王建華 ，李一峰 ，程星磊

（1. 天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2. 天津大學 巖土工程研究所，天津 300072）

1 引 言

隨著深海油氣資源的大力開發(fā)，海上大型浮式平臺的應用越來越廣泛。法向承力錨（vertically loaded anchor，VLA）作為一種新型的浮式平臺基礎(chǔ)形式，具有高承載力、經(jīng)濟實用、便于安裝和回收等優(yōu)點[1－2]。極限抗拔承載力是法向承力錨固系統(tǒng)設(shè)計的重要指標，而破壞標準的選取對確定法向承力錨的極限承載力有著重要的意義。

目前國內(nèi)外學者已有關(guān)于法向承力錨的破壞標準研究，挪威船級社（DNV）[3]建議采用（0.3±0.1）倍錨板寬度作為法向承力錨的破壞位移，但并未對其確定方法和依據(jù)進行詳細地說明。Cao等[4]借助PLAXIS有限元軟件對法向承力錨在黏土中的承載特性進行研究結(jié)果表明，埋置深度與錨板寬度的比值分別為3.0、5.0、7.5時，法向承力錨的破壞位移均接近0.1倍錨板寬度，與文獻[3]建議的破壞位移相差較多，且無原位試驗或模型試驗數(shù)據(jù)驗證。其他學者[5－7]運用現(xiàn)場試驗、模型試驗、數(shù)值分析等方法，針對計算法向承力錨極限承載力的經(jīng)驗公式進行研究，通過荷載-位移曲線的峰值確定極限承載力，并根據(jù)經(jīng)驗公式修正承載力系數(shù)。Sarah等[8]開展了法向承力錨的離心機模型試驗，結(jié)果顯示采用不同形狀的錨板會對承載力產(chǎn)生影響，建議在模型試驗中應選取更符合實際工程中法向承力錨的錨板形狀。

國內(nèi)外對法向承力錨位移破壞標準的相關(guān)研究較少，也沒有形成統(tǒng)一的標準。為了進一步研究淺埋法向承力錨的位移破壞標準，在模型試驗箱中，針對埋置深度為3倍錨板寬度的法向承力錨模型，進行了位移控制和力控制兩種加載模式的模型試驗。通過模型試驗得到的歸一化荷載-位移曲線確定位移破壞標準，對比破壞位移對應的承載力與經(jīng)驗公式計算的承載力，初步驗證了位移破壞標準的準確性。

2 模型試驗

2.1 模型試驗土箱與法向承力錨模型

模型試驗A#土箱尺寸為1.5 m×1.2 m×1.0 m，模型試驗B#土箱尺寸為1.2 m×1.2 m×1.0 m。試驗用土為天津灘海區(qū)域重塑淤泥質(zhì)飽和軟黏土，利用真空預壓法進行制備。在A#箱中分層進行真空預壓，制備的為強度沿深度線性增大的土層，B#箱中是強度為8～10 kPa的均勻土層，物理力學指標見表1、2。在A#中部沿長度方向均勻選取3個測點，針對每個測點，利用電動十字板測量不排水抗剪強度Su沿深度的變化情況，如圖1所示。

模型錨板參考Stevemanta公司的VLA外形進行簡化設(shè)計[9]，見圖 2。制作材料為 316不銹鋼，錨板寬0.12 m，法向受力面積為0.016 4 m2，圖中錨板尾部鋼管用于試驗前沉入錨板，尾部鋼索用于試驗結(jié)束后回收錨板。

表2 模型試驗B#箱土層的物性指標Table 2 Physical indexes of soil layer in box #B

圖1 A#箱土層十字板測試結(jié)果Fig.1 Vane test results of box #A

圖2 法向承力錨模型Fig.2 Model of vertically loaded plate anchors

2.2 模型試驗加載系統(tǒng)與采集系統(tǒng)

模型試驗采用的加載系統(tǒng)由加載架、導向裝置、多功能電動伺服控制加載裝置組成（見圖3）。該系統(tǒng)通過位移控制或力控制模式通過電動缸對模型錨準確施加靜荷載, 系纜力角度通過調(diào)節(jié)導向滑輪2#的位置進行控制。圖3中的應變片式S形力傳感器用于測量錨板所受的法向荷載，LVDT位移傳感器用于測量錨板沿法向的位移，傳感器測量的電信號通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號由計算機記錄儲存。

圖3 加載裝置和測量裝置Fig.3 Load apparatus and measuring apparatus

2.3 模型試驗方法

由于法向承力錨所受靜荷載為長期荷載，需要避免加載速率對錨的承載力產(chǎn)生影響。參考劉晶磊等[10]的研究方法，在模型試驗 A#箱中，進行了 1組力控制下分級加載的試驗，通過力控制加載試驗所需的時長確定位移控制試驗的加載速率。又進行了2組位移控制下加載速率分別為0.01 m/h和0.02 m/h的試驗，對比試驗結(jié)果以確認試驗中采用的加載速率是否對試驗產(chǎn)生影響。為獲得不同上覆土條件下模型錨的位移破壞標準，在B#箱中進行了1組位移控制下加載速率為0.01 m/h的試驗。試驗過程如下：

① 利用沉錨連桿將錨板沿切向靜壓至預定試驗位置，錨板貫入深度為36 cm（土層表面到錨板形心的距離），即 3倍錨板寬度。實際工程中，Stevemanta公司的 VLA系纜力方向與水平方向夾角一般為20°～40°[9]，為了更接近實際工況，模型錨板系纜力方向與水平方向夾角設(shè)定為30°。

② 沉錨會對周圍土體產(chǎn)生一定的擾動，參考已有模型試驗結(jié)果，沉錨后對沉錨區(qū)域堆載5 kPa左右的荷載并靜置6 d，土體結(jié)構(gòu)性和強度可以得到較好的恢復。土體恢復后，按照預定的加載方式進行試驗。力控制的加載試驗，采用分級加載的方式施加荷載，在某級加載后，位移保持相對穩(wěn)定時記錄錨板位移再進行下級加載，當位移不能隨時間穩(wěn)定時，認為達到極限承載力，停止試驗。位移控制的加載試驗通過設(shè)定恒定的加載速率進行，當法向力不隨位移的增大而增大時，認為達到極限承載力。

③ 試驗結(jié)束后，利用錨板尾部的回收系纜將錨板拔出，平整土層，并在試驗箱的另一側(cè)沉錨，靜置恢復6 d后進行下一組試驗。

3 模型試驗結(jié)果與分析

3.1 法向承力錨位移破壞標準

圖4為A#、B#箱中的4組模型試驗的荷載位移曲線。從圖中可以看出，位移控制下加載速率為0.01 m/h和0.02 m/h的試驗結(jié)果接近，說明以低于0.02 m/h的加載速率進行加載可忽略加載速率對試驗結(jié)果的影響；錨板法向受力小于30%極限抗拔承載力時，法向力隨位移的增大呈近似線性增大，隨著位移繼續(xù)增大，模型錨的法向受力增長趨緩。為了更好地獲得法向承力錨模型試驗中的位移破壞標準，將法向力以極限承載力為標準、位移以錨板寬度為標準分別進行歸一化處理，如圖5所示。圖中，橫軸為系纜力與極限承載力的比值，縱軸為錨板沿系纜力方向位移與錨板寬度的比值。當錨板系纜方向位移達到約0.38倍錨板寬度時，法向受力增長緩慢且趨于穩(wěn)定，錨板達到極限狀態(tài)，此時穩(wěn)定的法向力即為法向承力錨的極限承載力，對應的位移約為0.38倍錨板寬度，與文獻[3]建議的（0.3±0.1）倍錨板寬度基本一致。

圖4 錨板沿系纜方向的荷載-位移曲線Fig.4 Load-displacement curves along the mooring direction for VLA

圖5 歸一化的荷載-位移曲線Fig.5 Normalized load vs. normalized displacement

3.2 法向承力錨破壞時的極限承載力

為了計算法向承力錨的極限抗拔承載力，國外學者一般采用傳統(tǒng)板錨的計算方法，通過原型試驗、模型試驗或數(shù)值模擬確定承載力系數(shù)，以此計算法向承力錨的極限抗拔承載力。通常使用以下公式計算法向承力錨的極限抗拔承載力：

式中：Nc為承載力系數(shù)；Su為埋深處土的不排水剪切強度；A為錨板面積[2]。

按照模型試驗中錨板的尺寸、埋置深度、土體的強度等條件，參考文獻[3]確定計算中所需的參數(shù)，Nc取11.5。采用十字板剪切試驗確定不排水抗剪強度Su，依據(jù)式（1）計算法向承力錨的極限承載力。在每次試驗后與模型試驗中達到位移破壞標準時對應的極限承載力進行對比，見表3。結(jié)果表明，0.38倍錨板寬度的位移對應的極限承載力與式（1）的計算結(jié)果相比，相差均不超過10%，初步確定模型試驗中得出的0.38倍錨板寬度為法向承力錨的位移破壞標準是較合理的。

表3 模型試驗結(jié)果與經(jīng)驗公式計算結(jié)果對比Table 3 Comparison of results between model test and empirical formula

4 結(jié) 語

本研究在模型試驗箱內(nèi)，利用電動伺服加載控制裝置，本次開展了力控制和位移控制兩種加載模式下的法向承力錨模型試驗，確定了法向承力錨達到極限承載力時的位移破壞標準。試驗結(jié)果表明，埋深3倍錨板寬度、采用0.38倍錨板寬度作為法向承力錨的位移破壞標準時，模型試驗得到的極限承載力與經(jīng)驗公式計算的極限承載力基本吻合。

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