（岩土工程专业论文）软土中吸力锚承载力分析.pdf

摘要 随着油气开采水深的逐步增加，海洋平台的形式在发生变化，与之相适应的 基础形式也在发生变化。由于吸力锚具有不需要预拉，费用经济、方便施工、可 重复利用等特点，在深海工程得到广泛应用。吸力锚是一种大直径圆柱薄壳结构， 顶端封闭，它的外形为倒扣入海底的薄壁混凝土或钢桶，依靠自重与吸力的作用 贯入海床。 由风、波和流引起的荷载加载时间相对于排水时间较短，吸力锚的工作状态 为不排水状态。根据锚链形式的不同吸力锚的所受荷载可分为水平荷载、竖向荷 载和倾斜荷载。自1 9 7 0 年以来，国内外许多学者运用模型实验、极限分析和有 限元等方法对吸力锚的承载力进行了分析。 本文首先对吸力贯入过程中所需吸力进行有限元分析，得到不同贯入深度所 需的吸力大小；考察吸力锚在吸力贯入的破坏模式，与工程简化计算公式求得的 结果进行了比较，并考虑了侧壁土体强度折减对破坏模式的影响。建立吸力锚抗 拔承载力分析的有限元模型，利用三维有限元分析长径比分别为1 5 、3 、4 5 和 6 的吸力锚在不排水的粘性土中的承载力，并绘制承载力包络图。有限元分析中 考虑了土质变化、侧壁强度折减、主动土压力区是否开裂对承载力的影响，通过 计算得到不同荷载作用下，吸力锚的最佳受载点。利用a u b e n y 提出的简化上限 法计算吸力锚的抗拔承载力，考虑侧壁强度折减，主动土压力区是否丌裂以及加 载点位置对承载力的影响，并将简化计算方法得到的结果与有限元结果进行了比 较。 得到的主要结论有：( 1 ) 在吸力贯入阶段，土体的破坏模式取决于贯入所需 吸力与最大允许吸力的大小，而它们的大小又与侧壁土体强度和吸力锚的埋深有 关；( 2 ) 对于不排水强度随深度线性变化的情况，吸力锚的最佳受载点深度均在 距吸力锚顶面约0 7 的位置，与吸力锚的长径比和所加荷载的角度无关；( 3 ) 承载力包络图为近似的双曲线，随着长径比的增加相互作用荷载角度逐渐减小； ( 4 ) 侧壁强度折减对承载力包络图的形状没有影响，只是影响包络图的大小； ( 5 ) 是否允许主动土压力区与吸力锚开裂对竖向承载力没有影响，而对水平承 载力影响较大，尤其是在超固结土中；( 6 ) 简化上限分析法与有限元计算得到的 结果吻合较好。 关键词：软土地基；粘土；吸力锚；倾斜荷载；极限承载力；有限元分析；极限 分析 a b s t r a c t a se x p l o r a t i o na n dp r o d u c t i o no fh y d r o c a r b o nr e s o u r c ep r o g r e s s e si n t oi n c r e a s i n g l yd e e pw a t e r s ， t r a d i t i o n a ls t r u c t u r e sa l eb e i n gr e p l a c e db yf l o a t i n gs y s t e m sf o re x p l o r a t i o na n dp r o d u c t i o n s u c h s t r u c t u r e sr e q u i r e de c o n o m i c a la n dr e l i a b l ea n c h o r a g es y s t e m s s u c t i o na n c h o ri sa m o n gt h em o s t p r o m i s i n go fs u c ha n c h o r a g es y s t e m s s u c t i o na n c h o r sa r el a r g e ，v e r t i c a lp i p e s ，c l o s e da tt h et o pa n d o p e na tt h eb o t t o m 1 1 1 e ya c ei n s t a l l e db yp r e s s u r ed r a w d o w nw i t h i nt h ec y l i n d e r , r e f e r r e dt oa s s u c t i o n ，a f t e rp a r t i a lp e n e t r a t i o no ft h ec y l i n d e rd u et oi t sd e a dw e i g h t t h e r ea r et h ef o l l o w i n g a d v a n t a g e st os e l e c tt h es u c t i o na n c h o r s ：( a ) f i x e dl o c a t i o no ns e a b e dw h i c hi si m p o r t a n ti nc o n g e s t e d s u b s e ad e v e l o p m e n l ( b ) s i m p l ei n s t a l l a t i o np r o c e d u r e sw i t hn on e e df o rp r o o fl o a dt e s t i n ga tt h es i t e ， ( c ) t h e r ei sn op a r t i c l el i m i t a t i o ni nw a t e rd e p t ho ri n s t a l l a t i o n , ( d ) r e a s o n a b l yw e l l - e s t a b l i s h e dd e s i g n m e t h o d sc o m p a r e dt oo t h e rt y p e so f a n c h o r ，e v e nt h o u g hn os t a n d a r dc o d eo fp r a c t i c ei sy e ta v a i l a b l e g e n e r a l l y ，u n d r a i n e dc o n d i t i o n sa l er e l e v a n ti nt h ef i e l db e c a u s eo f t h en a t u r eo fl o a d sf r o mw a v e ， c u r r e n ta n dw i n d , t h a ta ler a p i d l ya p p l i e dr e l a t i v et ot h ed r a i n a g et i m e si nc o h e s i v es e a f l o o rs e d i m e n t s t h el o a d i n gd i r e c t i o n so nt h em o o r i n ga n c h o r sv a r yw i t hc o n c e p tf r o mp r i m a r i l yv e r t i c a lu p l i f tf o r c e f o rt h et e n s i o nl e gp l a t f o r m ( t l p ) ，t oh o r i z o n t a ll o a d i n gf o rac a t e n a r ym o o r e df l o a t i n gp r o d u c t i o n s y s t e m ，t oi n c l i n e dl o a d i n gf o rat a u tm o o r e ds p a r s i n c et h e19 7 0 s ，s e v e r a lr e s e a r c h e r sh a v ew o r k e dt o o b t a i nb e t t e ru n d e r s t a n d i n go fs u c t i o na n c h o rb e h a v i o rb ym e a n so ff i e l dt e s t s ，l a b o r a t o r yt e s t s ， a n a l y t i c a lm e t h o da n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s t h i st h e s i sc o n s i s t so ft h r e ep a r t s f i r s t l y , t h er e q u i r e du n d e r p r e s s u r eo fs u c t i o na n c h o ri n s t a l l e di n u n i f o r ms o f tg r o u n di sn u m e r i c a l l yc a l c u l a t e d , a n dt h er e s u l t sb yf e ma r ec o m p a r e dt ot h ep r e d i c t i o n b ys i m p l i f i e df o r m u l ai ne n g i n e e r i n g t h ee f f e c t so fa d h e s i o nf a c t o r so nt h eo u t s i d ea n di n s i d eo ft h e a n c h o ra l ea l s oc o n s i d e r e d s e c o n d l 5t h eu l t i m a t ec a p a c i t yo fs u c t i o na n c h o r si nn o r m a l l yc o n s o l i d a t e d a n dl i g h t l yo v e r c o n s o l i d a t e dc l a y si sn u m e r i c a l l yp r e d i c t e db yt h e3 一df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s e v e r a l p a r a m e t e r sa r ee x p l o r e di n c l u d i n gt h ea n c h o ra s p e c tr a t i o ，l o c a t i o no fl o a da t t a c h m e n tp o i n t , t h e i n t e r f a c ef r i c t i o n r a t i oa n dt h ef o r m a t i o no fac r a c k m a x i m u ma n c h o rc a p a c i t yi si n v e s t i g a t e df o ra r a n g eo fc o m b i n e dv e r t i c a la n dh o r i z o n t a ll o a d i n ga n dt h eo p t i m u mf a i l u r ee n v e l o p e sa l ep l o t t e d t h i r d l y , t h er e s u l t so fs i m p l i f i e du p p e rb o u n dm e t h o da l ec o m p a r e dw i t ht h ef m i t ee l e m e n tr e s u l t s d i s c u s s e dp r e v i o u s l y i ti sc o n c l u d e dt h a t ：( 1 ) t h ef a i l u r em e c h a n i s m so ft h es o i lc o n t a i ns l i d i n gf a i l u r ea n dr e v e r s e d b e a r i n gc a p a c i t y f a i l u r ei nc a s eo fp e n e t r a t i o nb yu n d e r p r e s s u r e ，w h i c hi sd e p e n d e do nt h es o i l r e s i s t a n c e ( 2 ) t h eo p t i m a lc e n t r el i n el o a d i n gd e p t hz ci sl a r g e l yi n d e p e n d e n to ft h e d i r e c t i o no f l o a d i n g i nt h i st h e s i si ti sa p p r o x i m a t e l yo 7l ( 3 ) f a i l u r ee n v e l o p e sf o rs u c t i o na n c h o r su n d e ri n c l i n e d l o a d i n gf o rv a r y i n gl e n g t ht od i a m e t e rr a t i oa r ed e s c r i b e db yas i m p l eh y p e r b o l ac u r v e ( 4 ) i n t e r f a c e f r i c t i o na f f e c t st h es i z eo ff a i l u r ee n v e l o p e ，b u tn o tt h es h a p e s ( 5 ) v e r t i c a lc a p a c i t yi sn o ta f f e c t e db y c r a c kf o r m a t i o nw h i l et h eh o r i z o n t a lc a p a c i t yi sc o n s i d e r a b l ya f f e c t e d ，e s p e c i a l l yf o ri n l i g h t l y o v e r c o n s o l i d a t e ds o i l s ( 6 ) r e s u l t so ft h es t u d yc o m p a r e sw e l l w i t he x i s t i n gs i m p l i f i e dm e t h o df o r e s t i m a t i n gl o a dc a p a c i t yo fs u c t i o nc a i s s o na n c h o r s k e yw o r d s ：s o f tf o u n d a t i o n , c l a y , s u c t i o nc a i s s o na n c h o r s ，i n c l i n e dl o a d ，u l t i m a t ec a p a c i t y , f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，l i m i ta n a l y s i s i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：斤巳恒晕 签字日期： 上。8 年石月吕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权逝江盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲代i 、基军 签字日期：2 0 0 8 年6 月 8 日 学位论文作者毕业后去向：工作 导师签名： 签字日期： 工觯位：上海袱删镰厨 螈 致谢 本文是在导师王立忠教授的悉心指导下完成的。从论文的选题到最后的定稿，字里行 间凝聚着导师的心血和汗水。在两年的学习和生活中，导师无论是在学业还是在生活上都 给予我巨大的帮助。导师渊博的专业知识、深厚的理论功底、踏实的治学作风、执着的敬 业精神、敏锐的思维能力使我受益匪浅。在论文完稿之际，在此衷心感谢恩师对我的关怀 和帮助，并表示我深深地敬意! 特别感谢胡亚元老师两年来给予的帮助与指导，王金昌老师在有限元计算方面的指 导。感谢课题组的师兄舒恒、师姐李玲玲和师兄但汉波在论文写作过程中给予的大力帮助 和指点。感谢课题组师兄弟潘冬子、沈恺伦、王秋生、缪成章、隋来才、国振、宋华、陈 永伟、王湛，以及张永刚、汪永新等对我提供的帮助和支持。 感谢3 2 8 室友柯海熬、粟弼国、刘超以及3 2 6 室的李金柱、王坤、曾晨和申文明，这 段畅快的日子必将是美好的回忆；感谢岩土0 6 硕士班的兄弟姐妹们，让我深深体会了在 求是园中学习生活的愉悦。 我还要特别感谢我的父母和姐姐，多年来，正是他们对我的生活和学习始终给予的最 大关心和支持，我才有机会继续深造学习。 最后，衷心感谢评阅我的硕士学位论文和出席论文答辩会的各位专家学者，感谢他们 在百忙之中给予的指导。 本论文得到了国家自然科学基金( n o 5 0 7 7 9 0 6 1 ) 的资助。 代恒军 2 0 0 8 年5 月于浙江大学 濒江犬学馁士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近几十年来人类赡油气资源的需求急刷增翻，使褥潍气的开采由陆地走斑近 海，进而尊到深海。目前近海工业对深海的定义为水深犬手4 0 0 m 的海域，随着 海洋油气的开采进入更深的水域，这一定义将被打破s 当今海洋石油开发区域主 要有北海，墨西哥海湾，澳大剩噩近海，南中国海，东海，渤海，南美洲附近海 域，印度泽，西非近海等( 见图1 1 ) ，冀中在巴西海域的油气开采活动所涉及 的水深已达3 0 0 0 m 。 图l j l 畿今世赛童要深水活动区 我匿拥有总长度约1 8 0 0 0 k m 的大陆海岸线与6 s 多个面积在5 m ? 以上盼 岛屿。在我国近海已发现的大海油气盆地有l o 个，它们是渤海盆地、北黄海盆 地、南黄海盆地、东海盆地、台湾西部盆地、南海珠江口盆地、琉东南盆地、北 部湾盆地、莺歌海盆地和台湾浅滩盆地；已探明鲍各种类型的储油构造4 0 0 多个。 2 0 0 7 年巾石油新发现的冀东南堡油疆位于河托省唐山市境内( 曹妃甸港区) ，地 质上为渤海湾盆地黄骅凹陷北部的南堡凹陷，褥中石油冀东油田公谣勘探开发范 圉。数据显示，冀东南堡油疆已发现四个含油构造，基本落实三级淮气地质储量 ( 警量) 1 0 2 亿魄，箕中探明储量4 0 5 够亿吨，控制储量2 9 8 3 4 亿吨，预测储 量2 0 2 1 7 亿吨，天然气地质储量折算浊当量1 1 1 6 3 亿吨。同年中海油在渤海湾、 北部湾等海域新发现lo 个油气田，其中9 个为自营油气蹬。 浙江火学嫒= ：l ：学位论文 第一謦绪论 我国的海底石油资源储量约占全毽石油资源储量的重o 一1 4 ；海底天然气 资源量约占全国天然气资源的2 5 3 4 碡南沙海域石油资源丰富，根据初步估 算石油可采量约为1 0 0 亿吨，其中7 0 在我困国界以内。海上油田有其特殊性， 石油会在海床下流动，早开发者会得益更多。 海上油气开采需要建造能适应恶劣海洋环境的各种海上石油平台。随着漓气 开采水深的逐步增加，海洋平台的形式也隧之发生变化( 凰i - 2 ) 。当水深大予 4 5 0 m 时，海洋中波浪的频率与传统的固定式海洋平台装置的固有频率比较接近， 容易形成共振。为了避免事故的发生，海洋平台逐渐由固定式平台转向固有频率 小于海洋波浪频率的浮式采油装置矗这些装置包括：柔性的桩塔结梅( c 】耀) 、 浮式采油系统( f p o s ) 、张力腿平台( t l p ) 、立撞式平台( s p a r ) 等，质置种是 通过锚链系统定位子海中。 图l 艺海上石镥平台静发展 与传统的海洋平台不阕，这些新海洋平台需要其基础能承受竖蔚和侧掏抗拔 先，：以及风、波、流弓l 起的各种荷载。常见的锚盼类型有：吸力锚( 吸力式沉箱) 、 拖拉式板锚、吸力式板锚、法向承力锚龟常见的锚泊系统如图l - 3 所示。 由于吸力锚具有不需要预控，费用经济、方便施工、可重复利用等特点在深 海工程得到广泛应用。1 9 8 1 年吸力锚首次成功运甩予欧洲北海的r m 油匿， 1 9 9 4 年9 月在渤海c f d l 每l 油田延长测试系统中，吸力锚在我国浅海首次运用 并取褥成功。1 9 9 9 年n g i 在美国墨西哥湾水深1 5 0 0 m 的d i a n a 工程施工中使甩 的吸力锚真径6 5 m ，长3 0 m ，设计单锚静极限拉力达1 5 0 0 t o n 。2 0 0 7 年世界上最 大的的吸力镞安装予波士顿近海，直径1 4 m ，嵩为l1 s i n ，重1 5 6 t o n 。吸力锚的 工作水深从4 0 m 到2 5 0 0 m ，甚至更深( 如表l ，l 所示) 。 2 游谯大学矮士学位论文第一肇绪论 a 撇式板锚；b - 吸力罐 e 罐力镂l 蕊镶桩 罄1 名霉呢的锚泊系统 袭1 吸力镒餮装捌耧1 1 水深编号赢径长度 名黻讶；年傍地点 两 n o 蛐 翻硒 g o r m ( s h e l 0 1 9 8 1 n o r t hs e a 4 0 1 23 。s8 5 g 滋f o f8 4 l i 8 n k o s s a 西l 玲 ：1 9 9 s 2 0 0 g u i n 魄4 4 。51 2 。5 ￥m 匿( s ) a t o i o l 眄5n o r t hs e al 寒57 h 粕魄岱黔 i 9 9 5n o r t hs e a1 1 08sl o n o m e ( s t a t o i l ) 1 9 粥n o r t hs e a3 5 0l q 24 9t 0 4 ，s a q u i l a ( a 鳓 1 9 9 7a d r i a t i c8 s o客l 色2 譬 n j o r d 1 9 9 7n o r t hs e a3 笕 1 2 4 9 7 ：9 - l o 0 隧o r s kh y d r o ) 3屯登7 1 0 m a r l i mf i g & p 2 6 1 9 9 7 o f f s h o r e7 7 0 - ( p e t r o b a s ) ? b r a z i l1 o 3 2 4 。61 3 。l w e s t o f s c h i e h a ! i i o n p ) 1 9 9 73 5 01 4色s1 2 s h e t l a n d s 51 2 6 c u r l e w ( s h e l l ) 1 9 9 ：n o r t h s e 嚣 9 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)2 0 0 21 6 5 095 52 6 2 2 7 7 m e x i c o g u l f o f n ak i k a ( s h e l l ) 2 0 0 21 9 2 01 64 32 3 8 m e x i c o w e n c h a n g 2 0 0 2 s o u t hc h i n a1 2 1 1 2 095 5 ( c n o o c ) s e a1 2 8 o f r s h o r e b a r r a c u d a ( p e t r o b r a s ) 2 0 0 38 2 51 851 6 5 b r a z i l o 佻h o r e c a r a t i n g a ( p e t r o b r a s ) 2 0 0 31 0 3 01 851 6 5 b r a z i l o 凰h o r e51 7 5 b o n g a ( s h e l ln i g e r i a ) 2 0 0 39 8 01 2 n i g e r i a 51 6 o 仟s h o r e3 51 8 b o n g a ( s h e l ln i g e r i a ) 2 0 0 39 4 39 n i g e r i a 3 51 6 g u l f o f r e d h a w k ( k e r r 2 0 0 31 6 0 085 52 2 9 m c g e e ) m e x i c o d e v i l st o w e rg u l f o f 2 0 0 31 7 0 095 83 4 8 ( d o m i n i o n ) m e x i c o g u l f o f h o s t e i n ( b p ) 2 0 0 31 2 8 01 65 53 8 4 m e x i c o s o u t hc h i n a 51 1 7 p a n y u ( c n o o c ) 2 0 0 31 0 59 s e a61 2 7 1 65 52 7 5 g u l f o f 46 42 3 8 t h u n d e rh o r s e ( b p ) 2 0 0 4 1 8 3 045 52 6 m e x i c o 3 3 41 9 2 3 42 0 g u l f o f m a dd o g ( b p )2 0 0 4 1 6 0 0 l l 7 31 4 6 m e x i c o g u l f o f a t l a n t i s ( b p ) 2 0 0 41 2n an a m e x i c o 4 游跹大学矮士学位论文第一章缋论 除了作为海上石渣平台的基础外，吸力式基础也广泛应甩予海上风力发嘏机 组的基础湖。海上风力发电开发主要集中在欧渊。欧洲海上风鲁研究开始予上 世纪靴年代t 丹麦、瑞典、荷兰、英国是最早进行海上风电开发的溪家。预计 封2 0 1 0 年垒球海上风电机组装机密餐为ll ，g w ，2 0 2 0 年为5 0 g w 。国外海上风 力发电技术圜鹅成熟，丽我国海上风电右刚刚开始起步。我国有着丰富的海上 风能资源，东部沿海水深2 m - 15 m 的海域面积辽阕，可耐用酶风能资源约慧陆上 盼3 倍，隧着海上风电场技术韵发展成熟重将来必然会成为重要盼珂持续畿源备 海上风力发瞧枫组盼基础的成本通常为总成本盼1 5 , r 4 0 ，因此冀基础的设计 是非常重要的。 1 2 壤为锚糍搅 吸力锚是一种天皇径豳柱簿壳鳍鞠( 知整l 所示) 分遗过锸链与上韶结拇 襁连。是一种顶郝有盏的钢捅形基础，有少量是由混凝土做成的，其长度五与童 径之比掰在的范围为和1 2 l 外径为3 。7 m ( 始终l - 5 所示) ，壁摩为2 5 - - q s m m ， 有时壁厚沿长度方献莛变化酶，为? 增加在安装过程中韵整体剐度，有时也在环 向和受游设置加强肋。 疆1 - 4 用乎m o 婚瞬地的吸力镶( s p m r 料i k , n g l ) 警 浙江人学硕- l ：学位论文第一章绪论 0 5 1 0 售1 5 毫 专 磊2 0 2 5 3 0 3 5 c 轴再瞄日，n 024681 01 21 41 e，a 2 0 图l 一5 吸力锚基础总结( b y m e 5 1 和t j e l t a 6 1 ) 吸力锚所受环境荷载主要可分为三种类型：永久静态荷载、低频荷载、高频 循环荷载。例如，由船体所受浮力引起的张拉荷载为永久静态荷载，均匀风和环 流引起的荷载为低频荷载，飓风和飓浪为高频荷载。不同类型的荷载有着不同的 周期，从而导致了不同的排水条件。因此不同类型的荷载有不同的分析类型，同 时也有不同的安全系数。吸力锚作为张力腿平台( t l p ) 的基础时，所受荷载主 要为准竖向。当其用于浮式采油系统( f p o s ) 时，由于锚链为悬链线状时，吸 力锚所受荷载为水平向。对于立柱式平台( s p a r ) ，其锚链为张紧状，吸力锚所 受荷载为倾斜向上的，与水平向角度在3 0 。到3 5 。之间。由于张紧状锚链系统 可节约锚链长度，所以在较深水域由一般选用张紧状锚链系统。因此吸力锚在倾 斜荷载下的工作状态的研究就显得越来越重要。 1 2 1 吸力锚的安装过程 吸力锚的安装过程分为两个阶段( 如图1 - 6 所示) ，第一阶段吸力锚靠自身 重力下沉，第二阶段是通过抽取吸力锚与土体之间封闭体中的气体或液体( 主动 吸力) ，降低封闭体中的压力，在吸力锚内外形成压力差，驱使吸力锚下沉就位。 6 瀚波大学糕。学位论文第囊绻沦 隧i - 6 瞬力缵黪躐爨过糕 h o u l s b y 等大( 2 鲻梦猢l 瓣嚷力锚在糕性莉其它矮串的安装过程避背了磅 究。在囱萋贯入过程串，赛穴阻力由璐下几个部分组戚：蹶力锚渴步s 镶l 壁的黼黎 力翻啜力锚簌都环形缘辫承载力。糟聚力濑计冀与桩榭糕黎力诗簿类似，引入一 个糟结系数，对体添摊求强度进行拆藏。褥对赢帮承载力游计算则依据标准 麓承载为计冀公式避行计算。啜力镶在国蘸下沉过程中抗力 ： _ + 冀公式为： y h a l , , + ( 嚣壤) 十蠢嫒群蠛琶) + 歹嗽+ 霸怒) 姆d t ) i - i ) 或中哦。谚帮d 努涮秀暇秀锚辨铡鲞径，滤铡童径和平均直径懿图l 一7 所 示xs u ，嫩为沿吸力锚燮天深度方惑不排瘩强凄的平均餐，s u ，印为吸力罐感郝 主体熬不攘承强囊a 骥。翻强分别为终侧壁和内铡壁熊牯缩系数，燧鬻瓶分剐为 熏载力系数，对于不摊水媾溅撼一l n 懋i - 7 暖力镶彝鬃安装示爨嬲 浙江人学硕上学位论文第一章绪论 吸力锚在自重安装过程完成后，其底部处于密封状态，这为主动吸力安装提 供了条件。假设相对于外部海水孔压其提供的吸力为s ，则此时吸力锚内部的绝对 水压为：仇+ y 。九一s 。其中九为水深，见为大气压，由于吸力导致吸力锚内外 水压不等，在吸力锚顶盖产生压力差，使吸力锚继续贯入。承载力由以下几部分 组成：外侧壁摩擦力、内侧壁摩擦力和锚端竖向承载力( 假定吸力锚侧壁的挤土 全部流向吸力锚内部，吸力将使锚端竖向承载力减小) 。由平衡条件可得： 矿+ j ( 等) = 施。毛。嘴协见) + 办a 。，苫( 兀d f ) + ( 7 h - s + s u , t , p c ) ( 7 r 历) ( 1 - 2 ) 从上式可以看出对于恒定的y ，若不排水强度随深度线性变化，则吸力为 贯入深度的二次函数。 如果吸力锚外部土体和内部土体竖向应力之差大于土体承载力时，吸力锚底 部土体将发生局部塑性破坏，吸力锚外部土体流入吸力锚内部，使得吸力锚不能 继续贯入，这种破坏叫反向承载力破坏。锚端深度处，内部土体的竖向应力较好 计算，如式( 1 3 ) 的左端所示，由吸力、自重和内侧壁摩擦力三项组成，而吸 力锚外部土体的竖向应力计算则较为困难，外侧壁摩擦力的影响区域不清楚，而 且影响也是不均匀的，假定在锚端深度处的影响区域为一圆环区域且应力增量均 匀，其中圆环内径和外径分别为见和d 。，则吸力锚外部土体锚端深度处的竖向 应力为式( 1 3 ) 右端的前二两项之和，锚端内外土体竖向应力之差大于土体的 承载力时，即式( 1 3 ) 成立时，将发生反向承载力破坏： 一s + y 7 办+ 三兰妻券= y7乃+磊ricd五。丽hotos,wm毛，印 ( - 3 ) 式中见为由外侧壁剪切力影响的土体区域的外径。矿为土体反向承载力系数。 由式( 1 3 ) 可求得吸力s ，代入式( 1 2 ) ，并简化得： + s c s u , t i p ( 孚m h a ( 删( 1 + 矗) + ( ? h + s 。s i p 哪加州1 - 4 ) 上式是关于h 的二次方程( 因为s 。嘴和屯朋与h 成线性关系) ，假定玩与h 的关系，解二次方程可以求得最终贯入深度。 1 2 2 吸力锚的工作状态 在吸力锚的工作状态，吸力同样也起着非常重要的作用。吸力锚在上拔力作 用下，其内部土体中产生超静孔压( 被动吸力) ，从而增加了其抗拔承载力，但 随着时间的增长，超静孔压会逐渐消散，吸力将会逐渐减弱。由于在粘性土的 瀵汽犬学鼷 ：攀位论文 第一鬻绻论 ( a ) 加载点位子最佳受载点，且荷载焦度小) 允许主动土压力区开裂( 其他条 ( 平动)件同a ) ( c ) 加载点位予最佳受载点，且荷载角度大( 由加载点位子吸力锚顶部( 其他条 ( 平动)件同e )( 平动伴随着转动破坏) ( c ) 加载点位子最佳受载点以下整向荷载( 卸荷破坏 ( 径向转动，大破坏蕊，履侧茏裂缝) 盈1 - 8 吸力锚静破坏模式( s p a r r e v i k , | 9 9 8 9 1 ) 9 浙江大学硕_ j j 学位论文第一章绪论 排水条件较差，孔压消散时间较长，而由风、波、流引起的荷载相对作用时白j 较 短，故可认为吸力锚在粘性土中的工作状态为不排水条件。 吸力锚承受倾斜上拔荷载时，当加载点位于最佳受载点，吸力锚只产生平动 ( 无转动) ，对于纯平动破坏由于加载角度的不同又分为竖向破坏和水平破坏。 当加载点位于最佳受载点以上时，吸力锚发生向前转动，反之则发生向后转动， 倾斜荷载作用下吸力锚的破坏模式见图1 8 。对于张力腿式的锚链系统，其荷载 角度与水平向夹角较大，因此对于这一类锚链系统，吸力锚的控制设计承载力一 般为竖向承载力。 吸力锚在竖向上拔荷载作用下的破坏模式有三种【1 0 】，如图1 - 9 所示，由于吸 力锚顶部和底部不同的排水条件，荷载作用的时间长短将导致不同的破坏模式。 当吸力锚顶部的排水孔打开，内部土塞在顶部和底部排水条件均较好，而导致了 滑移破坏模式。如果吸力锚上部密封的非常好，而且排水条件较差，吸力能到达 土塞底部，则会导致反向承载力破坏模式。如果土塞内部发生部分排水，导致土 塞底部被动吸力减少，土体发生受拉破坏，这种破坏模式界于第一种破坏模式和 第三种破坏模式之间。 l ! 1 a 滑移破坏 底部抗拉承载力 b 底部抗拉破坏 c 反向承载力破坏 图1 9 吸力锚在竖向荷载作用下的破坏模式 对于滑移破坏模式的竖向承载力由以下三部分计算得到：吸力锚浮重度 ( 7 ) 、内侧土体的摩擦力( q 川) 和外侧土体的摩擦力( q 删) 。 y = 形7 + q ，删+ q ，加，= 形7 + a 硎瓯，嘴4 + a 枷瓯，哪4 ，f 埘 ( 1 - 4 ) 式中，a 胁和0 盯，分别为内外侧界面粘结系数，瓯，哪为吸力锚深度范围内 的平均不排水强度，4 加和4 分别为内外侧壁面积。 对于第二种破坏模式的竖向承载力由以下四部分组成：吸力锚浮重度( ) 、 l o 浙江大学硕l ：学位论义第一章绪论 外侧壁摩擦力( q s 。蹦，) 、内部土塞的浮重度( 哪垤) 、吸力锚整个底部的抗拉 承载力( q ) 。 v = w t + q s 己埘+ w ：) i u g + q t = w t + 伐。n s 。? 卅g a s + w 二n g + a q t 0 - 5 ) 式中，彳为整个吸力锚底部面积 第三种破坏模式的竖向承载力则由以下三部分组成：吸力锚浮重度、外侧壁 摩擦力、整个吸力锚底部面积上的反向承载力。 y 2 形7 + q ，删+ q = w + 0 瓯，钟4 + s u , t i p n c a ( 1 - 6 ) 式中，m 为反向承载力系数。 反向承载力系数取决于土体的性质( 土体的剪切强度、渗透系数等) 、荷载 条件、测试方法、吸力锚相对埋深( 三佃) 和吸力锚侧壁摩粘结系数。许多学者 通过模型试验和离心机试验对反向承载力系数做过研究。f u g l s a n g 和 s t e e n s e n b a c h ( 1 9 9 1 ) 1 1 1j 建议，取值位于6 5 8 5 之间，而c l u k e y 和 m o r r i s o n ( 1 9 9 3 ) t 1 2 1 通过离心机试验得到，为1 1 ，r a n d o l p h 和h o u s e ( 2 0 0 2 ) 1 3 】通过 离心机试验考察了在单调荷载瞬时荷载、轴向循环荷载、长时间恒载情况下，的 取值，结果表明取值范围在9 1 1 4 6 之间。目前吸力锚承载力设计中对反向承载 力系数的取值还没有达成一致，一般按照求承载力系数相同的方法来计算反向承 载力系数。 吸力锚的抗拔承载力的影响因素很多，主要包括：荷载大小及角度，侧壁摩 擦力传递系数，锚眼位置，内部加劲肋，安装效应，反向承载力系数，持续荷载， 循环荷载，吸力锚外侧附近土体强度折减系数，软化系数，扭矩等的影响。 由于土体在吸力锚的安装过程中受到扰动，吸力锚的短期承载力会低于其极 限承载力。因此吸力锚在安装完成后的不同时间点，其承载力是有差别的。在安 装过程中，附近土体发生重塑，并有较高的超静孔隙水压力，而且距离吸力锚越 近，超静孔隙水压力越大。安装完成后水将流出扰动区域，向远处流动，土体将 产生固结。随着孔隙水压力的消耗，吸力锚的承载力将增加，这便是安装效应。 1 2 3 吸力锚岩土工程设计 一个典型的吸力锚岩土工程设计主要包括以下几步【1 4 】： ( 1 ) 地质条件说明和安装特性； 浙江人学硕上学位论文第一章绪论 ( 2 ) 确定控制荷载； ( 3 ) 计算锚眼位置吸力锚所受荷载大小及方向： ( 4 ) 计算吸力锚的承载力； ( 5 ) 估算自重贯入深度和安装过程中的抗力； ( 6 ) 计算安装过程中所需吸力和最大允许吸力； ( 7 ) 计算吸力锚拔出时所需的泵压力和最大允许泵压力； ( 8 ) 锚眼位置优化； ( 9 ) 吸力锚工作状态的三维有限元分析。 1 3 国内外研究现状 吸力锚的安装特性分析与极限承载力分析是吸力锚设计与分析中相当重要 的环节。自1 9 7 0 年来，国内外许多学者在这两方面做了研究【1 5 7 1 1 ，所采用的方 法主要可分为：现场或室内试验、极限分析方法和有限元分析方法。 1 3 i 现场或室内试验 h o g e r v o r s t ( 1 9 8 0 ) t 1 5 j 进行吸力锚的全尺度试验，试验中吸力锚直径为3 8 m ， 长度5 1 0 m ，场地的土质为砂性土和粘性土。试验是为了研究吸力锚的安装特性 和竖向及侧向抗拔承载力。这次试验为评价吸力锚工作状态承载力提供了依据， 并表明吸力锚通过吸力安装的方便性。 d y v i k 等( 1 9 9 3 ) t 1 6 j 进行了4 组吸力锚的小尺度现场试验。试验中吸力锚的直 径为0 8 7 m ，长度为0 8 2 m ，安装在北海的软粘土中，考虑了静载和循环荷载。 试验目的是比较测试数据和通过n g i 开发的重力式海洋平台基础设计分析程序 得到的数据( d y v i k 等，1 9 8 9a n da n d e r s e n 等，1 9 8 9 ) ，以此来检查程序的合理性。 结果试验数据与计算所得的数据吻合，验证了程序的合理性。 e 1 g h a r b a w y ( 1 9 9 8 ) 1 。7 】在重力场作用下通过模型试验考察了吸力在静载及循 环荷载作用下的工作性状及