壅土量隨時(shí)間加劇到一定程度后不再增加；最后發(fā)生走錨，停止加力后重力錨推動(dòng)壅土仍然向前勻速滑動(dòng)。3.2錨土體滑動(dòng)面和剪切破壞形式圖8顯示了重力錨試驗(yàn)后觀察到的土體滑動(dòng)面范圍。圖9～圖11給出了重力錨試驗(yàn)后的土體變形圖，從圖中可看出重力錨在黏土中拉動(dòng)后土體主要發(fā)生了2種破壞形式。1）體整體上發(fā)生了滑動(dòng)破壞，錨體前半部接觸的土體發(fā)生了塌陷，錨前端形成了大量的壅土。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)土體滑動(dòng)面的范圍是從重力錨剪力鍵處開始，直到壅土的前端，寬度略大于錨寬。土體滑動(dòng)面不是與重力錨底面剪力鍵直接接觸的部分，而是在土體深層處。2）土體局部發(fā)生了部分剪切破壞。在剪力鍵處發(fā)生了剪切破壞，剪切面的方向基本垂直于錨長(zhǎng)方向；重力錨側(cè)邊的土體發(fā)生了剪切破壞，剪切面的方向與錨長(zhǎng)方向呈略小于45°的夾角。3.3水平承載破壞圖12顯示了重力錨在拉動(dòng)過(guò)程中的傾覆力矩與抗傾覆力矩計(jì)算模型，傾覆力矩M式中：T為重力錨作業(yè)時(shí)纜繩對(duì)其的拉力；A為拉力點(diǎn)到泥面的豎直距離；G為重力錨的重力；L為重力到支點(diǎn)的水平距離。當(dāng)傾覆力矩M錨型1相比于錨型2在水平承載過(guò)程中土體的變形較大且發(fā)生在更深層處，該現(xiàn)象發(fā)生的原因是：錨型1的抗傾覆力臂L較小，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中下陷程度較大。圖9～圖11也顯示出錨型1的剪切破壞相較于錨型2更為明顯。增大重力錨長(zhǎng)度能夠增加其抗傾覆力矩，從而防止其在土體中的下陷，但與此同時(shí)減小了錨體與土體的相互作用范圍，不利于重力錨的高承載性能。3.4不同黏土類型對(duì)重力錨啟動(dòng)的影響本文進(jìn)行了2種重力錨在3種黏土中的承載性能模型試驗(yàn)。其中，1號(hào)黏土粘聚力較大，內(nèi)摩擦角較??；2號(hào)黏土為取自南海海底的軟黏土，粘聚力和內(nèi)摩擦角均較??；3號(hào)黏土為內(nèi)摩擦角較大，粘聚力較小的黏土。試驗(yàn)共有18種工況，繪制出每種情況下的拉力-位移曲線，以確定重力錨的水平承載力，并分別以黏土類型和錨類型為主要自變量對(duì)其承載性能進(jìn)行分析，研究2種錨型對(duì)不同黏土中的適應(yīng)性。拉力-位移曲線對(duì)比見(jiàn)圖13和圖14，承載力大小的確定見(jiàn)表2～表7。如圖13所示，就試驗(yàn)中3種黏土而言，改變黏土內(nèi)摩擦角和粘聚力對(duì)重力錨的水平承載力大小影響很大。其中，內(nèi)摩擦角為影響重力錨承載力大小的主要因素，3號(hào)黏土中1號(hào)錨型的承載力相比其在2號(hào)黏土中的承載力增幅超過(guò)100%。但改變黏土類型對(duì)2種重力錨的啟動(dòng)位移基本沒(méi)有影響，1號(hào)錨型和2號(hào)錨型的啟動(dòng)位移分別在11mm和9.5mm左右。說(shuō)明本文試驗(yàn)用重力錨在不同類型黏土中主要改變的是承載力的大小，承載機(jī)理沒(méi)有發(fā)生明顯變化，其在各類型黏土中有較好的適應(yīng)性。圖14顯示了3種黏土中1號(hào)錨型和2號(hào)錨型拉力-位移曲線的對(duì)比情況，其中縱坐標(biāo)為拉力與錨重的比值，反映了單位錨重下重力錨水平承載力的大小。由圖14可知，在粘聚力較大的1號(hào)黏土中，1號(hào)錨型水平承載力與錨重的比值高于2號(hào)錨型；在粘聚力較小的2號(hào)黏土和3號(hào)黏土中，1號(hào)錨型和2號(hào)錨型的水平承載力與錨重的比值基本相等。因此1號(hào)錨型對(duì)于黏土的適應(yīng)性略優(yōu)于2號(hào)錨型。同時(shí)1號(hào)錨型的啟動(dòng)位移在各種黏土中均大于2號(hào)錨型的啟動(dòng)位移，此現(xiàn)象可能是1號(hào)錨型下陷程度較大，與土體相互作用范圍更大所導(dǎo)致。圖15為不同拉力角度下1號(hào)錨型和2號(hào)錨型的拉力-位移曲線的對(duì)比情況。由圖15可知，增大拉力的角度使重力錨更容易發(fā)生滑動(dòng)，降低其承載性能，在拉力角度為45°時(shí)承載力明顯下降，如2號(hào)錨型在45°拉力角度時(shí)已經(jīng)不能有效的提供水平承載力。1號(hào)錨型和2號(hào)錨型在拉力角度為30°和15°時(shí)，水平承載力大小相近。因此，當(dāng)系纜與重力錨角度為15°～30°之間時(shí)都能夠保證實(shí)際工程中的承載力需求。4元比較分析4.1單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格基于有限元軟件計(jì)算試驗(yàn)用重力錨原型的承載力。選擇了實(shí)體Solid分別建立重力錨和土體模型，采用C3D10單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格。本文選取1號(hào)錨型和2號(hào)錨型在3號(hào)黏土的工況下進(jìn)行數(shù)值模擬分析，1號(hào)錨型的長(zhǎng)、寬均為3m，高1.5m，質(zhì)量為80t，計(jì)算得到在密度為1025kg/m4.2有限元土體變形剖面從表8可知，1號(hào)錨型和3號(hào)黏土工況下的模型試驗(yàn)結(jié)果為承載力/錨重=0.86，有限元計(jì)算結(jié)果為承載力/錨重=0.83，兩者相差4.0%。圖18為有限元結(jié)果土體變形剖面圖，由圖18可知土體深處發(fā)生變形，證明滑動(dòng)破壞的存在，并且滑動(dòng)面不在錨土接觸面，而在土體內(nèi)部。圖19為重力錨有限元模擬后的土體變形圖，圖19顯示出有限元計(jì)算結(jié)果的重力錨運(yùn)動(dòng)過(guò)程后土體的變形位置與模型試驗(yàn)一致。5土體抗拉力學(xué)分析本文通過(guò)開展重力錨在黏土上的水平承載模型試驗(yàn)，針對(duì)2種錨型在18種工況下的試驗(yàn)結(jié)果。主要結(jié)論為：1）分析重力錨的承載機(jī)理，發(fā)現(xiàn)其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中土體的主要破壞形式為整體的滑動(dòng)破壞和局部的剪切破壞，且發(fā)生順序?yàn)橄燃羟衅茐?，后發(fā)生滑動(dòng)。大致分析了剪切破壞面和滑動(dòng)面的位置，其發(fā)生破壞的位置不僅限于土體與錨接觸的土層，在深度和寬度方向都有一定的延伸。2）本文中采用的有限元建模方法能夠有效測(cè)定重力錨在拉力角度為0°時(shí)的水平承載力，誤差在4.0%以內(nèi)；由于有限元模型為靜力學(xué)問(wèn)題，而實(shí)際上重力錨存在一定的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，有限元法計(jì)算重力錨發(fā)生啟動(dòng)時(shí)的位移一般小于