吸力锚的抗拔承载力分析

1、吸力锚的抗拔承载力分析苗笛(天津港(集团有限公司,天津300461摘要:研究的目标及主要手段是在文献调研的基础上,对现有针对吸力锚的承载力分析方法进行汇总、总结和归纳。通过吸力锚在粘土和砂土2种不同土质中的破坏形式,以及其受力状态的实例分析,提出新的承载力分析方法,能够反映一些主要的影响因素,并力求在已有基础上能有所改进。关键词:吸力锚;负压锚;抗拔承载力;桶型基础;粘土中图分类号:U653.2;TU432文献标志码:B文章编号:1004-9592(200905-0042-04Analysis on Pull -out Capacity of Suction AnchorMiao Di(Tia

2、njin Port (Group Co .,L td .,Tianjin 300461,China Abstract :The main object and method studied is summarizing the analyzing ways of carrying capacity on suction anchor on the basis of researching concerned literatures.A new analyzing method of carrying capacity is put forward through the analysis on

3、 suction anchor s failure modes in clay and sandy soil in order to make some improvements on the existing basis.The new method can reflect some main affecting factors.Key words :suction anchor ;vacuum anchor ;pull -out capacity ;bucket foundation ;clay收稿日期:2009-04-16修回日期:2009-08-26作者简介:苗笛(1982-,男,助理

4、工程师,现从事港口计划财务管理工作。吸力锚为顶端封闭、下端敞开的倒置桶状或倒置杯状,沉放安装比较特殊,主要机理是负压原理1。吸力锚所依靠的“负压”仅在沉锚过程中实现,沉锚完成后,“负压”即消失。这时的吸力锚实际上就如同常规的埋入式短桩,依靠周围土体的抗力提供锚固能力,这是一般吸力锚的工作原理。但正是这一特殊的沉锚施工方法,使吸力锚具有桩式锚的特点,而无需后者所要求的调用代价高昂的海上打桩设备和较长的海上作业时间1,2。我国渤海及南海北部湾的广阔水域都分布着大量的软粘土,这些软粘土具有高含水量、低渗透性、高压缩性、抗剪强度低等特性,并且分布层很厚。在这些地区修建工程建筑物,大多要对土层进行处理或

5、采用桩基础,这时桩基础必须穿透整个软粘土层,从而工程量很大,投资巨大,施工时间长3。吸力锚及桶型基础作为一种新型锚泊和基础形式,可适用于软粘土等各种非岩性土,具有强大的技术优势和良好的经济性。1承载力分析1.1抗拔承载力分析计算吸力锚的抗拔承载力需通过钻探手段确定各土层沿深度变化的抗剪强度剖面,此剖面应包括岩土层划分、各土层的水下重度、粘性土的不排水抗剪强度c 、砂性土的内摩擦角等。这些参数应根据野外工程地质钻探、现场鉴定、原位测试(SPT 实验及室内土工试验结果确定,并根据不同土质和破坏方式选取不同的受力分析和计算模型,进而确定吸力锚抗拔承载力。1.2水平承载力分析吸力锚在工作当中,由于缆绳

6、和水平面有1个夹角,因此,其不仅受到向上的上拔力,还受到水平作用的水平力和由此而产生的弯矩。吸力锚在不同的水平外力和弯矩组合作用下,会形成不同的破坏面,即,吸力锚受到的外荷载不同,其破坏模式也会有所不同3。根据一些水平力试验报告结果,吸力锚桶体在承受水平力时,主动区桶体外侧产生的抗力较小,被港工技术Port Engineering Technology第46卷第5期2009年10月总第190期Vol.46No.5Oct.2009Total 190动区产生的土抗力较大,即抵抗桶体变位的土体抗力主要来自被动区土体。随着外荷载的逐渐增加,主动区上部土体抗力由零逐渐变为负值,下部土体抗力逐渐增大;而被

7、动区上部土体抗力逐渐增大,下部土体抗力有减小的趋势。这说明在水平外力及弯矩的作用下,其主要运动形式是转动;从总体分布来看,被动区的土体抗力分布呈抛物线型3。主、被动区土压力合并简化后,其计算示意,见图 1。从图1可知,桶体底部的剪应力,可表示为T 0=D 2c /4;(1桶体侧面正向极限土抗力分布2,可表示为p (z =3c +z+Jcz /D 。(2式中为土的有效重度;z 为泥面下深度;c 为土的不排水抗剪强度;D 为桶体直径;J 为试验常数,J =0.250.5。桶体在这些力的作用下将围绕O 点(假定位于轴线上旋转。旋转中心O 的位置,由力矩平衡条件求得,可写成2T 0L +M 0+L a

8、乙p (z (z +s d (z -a乙p (z (z +s d (z =0;(3由式(3求出a 后,依据水平力平衡条件得到吸力锚的水平锚固能力F 2,可写成F =a 0乙p (z d (z -La乙p (z d (z -T。(41.3沉贯阻力分析吸力锚等桶形基础着底后的沉贯分为2个阶段。第1阶段(自重沉贯阶段,桶形基础为一顶端封闭、下端敞开的钢质或混凝土桶,平放于海底并靠锚的自重使锚桶下缘嵌入土中2,4;第2阶段(负压沉贯阶段,在形成锚桶内水体的封闭状态后,借助设置在顶端锚盖上的潜水泵向外抽水,并使同一时间内抽出的水量超过自底部渗入的水量,造成锚桶内部压力降低。当锚桶内、外压差作用及在锚盖上

9、的垂直向下的压力超过海底泥土对锚的阻力时,锚桶即可不断被压入土中,直至锚盖地面与海底接触时沉锚终止1,2,4。桶形基础的沉贯阻力,由桶裙壁与土的摩擦阻力和桶裙端阻力组成。以某公司用12根负压锚对油轮进行系泊时所用的SIPM 经验公式为例,阐述沉贯阻力的计算思路。SIPM 经验公式可表示为R =D 2k fh 0乙f d (z +k p q ch乙乙t 。(5式中D 为桶形基础直径;k f 为相对裙壁摩擦力的经验系数;f 为探触测得的局部摩擦力;h 为沉贯深度;k p 为q c 相对裙端阻力的经验系数;q ch 为指定地点的平均触探锥尖阻力;t 为裙端厚度(土体的测量结果最好是原位触探结果。但是

10、,一些试验结果表明,实际的沉贯阻力要比计算所需的贯入力小的多,计算结果偏于保守。具体原因分析如下:1由于桶基内的砂土可能液化,因此,可能减小桶裙内壁摩擦阻力;2在粘土中,通过涂抹减阻剂,可以减小桶裙内壁摩擦阻力;3在负压沉贯阶段,桶基端部和外壁阻力,因为负压造成的渗流和孔隙压力降低的原因而明显减小。对于不同的土质、负压、直径、沉贯速度和深度,负压对阻力减小的影响存在较大差距。基于以上因素,提出一种改进后的加权综合估算公式,其具有一定的灵活性,可以通过选用适当的系数值,来满足不同的土质和工程实际的计算需要。改进后的加权综合估算公式为R =D (D e +D i h乙(k fe+k fik fs

11、q c(z d (z +(D e 2+D i 2k p k ps q c (h 4。(6式中q c (z 为CPT 实验贯入阻力;D e 为桶形基础外径;D i 为桶形基础内径;k fe 为裙外壁摩擦力相对经验系数;k fi 为裙内壁摩擦力相对经验系数;k fs 为负压对裙壁摩擦力的影响系数;k p 为裙端阻力相对q c (z 的经验系数;k ps 为负压对裙端阻力的影响系数;z 为海底下裙壁各处深度;h 为裙壁插入深度。2计算分析及方法比较2.1砂土中的计算实例及比较2.1.1计算实例砂土有效内摩擦角=32,比重S =15.94kN/m 3,浮重度=5.81kN/m 3,桶型基础直径为3m

12、,有效工作长度为2.8m 。1极限平衡法采用极限平衡法,抗拔承载力F=W p +T e +T i 。其中:负压锚桶裙外壁与土的摩擦力T e =0.1L 2P ;负压锚图1水平承载力计算简化示意从表1和表2可以看出:用基于有限元分析的简化法计算结果普遍大于极限平衡法的结果;吸力锚长度L 与直径D 比越大,两者的差别越大,在L /D 接近1.0时,两者的结果相近。经分析,基于有限元分析的简化法的式(7,其水平荷载条件为0;如果水平荷载不为0,则其表达式为V V 000=1+1.2H H D 00-2.2HH D002。(8式中V 为斜向承载力竖直分量;V 0为竖直承载力;H为斜向承载力水平分量;H

13、 D 为水平承载力。根据式(8,竖直承载力与水平承载力的关系曲线,见图2。从图2中可以看出,当水平承载力达到其最大值的1/2以后,竖直抗拔承载力会减小到比仅有竖直荷载时小;当水平承载力达到最大值的80%后,竖直抗拔承载力会下降1/2以上(本例没有水平力故可直接用式(7计算。对于极限平衡法,当土达到其剪切强度时,则认为达到极限平衡状态;而基于有限元分析的简化法参考的是有限元分析,考虑土的弹塑性,在达到剪切强度后并不是最终承载力,最终破坏前塑性区还有1个延伸过程,承载力此时还会有一定增大。这也会导致后者的承载力计算结果大于前者。2.2粘土中的计算实例及分析2.2.1计算实例海底饱和粘土的有效内摩擦

14、角=0,粘聚力c =6.2kPa ,比重S =14.35kN/m 3,浮重度=4.22kN/m 3,桶型基础直径为7m ,有效工作长度为8m ,工作水深设定为40m 。1假设局部剪切失效对于局部剪切失效模式,抗拔能力计算公式,可表示为F =W P +F e -F i +T e +T i -T n 。(9式中W P 为负压锚重量;F i =w gh 2A si 、F e =w gh 1A se 分别为负压锚内、外顶部所受的静水压力;T i =C A si 、T e =C A se 分别为负压锚桶裙内、外壁与土的摩擦力,为粘滞力系数,粘土一般可取0.36,C 为粘土的平均不排水剪切强度;T n =

15、tip (A e -A i 为负压锚桶裙底端部所受水压力,其值近似为0,忽略不计,tip 为负压锚桶裙端部孔隙水压力。由于结构顶部比较薄,因此F e F i ;又由于=0,粘土抗剪强度C z =z tan +c=c ,因此C =c =6.2kPa ;A si A se =DL 。代入式(9得F =784.9kN (不包括锚本身W p 重量。2假设局部张力失效对于局部张力失效模式,抗拔能力计算公式,可表示为F =W P +W s +F e +T e +T s -T n 。(10式中W s 为负压锚中土塞重量;T s =i A i 为负压锚内土塞底部极限张力;其它参数同前。经计算W s =1272

16、.6kN ;T e =392.5kN ;T s =238.5桶内壁与土的摩擦力T i =AL-A 2k t P-exp-k t LP A 00,k t =0.11,A 为吸力锚截面积。代入数据得T e =42.0kN ,T i =196kN ,故抗拔承载力F=336kN (不包括锚本身W p 的重量。2基于有限元分析的简化法假定水平荷载为0,且不考虑土的膨胀性和初始应力状态影响,其计算公式为V 0(准=4.26L /00d 0.75A vbottom tan 准。(7式中吸力锚底部的竖向有效应力vbottom =L ;准为土的内摩擦角;L /d 为吸力锚的高径比。代入数据得抗拔承载力V 0=2

17、84kN (不包括锚本身W p 的重量。2种结果有一些差别,基于有限元分析的简化法略小,约小16%。2.1.2方法比较为了全面比较以上2种方法,在土质参数及自然条件不变的情况下,采用2种方法对不同尺寸组合的计算结果进行比较,见表1和表2。表1极限平衡法抗拔承载力计算结果吸力锚长度/m3m 直径时抗拔承载力/kN 4m 直径时抗拔承载力/kN 5m 直径时抗拔承载力/kN6547.71021.01738.17642.91150.21902.68748.71297.42090.5表2基于有限元分析的简化法抗拔承载力计算结果吸力锚长度/m3m 直径时抗拔承载力/kN 4m 直径时抗拔承载力/kN 5

18、m 直径时抗拔承载力/kN61078.61545.52042.671412.62024.02675.181784.62556.83379.4图2 竖直承载力与水平承载力关系kN;F e=15078.3kN;F=16981.9kN(不包括锚本身W p重量。3假设大范围剪切失效大范围剪切失效按照反向承载失效理论,抗拔能力的计算公式,可表示为4F=W p+W s+F e+T e(NC-qA i。(11式中N为承载能力因子,对于负压锚,因其直径比较大,一般取6;q为负压锚裙端部土总应力;其它参数同前。在产生最大抗拔能力时,负压锚内粘土土塞的垂向平衡方程4,可表示为-p top A i+CA si=W

19、s+(NC-qA i。(12式中-p top为负压锚桶腔顶部土孔隙压力;其它参数同前。现分别取海床面处静水压力的1/5(78.4kPa、1/10(39.2kPa、1/20(19.6kPa进行计算,得(NC-qA i分别为2740.0、1232.2、753.9kN。其它参数W s=1272.6kN;T e=392.5kN;F e=15586.4 kN,代入式(12计算得F分别为21991.5、20483.7、20005.4kN。2.2.2计算分析3种失效方式的抗拔承载力逐个递增,符合理论分析,因为发生3种失效模式的难度也在逐个递增。但是局部张力、大范围剪切失效抗拔承载力的计算结果,比局部剪切失效

20、的抗拔承载力大许多,这是由于后2种失效模式考虑了负压作用的结果。笔者认为将其简化等于F e=w gh1A se(锚外水压力是不合理的。从计算过程中看,增大的大部分由F e产生,水深越大,局部张力、大范围剪切失效的抗拔承载力增加的就越多。4结语对吸力锚抗拔承载力的研究,根据土质不同分为粘土和砂土2个方面。在不同的土质中,由于吸力锚的破坏方式和抗拔承载力的计算均不相同,因此,在计算前首先要判断工程所在地的土质,以便选取相应的计算方法。通过对课题的调研、计算和思考,得到一些初步的结论如下:1在砂土中的2种计算方法首先,从参数上看,极限平衡法仅考虑土的浮重度、锚的埋深L、直径D3个参数;而基于有限元分

21、析的简化法,不仅考虑以上3个参数,还考虑土的内摩擦角,从这点来讲,后者应更加全面一些。其次,从计算过程上看,极限平衡法对直径的敏感性要大于埋深,受直径的影响较小,这可归结于T i的第2项-A2k t P-exp-k t LP!#$随着埋深L的增大反而减小,并直接导致埋深与直径的比(L/D越大,因此,极限平衡法比基于有限元的简化法的计算结果小的越多。第三,实际工程中,荷载大都是倾斜的。极限平衡法仅考虑有竖直荷载作用的情况,而水平荷载对抗拔承载力的影响无法估计;基于有限元分析的简化法考虑水荷载的影响,并提出相关计算公式,得到竖直和水平承载力的关系曲线。笔者认为基于有限元的简化法利用有限元(考虑土的弹塑性,并参考工程实例的计算