成层土中吸力锚最优加载点位置研究

成层土中吸力锚最优加载点位置研究

资源开发对于国家的工业发展越来越重要。中国东部海域和南部海域积累了大量的油气资源。海上平台作为主要的石油和天然气资源获取设备，其安全性和稳定性非常重要。吸力锚作为一种便捷、合理的基本形式，广泛应用于海上工程中，尤其是海上动机和海上平台。服务期间的稳定性是确保上部结构正常运行的重要因素。海上浮式、半浮式和海上平台通过锚链连接，海洋环境恶化，结构物质长期受到风、浪、水流等负荷的影响。在复杂的循环负荷条件下，除了重量之外，吸力井的基础不仅受到重量的影响，而且受到影响的水平和弯曲过载。中国大部分海域的海床都是软土。因此，分析硬土层中的支撑特征是设计的基础。在荷载作用下，若吸力锚只发生平动，则吸力锚发挥出最佳的承载能力，此时吸力锚与锚链的连接点为最优系泊点，最优系泊点所在水平面与吸力锚中心轴线的交点为最优加载点.海床情况复杂，吸力锚的穿透深度内可能存在性质差异较大的软土层.Ahn等在此基础上，本研究使用有限元软件ABAQUS进行数值模拟，系统分析了成层土条件下吸力锚的水平、竖向承载特性并绘制V-H破坏包络线，同时探究了成层土中吸力锚最优加载点位置的变化规律，提出的经验公式能够为实际工程中提供指导建议.1有限模型1.1几何结构及网格划分为了研究软土覆盖硬土条件下吸力锚最优加载点的位置以及刻画竖直-水平（V-H）荷载下的破坏包络线，使用有限元软件ABAQUS建立模型进行数值模拟分析.考虑到吸力锚与土体的几何结构以及荷载作用结果具有对称性，选取吸力锚与周围土体的一半建立有限元模型，以提高计算效率.吸力锚外径D=5m，长度L=10m，锚壁厚度t=0.05m.为消除边界效应影响，土体模型竖向高度取3L，直径取15D.吸力锚模型二维简化示意图如图1所示.其中，D为吸力锚直径，L为吸力锚长度，θ为位移施加角度，Z为了提高计算精度同时兼顾计算效率，近锚处土体采用密网格，远离吸力锚的土体采用疏网格，吸力锚为刚性体，采用R3D4单元，土体采用6面体8节点缩减单元（C3D8R）模拟.有限元网格划分与坐标轴朝向如图2所示.1.2旋转自由度和变形自由度由于吸力锚为刚性体，在锚顶圆心内侧位置设置参考点，并限制参考点X、Z方向旋转自由度与Y方向位移自由度，保证吸力锚只能在X轴与Z轴所在平面内平动与旋转.土体底部限制三个方向的位移自由度，竖向边界限制X方向位移自由度与Y方向位移自由度.认为底部边界无任何位移，侧向边界无水平位移.1.3材料与接触属性吸力锚周围土体为无重度黏土，整个土体上层为软土层，下层为硬土层.根据Zhang等2不同软土层厚度对稳定性的影响分析采用位移加载方式，位移施加在吸力锚参考点处.如图3所示，将合位移分解为水平位移和竖向位移，在荷载施加分析步中同时施加对应的水平位移与竖向位移.在位移控制下，施加位移的方向由水平位移分量和垂直位移分量的大小和方向决定.位移逐渐增加，直至反作用力不再增加，即恒定荷载下的持续变形.如果没有达到持续变形，以0.2D位移处的荷载值为极限承载力为了探究分层土中不同软土层厚度对吸力锚承载力的影响，以0.1L为梯度，计算h=0L至h=2.0L时分别施加θ=0°、θ=10°、θ=15°、θ=30°、θ=45°、θ=60°、θ=75°、θ=90°方向位移后吸力锚荷载变化情况.3分析的结果3.1水平荷载作用下的破坏机制水平位移作用下，吸力锚沿着加载方向发生向前的倾覆转动，筒体逐渐倾斜，周围土体在荷载作用下发生变形.图4给出了吸力锚水平荷载随位移的变化曲线.当位移从0m增加值0.05m时，水平荷载位移曲线处于弹性阶段，位移与荷载的关系呈线性变化；0.05m至0.1m阶段，曲线斜率骤变，由高度倾斜逐渐平缓，此时吸力锚发生破坏；0.1m之后曲线斜率基本不变，吸力锚持续变形.当位移达到0.2m之后水平承载力增加趋势迅速减小并趋于收敛，证明了本文选取位移达到1m（即0.2D）时对应的承载力作为极限承载力是合理的.随着软土层逐渐变厚，吸力锚所处地基中软弱土占据越来越高的比例，周围土体承载力逐渐变弱，因此吸力锚水平位移荷载曲线的弹性阶段、弹塑性阶段与塑性屈服阶段均呈现下降的趋势.位移加载过程中，吸力锚四周土体受扰动最大，锚底以下的土体扰动小，因此当h>1L后，水平位移荷载曲线重合，证明影响吸力锚水平荷载位移曲线的主要是吸力锚底部上方土层的抗剪强度.图给出了水平荷载作用下吸力锚破坏机制.锚周围土体自顶向下变形量逐渐减小，由主动区过渡到被动区，对承载力的贡献量也随之减少，因此，每当0.1L厚度的硬土层被软土层替代，该0.1L厚度软土层相对于硬土层的承载力减小值会随深度的增加而逐渐变少.图6表明，吸力锚水平极限承载力随软弱土层厚度的增加逐渐降低，软土层厚度h=0L时，吸力锚的水平极限承载力达到最大值，最大值为4097.75kN，软土层厚度增加至h=0.1L时，吸力锚水平极限承载力减小535.77kN，减小幅度最大，随着软土层厚度的增加，水平极限承载力的减小幅度逐渐缩小，并于h>1.0L后稳定在1177kN，证明锚底下方土体的抗剪强度几乎不会影响吸力锚水平极限承载力.这与吸力锚的破坏机制有关，吸力锚破坏时更多是四周土体出现屈服，底部扰动区域小，因此对承载力的影响也小.仅施加竖向荷载时，吸力锚向上平动，锚壁外侧土体出现剪切破坏，锚内部土体带动下方土体上移，两侧土体向锚底流动.图7给出了吸力锚竖向荷载随位移的变化曲线，软土层厚度的逐渐增加导致吸力锚承载能力降低，当软硬土层分界线降至锚底以下（即h>1.0L），随着软土层厚度增加，吸力锚竖向荷载随位移变化曲线逐渐重合并保持一致.图8表明，软土层厚度增加导致土体竖向抗剪能力降低，土体极限承载力降低.当h<1.0L时，吸力锚的破坏主要表现在侧向土体屈服，锚内部土体在负压作用下与内壁紧密接触，竖向荷载作用下土塞带动下方硬土层同时移动，由于硬土强度较大，没有出现屈服.当h>1.0L时，吸力锚下方土体出现软土层，由于软土层抗剪强度低，在相同的位移加载条件下，软土因变形过大发生屈服，导致上拔过程中土塞底部受力减小，因此会出现h=1.0L与h=1.1L时吸力锚的竖向承载力相差较大的情况.3.2水平承载力和竖向承载力图9给出了吸力锚在不同软土层厚度下，VH荷载组合下的极限承载力包络线，由图可知，随着软土层厚度增加，吸力锚的水平承载力和竖向承载力逐渐减小；h>1.0L后破坏包络线趋于重合，这是由于吸力锚承载力影响区域主要是锚底以上土体，锚底下方土体的强度变化对吸力锚承载力的影响很小，从而导致当h>1.0L后破坏包络线重合.图10为归一化荷载破坏包络线，其中，H为水平极限承载力，V为竖向极限承载力，H3.3加载点位置变化仅允许吸力锚沿x方向平动，限制其旋转自由度，通过弯矩平衡计算出吸力锚沿中心线的最优加载深度Z软土层变厚过程中，由于软土层抗剪强度低，相同变形量条件下硬土层会承受更多的荷载，最优加载点位置下移；h>0.7L后，软土层开始承受更多的荷载，最优加载点上移.吸力锚平移过程中主要是锚壁侧向土体承受挤压力，当h>1.1L后，最优加载点位置不再变化.图12给出了吸力锚最优加载点位置随土层高度分布.随着软土层厚度逐渐增加，吸力锚最优加载点与吸力锚顶盖的相对距离先增大后减小，当土层分界线下降至锚底以下，吸力锚的最优加载点保持不变，证明锚底下方土体的抗剪强度不会影响吸力锚最优加载点的位置.为了更好地反映成层土条件下吸力锚最优加载点的变化规律，利用多项式函数对0<h/L<1.1段曲线进行拟合，用来描述h/L与Z式中：Z4土层厚度对锚力锚变形的影响本文通过三维有限元数值模拟计算，探究了成层土条件下吸力锚水平竖向联合承载力规律，以及最优加载点位置变化规律，分析了软土层厚度对吸力锚承载力和最优加载点位置的影响，得到以下结论：1）软土层厚度对吸力锚各方向的承载力影响较大，当软土层厚度逐渐增加时，吸力锚V-H联合承载力包络线缩小，吸力锚水平极限承载力与竖向极限承载力逐渐减小，这与软土层抗剪强度弱于硬土层有关.2）吸力锚水平极限承