韓聰聰，劉 君, 2

(1.大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

板翼動(dòng)力錨沉貫深度模型試驗(yàn)研究

韓聰聰1，劉 君1, 2

(1.大連理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.大連理工大學(xué) 海岸與近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023)

板翼動(dòng)力錨是依靠自重完成安裝并靠自重和海床土的抗力來(lái)錨固的新型動(dòng)力錨。板翼動(dòng)力錨高速(15～25 m/s)貫入地基過(guò)程中涉及到高應(yīng)變率、流固耦合、土體軟化和大變形等難題，模型試驗(yàn)可避免上述計(jì)算困難，能直接得出不同的貫入速度所對(duì)應(yīng)的沉貫深度。本文首先推導(dǎo)了模型相似關(guān)系，然后在常規(guī)重力條件下，進(jìn)行了兩組26個(gè)工況的板翼動(dòng)力錨在均質(zhì)黏土中動(dòng)力安裝過(guò)程的模型試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定了率效應(yīng)參數(shù)的取值范圍，并研究了每一項(xiàng)受力對(duì)沉貫深度的影響。最后提出了在均質(zhì)黏土中預(yù)測(cè)板翼動(dòng)力錨沉貫深度的經(jīng)驗(yàn)公式。

動(dòng)力錨；錨-土相互作用；板翼動(dòng)力錨；模型試驗(yàn)；沉貫深度

通迅作者：劉 君。E-mail：junliu@dlut.edu.cn

Abstract：Gravity installed plate anchors are newly developed dynamic anchors installed through self-weight.The uplift capacity is provided by the anchor’s self-weight and the soil resistance.The installation process is a high-speed motion (15～25 m/s) which involves computational problems such as the fluid-solid interaction,the stain-softening and strain-rate behavior of soil and large deformation of soil.In order to avoid the problems mentioned above,the similitude requirements in normal gravity field are discussed firstly,then the results from two groups of penetrating model tests are presented to study the relation between penetration velocity and embedment depth in uniform clay.According to the test results,the ranges of the parameter characterizing the strain-rate effect are obtained.The effects of each part in the motion equation on the embedment depth are also discussed.An empirical equation is finally presented to estimate the embedment depth in uniform clay based on the anchor energy.

Keywords：dynamic anchors; anchor-soil interaction; gravity installed plate anchors; model test; embedment depth

海底蘊(yùn)含豐富的石油天然氣資源。隨著近海能源的不斷開(kāi)采耗竭，人們逐漸將目標(biāo)轉(zhuǎn)向深海[1]。在深海(水深>300～500 m)工程中，采用浮式結(jié)構(gòu)比固定式結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟(jì)[2]。浮式結(jié)構(gòu)通過(guò)錨鏈與嵌入海床中的錨連接，依靠錨周?chē)馏w的抗力提供抗拔承載力，平衡上部結(jié)構(gòu)傳遞的荷載[3]。適用于深海工程的錨主要有：法向承力錨(Vertical loaded anchors)、吸力式沉箱(Suction caissons)、吸力式安裝平板錨(Suction embedded plate anchors)和動(dòng)力安裝錨(Dynamically installed anchors)[4]。

動(dòng)力安裝錨是深海工程中的新型錨[5]，安裝時(shí)不需借助外力，僅需將錨釋放至海床上部預(yù)定高度處，然后松開(kāi)安裝錨鏈，動(dòng)力錨在水中自由下落并貫入土中一定深度。動(dòng)力錨主要包括兩種：魚(yú)雷錨(Torpedo anchors)和板翼動(dòng)力錨(Gravity installed plate anchors)，如圖1所示。板翼動(dòng)力錨和魚(yú)雷錨有較大區(qū)別[6]：(I)板翼動(dòng)力錨主要由三個(gè)大一點(diǎn)的尾翼和三個(gè)小一點(diǎn)的前翼組成；(II)在前后翼之間有一個(gè)可以繞中軸360度旋轉(zhuǎn)的加載臂，錨鏈連接在加載臂頂端的錨眼處。當(dāng)上拔角度(錨眼處錨鏈與水平面夾角)合適時(shí)，錨具有下潛的特性[6,7]，因此能提供更高的承載力并能防止錨體被拔出。

圖1 兩種形式的動(dòng)力錨Fig.1 Two types of dynamically installed anchors

動(dòng)力錨的安裝過(guò)程分兩個(gè)階段：在水中的自由下落階段和在土中的沉貫階段。本文僅關(guān)注第二階段。目前關(guān)于魚(yú)雷錨沉貫過(guò)程的研究比較多，主要以離心模型試驗(yàn)[3,5,8-11]為主。當(dāng)貫入速度為20 m/s時(shí)，錨尖端埋深比(錨尖端入土深度與錨的總高度之比)為2～3。板翼動(dòng)力錨方面，Zimmerman等[12]在墨西哥灣進(jìn)行的54組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到的平均埋深比為1.8。Gaudin等[13]在輕微超固結(jié)高嶺土和正常固結(jié)鈣質(zhì)土中分別進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)，當(dāng)貫入速度為23 m/s時(shí)，在兩種土中的埋深比分別為1.9和1.2。Cenac[14]在常規(guī)重力條件下用1/24模型錨進(jìn)行了動(dòng)力沉貫試驗(yàn)，當(dāng)貫入速度為5～7 m/s時(shí)，埋深比為1.5～2.1。

動(dòng)力錨到達(dá)土表面時(shí)的貫入速度越大，對(duì)應(yīng)的沉貫深度越大，提供的抗拔力也越高。板翼動(dòng)力錨是一種新型的動(dòng)力錨，沉貫深度的研究成果還非常有限。本研究首先分析了各項(xiàng)作用力對(duì)錨沉貫深度的影響，然后討論了常規(guī)重力場(chǎng)模型試驗(yàn)的相似關(guān)系，進(jìn)而開(kāi)展了兩組不同速度水平的26個(gè)板翼動(dòng)力錨在均質(zhì)黏土中動(dòng)力安裝過(guò)程的模型試驗(yàn)，得到了不同貫入速度和對(duì)應(yīng)的沉貫深度，確定了模型試驗(yàn)中率效應(yīng)參數(shù)的取值范圍，最后提出了預(yù)測(cè)板翼動(dòng)力錨沉貫深度的預(yù)測(cè)模型。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1土樣的制備

本試驗(yàn)用高嶺土(Spes-white-kaolin clay)模擬海洋黏土。高嶺土的基本特性為：比重Gs=2.61，液限Ll=65%，塑限Lp=34%。首先將高嶺土與水按重量比1∶1.3(2倍液限含水量)混合，放入攪拌機(jī)中真空攪拌5小時(shí)，確保摻雜在泥漿中的氣體完全排出；然后將攪拌好的泥漿放入試驗(yàn)箱(試驗(yàn)箱內(nèi)部尺寸：長(zhǎng)×寬×高=600 mm×220 mm×800 mm)中加壓固結(jié)，得到均質(zhì)土樣。

1.2模型錨

模型錨的幾何尺寸如圖2所示，圖中單位為mm。除加載臂部分外，兩種模型錨的尺寸一致，質(zhì)量分別為9.5和8.8 g。為了便于模型加工，翼板部分進(jìn)行了加厚處理，所以對(duì)應(yīng)原型錨重量分別為745和690 kN，比實(shí)際工程中所用錨的重量380 kN大。

1.3錨在土中的受力

沉貫過(guò)程中，作用在錨上的力有：錨在水中的有效重量Ws，錨受到土的浮力Fb，土對(duì)錨的端承阻力Fbear和摩擦阻力Ffrict，拖曳阻力Fd。錨的受力如圖3所示。

1) 端承阻力Fbear和摩擦阻力Ffrict：Fbear為錨在垂直于軸線(xiàn)方向截面上受到的土阻力，如式(1)所示。其中：Nc為承載力系數(shù)，可按深埋條形基礎(chǔ)取為7.5[15]，與文獻(xiàn)[8,11,13]在計(jì)算魚(yú)雷錨尾翼和板翼動(dòng)力錨的端承阻力時(shí)相同；su為土的不排水抗剪強(qiáng)度；At為錨在垂直軸線(xiàn)方向與土的接觸面積。

Fbear=NcsuAt

(1)

Ffrict為錨的側(cè)面受到的土阻力，如式(2)所示。其中，α為錨土界面間的摩擦系數(shù)，通常取為土靈敏度系數(shù)St的倒數(shù)，本試驗(yàn)用土的靈敏度系數(shù)采用T形貫入儀的循環(huán)試驗(yàn)測(cè)得St=2.5～3.0，取α=0.35；As為錨側(cè)面與土接觸的面積。

Ffrict=αsuAs

(2)

2) 拖曳阻力Fd：土對(duì)錨的拖曳阻力Fd可由式(3)計(jì)算。

(3)

式中：Cd為拖曳系數(shù)，與流體的粘滯系數(shù)、運(yùn)動(dòng)物體的尺寸和形狀有關(guān)；ρs為土的密度；Ap為錨在垂直于軸線(xiàn)平面上的投影面積；vt為錨在任意時(shí)刻的速度。?ye和Richardson[16,17]給出了不同形式魚(yú)雷錨對(duì)應(yīng)的Cd，認(rèn)為魚(yú)雷錨形狀越復(fù)雜對(duì)應(yīng)的Cd越大。參考True[18]給出的結(jié)論，本文取Cd=1.0。

圖2 模型錨及尺寸Fig.2 Model anchors and dimensions

圖3 錨在土中的受力示意 Fig.3 Forces acting on the anchor in soil

圖4 發(fā)射和測(cè)速裝置示意Fig.4 Schematic of the release device and the velocity measurement device

1.4相似關(guān)系

動(dòng)力錨依靠在水中下落時(shí)獲得的動(dòng)能和自身重力勢(shì)能貫入海床中，錨的自重起主要作用，所以按照弗勞德(Froude)準(zhǔn)則設(shè)計(jì)試驗(yàn)，弗勞德數(shù)Fr如式(4)所示。

(4)

表1 模型試驗(yàn)和原型對(duì)應(yīng)的比尺關(guān)系Tab.1 The scale ratios between model tests and prototype tests

本試驗(yàn)的后續(xù)試驗(yàn)為離心模型試驗(yàn)，為方便比較試驗(yàn)結(jié)果，本模型的幾何比尺參照離心模型試驗(yàn)的比尺取為λL=200。綜合前言部分引用的參考文獻(xiàn)，假設(shè)原型對(duì)應(yīng)的貫入速度和土的不排水抗剪強(qiáng)度分別為v=25 m/s，su=20 kPa。若嚴(yán)格按照相似關(guān)系設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)，則模型試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的貫入速度和土的不排水抗剪強(qiáng)度分別為(v)m=1.77 m/s，(su)m=0.1 kPa。當(dāng)土很軟時(shí)，不僅強(qiáng)度很難準(zhǔn)確測(cè)量，而且土在自重作用下會(huì)繼續(xù)固結(jié)，影響試驗(yàn)結(jié)果分析。所以模型試驗(yàn)中的土強(qiáng)度不能按照相似關(guān)系直接折減，而要適當(dāng)提高。為了使模型錨仍能貫入土中，需增大錨的貫入速度。此時(shí)的相似關(guān)系如表1的第4行所示。這樣在模型試驗(yàn)中，錨在土表面時(shí)的動(dòng)能和重力勢(shì)能(錨在土表面相對(duì)安裝深度處的勢(shì)能)的比值就比原型大，從而減弱了重力勢(shì)能對(duì)沉貫深度(z)m(如圖3所示)的影響，以致在本試驗(yàn)中，重力的影響與土的阻力相比可以忽略了。

模型試驗(yàn)中，浮力(Fb)m和拖曳阻力(Fd)m對(duì)(z)m的影響較小，后面會(huì)進(jìn)一步分析。所以，沉貫過(guò)程中，錨的動(dòng)能與土阻力對(duì)錨做的負(fù)功相等，如式(5)所示。

(5)

Fbear做的功由式(6)確定。當(dāng)z小于錨前翼斜邊的高度hff時(shí)，受力面積隨z線(xiàn)性增加；當(dāng)z超過(guò)hff時(shí)，受力面積不再改變。

(6)

式中：a=NcAt，d=NcAthff。對(duì)于模型錨，(a)m=Nc(At)m，(d)m=Nc(At)m(hff)m。

Ffrict做的功由式(7)積分而得。由于錨的形狀比較復(fù)雜，可將錨沿高度方向平均分成n份，每一份的高度為Δh=h/n。第i份表示的是從錨尖端向上數(shù)的第i個(gè)微元，對(duì)應(yīng)的側(cè)面積和沉貫深度分別為(Ai)s和(z-iΔh)，如圖3所示。

(7)

式中；b=∑α(Ai)s，c=∑α(Ai)siΔh。當(dāng)z>h時(shí)，k=n，參數(shù)b和c為常量；當(dāng)z

將式(6)、式(7)代入式(5)，再用式(5)分別計(jì)算原型和模型對(duì)應(yīng)的功能關(guān)系，二者相比就可得到沉貫深度比尺λz，如式(8)所示。

(8)

1.5試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)主要考慮沉貫過(guò)程中錨-土相互作用，不考慮錨在水中的自由下落過(guò)程。所以，錨在水中自由下落獲得的動(dòng)能由圖4所示的發(fā)射裝置提供。該裝置利用壓縮彈簧撞擊錨，使錨獲得動(dòng)能。通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧的壓縮量來(lái)改變模型錨的初始貫入速度。為保證錨的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和測(cè)量錨的速度，在發(fā)射裝置的前端安置了軌道，在軌道上面布設(shè)測(cè)速傳感器來(lái)測(cè)量錨的速度。

2 貫入試驗(yàn)結(jié)果及分析

本文共進(jìn)行兩組模型試驗(yàn)，第一組為高速貫入試驗(yàn)((v)m=12.60～24.94 m/s)，第二組為低速貫入試驗(yàn)((v)m=3.05～6.42 m/s)。用T形貫入儀或球形貫入儀測(cè)量(su)m，貫入速率為1 mm/s。測(cè)得兩組試驗(yàn)土樣的(su)m分別為2.4和1.2 kPa。為避免邊界效應(yīng)的影響，應(yīng)使貫入儀到側(cè)壁的距離≥(3～5)R，其中R為貫入儀半徑。綜合考慮試驗(yàn)箱的內(nèi)部尺寸及貫入儀測(cè)點(diǎn)位置，兩組試驗(yàn)點(diǎn)布置如圖5所示，圖中單位為mm。其中實(shí)心圓點(diǎn)表示球形貫入儀測(cè)點(diǎn)位置，實(shí)心矩形表示T形貫入儀測(cè)點(diǎn)位置，Y形部分表示模型錨貫入點(diǎn)位置。

圖5 試驗(yàn)點(diǎn)布置Fig.5 Layout of the model tests

第一組試驗(yàn)土表面有50 mm深的水層，前6次試驗(yàn)?zāi)Ｐ湾^無(wú)加載臂且不帶錨鏈；后5次試驗(yàn)有加載臂并帶錨鏈，錨鏈用直徑為0.23 mm的魚(yú)線(xiàn)模擬。其中9點(diǎn)位置處沒(méi)有測(cè)到錨的出口速度，共有10個(gè)可用工況。第二組試驗(yàn)?zāi)Ｐ湾^無(wú)加載臂，不帶錨鏈，前10次試驗(yàn)土表面無(wú)水，后5次試驗(yàn)土表面有50 mm深的水層。其中2點(diǎn)和5點(diǎn)位置處錨沒(méi)有垂直貫入土中，共有13個(gè)可用工況。兩組試驗(yàn)工況結(jié)果列于表2。

表2 模型試驗(yàn)工況Tab.2 The cases of the model tests

注：G1-W-AL 表示第一組試驗(yàn)，有水有加載臂的工況;G2-NW-NL表示第二組試驗(yàn)，沒(méi)有水，沒(méi)有加載臂的工況。

2.1動(dòng)力沉貫試驗(yàn)結(jié)果

錨尖端的沉貫深度(z)m與貫入速度(v)m之間的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，沉貫深度(z)m隨(v)m的增加而增大，符合一般常識(shí)。第一組試驗(yàn)中，當(dāng)(v)m相同時(shí)，有加載臂和錨鏈的深度(z)m稍大一些，因?yàn)槠滟|(zhì)量比較大，提供的動(dòng)能也大。第二組試驗(yàn)中，土表面是否有水對(duì)(z)m影響不大。

2.2沉貫深度的解析分析

沉貫深度z可采用式(9)所示的基于牛頓第二定律所建立的微分方程[18]來(lái)計(jì)算。

(9)

式中：Rfb、Rff分別為端承項(xiàng)和摩擦項(xiàng)對(duì)應(yīng)的率效應(yīng)參數(shù)。土的率效應(yīng)是指su隨剪應(yīng)變率增大而提高的現(xiàn)象。Rf可采用式(10)所表示的指數(shù)形式[19]。

(10)

圖6 模型試驗(yàn)的貫入速度及對(duì)應(yīng)的沉貫深度Fig.6 Anchor embedment depth vs.velocity in model tests

圖7 模型試驗(yàn)結(jié)果(原型)與解析解對(duì)比Fig.7 The comparison between model test and analytical results

下面分別討論模型試驗(yàn)中各項(xiàng)阻力對(duì)沉貫深度的影響。

1) 錨的有效重量(Ws)m和所受浮力(Fb)m對(duì)(z)m的影響

在低速貫入試驗(yàn)中，(v)m=3.05～6.42 m/s，對(duì)應(yīng)的(z)m= 36.58～68.25 mm，動(dòng)能與勢(shì)能的比為15.6～32.8。對(duì)于高速貫入模型試驗(yàn)，二者的比值更大。所以(Ws)m對(duì)(z)m的影響較小，可忽略不計(jì)。同理，(Fb)m對(duì)(z)m的影響也可忽略不計(jì)。

2) 拖曳阻力(Fd)m對(duì)(z)m的影響

當(dāng)(v)m=25 m/s時(shí)，用式(9)計(jì)算考慮(Fd)m比不考慮時(shí)對(duì)應(yīng)的(z)m偏小不到10%。

綜上所述，在推導(dǎo)相似關(guān)系時(shí)，可不考慮(Ws)m、(Fb)m和(Fd)m對(duì)(z)m的影響，錨的動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)力沉貫時(shí)克服土阻力做的功。這是相似關(guān)系式(8)成立的前提條件。

3) 端承阻力(Fbear)m和摩擦阻力(Ffrict)m對(duì)(z)m的影響

當(dāng)錨剛貫入土中時(shí)，只有尖端部分進(jìn)入土中，與土接觸的側(cè)面積很小，所以端承項(xiàng)所占比例很大。隨著錨繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，錨和土之間的接觸面積增大，摩擦項(xiàng)所占比例逐漸增加。當(dāng)錨全進(jìn)入土中后，摩擦阻力是端承阻力的2.6倍。

4) 土的率效應(yīng)對(duì)(z)m的影響

采用不同的β值，在不考慮(Ws)m、(Fb)m和(Fd)m時(shí)，用式(8)可計(jì)算出(v)m與(z)m之間的關(guān)系。當(dāng)β分別取0.17和0.14時(shí)與兩組試驗(yàn)點(diǎn)吻合最好。第一組試驗(yàn)的β值比第二組的大，說(shuō)明β的取值與貫入速度有關(guān)，這與文獻(xiàn)[8]中的結(jié)論一致。

2.3由模型試驗(yàn)向原型的換算

如果原型錨的速度和地基土的強(qiáng)度分別為v=25 m/s,su=20 kPa，第一組模型試驗(yàn)的速度比尺λv=1，土強(qiáng)度比尺λsu=8.33；第二組模型試驗(yàn)的λv=4，λsu=16.67。由相似關(guān)系式(8)可得原型錨沉貫深度zp。在相同率效應(yīng)參數(shù)前提下，用式(9)也可以計(jì)算出原型錨在不考慮Ws、Fb和Fd時(shí)不同的v對(duì)應(yīng)的沉貫深度zd，zp和zd的比較如圖7所示。從圖7可以看出，模型試驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果非常接近，除工況G2-NW-NL2，其余工況最大偏差不超過(guò)7%。由于模型試驗(yàn)低估了重力勢(shì)能的影響，所以模型試驗(yàn)的沉貫深度比實(shí)際情況低。這可以在式(9)中將錨的自重Ws和浮力Fb考慮進(jìn)來(lái)，進(jìn)而可以修正模型試驗(yàn)結(jié)果，如表3所示。從表3可知，當(dāng)v相同時(shí)，率效應(yīng)越大，Ws和Fb對(duì)z的影響越小，且z的提高幅度隨著v的增加而減小。

表3 兩種情況下原型的沉貫深度Tab.3 The embedment depths in two cases in prototype scale

2.4預(yù)測(cè)沉貫深度的經(jīng)驗(yàn)公式

影響錨沉貫深度z最主要的因素有錨的質(zhì)量m、貫入速度v、土的不排水抗剪強(qiáng)度su、錨的側(cè)面積As和有效直徑deff(與錨的投影面積相等的圓的直徑)。綜合上述因素，依據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，本文給出了一個(gè)在均質(zhì)黏土中估計(jì)錨沉貫深度的經(jīng)驗(yàn)公式：

(11)

式中：Etotal為錨的總能量，η、r是與土性質(zhì)、錨的形式、尺寸、質(zhì)量、貫入速度等有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)式(11)中η和r分別取1.54和0.63時(shí)，與試驗(yàn)結(jié)果偏差最小，如圖8所示。

3 討 論

3.1是否有水對(duì)沉貫深度的影響

沉貫過(guò)程中，錨土界面間會(huì)有水進(jìn)入，這部分水起潤(rùn)滑作用，會(huì)使(Ffrict)m減小。所以，當(dāng)(v)m相同時(shí)有水模型試驗(yàn)得到的(z)m應(yīng)比無(wú)水時(shí)大。從圖6中可知，是否有水對(duì)(z)m幾乎沒(méi)有影響。這可能是由于當(dāng)錨從空氣進(jìn)入水中時(shí)有一個(gè)錨-水碰撞過(guò)程，有水花濺起，會(huì)消耗一部分動(dòng)能。因此，錨的實(shí)際貫入速度(v)m應(yīng)比測(cè)速傳感器測(cè)到的出口速度小，這部分由于能量消耗造成(z)m的減小和由水的潤(rùn)滑作用抵消，所以本試驗(yàn)有水與否對(duì)(z)m幾乎沒(méi)有影響。Ffrict是影響z的最重要因素之一，有必要進(jìn)一步研究水的潤(rùn)滑作用對(duì)沉貫深度的影響。

3.2錨在沉貫時(shí)周?chē)馏w流動(dòng)機(jī)制

在原型或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，沉貫時(shí)間會(huì)持續(xù)1～2 s，同時(shí)隨著沉貫深度的增加，錨周?chē)馏w的應(yīng)力水平也隨之提高，土更容易回流。要深入研究沉貫過(guò)程中錨周?chē)馏w的流動(dòng)機(jī)制需要結(jié)合數(shù)值分析的結(jié)果。

3.3率效應(yīng)對(duì)沉貫深度的影響

模型試驗(yàn)的剪應(yīng)變率比原型高，所以對(duì)應(yīng)的率效應(yīng)比原型大。另外，率效應(yīng)參數(shù)β與貫入速度v有關(guān)，β隨v的增加而增大。綜合兩方面的影響，模型試驗(yàn)中的率效應(yīng)比原型中顯著，這個(gè)問(wèn)題也存在于離心模型試驗(yàn)中。O’Loughlin等[8]認(rèn)為由于率效應(yīng)的影響，通過(guò)模型試驗(yàn)換算到原型的沉貫深度z比實(shí)際低40%左右。

為了驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式的可行性，需要將其和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果或滿(mǎn)足相似關(guān)系的模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。Cenac[14]的模型長(zhǎng)度比尺為24，將錨分別從距離土表面1.2、1.5及1.8 m的高度處?kù)o止釋放，貫入由砂土和膨潤(rùn)土混合而成的泥漿中，泥漿的平均不排水抗剪強(qiáng)度為su=0.78 kPa。經(jīng)驗(yàn)公式(11)的預(yù)測(cè)結(jié)果與Cenac的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖9所示。文獻(xiàn)[14]的試驗(yàn)結(jié)果比本文預(yù)測(cè)結(jié)果高20%～38%，預(yù)測(cè)結(jié)果偏低的原因有兩點(diǎn)：1) 式(11)的預(yù)測(cè)結(jié)果是基于本次模型試驗(yàn)得到的，低估了重力勢(shì)能對(duì)z的影響；2) 本次模型試驗(yàn)中的率效應(yīng)比Cenac的大，當(dāng)v相同時(shí)對(duì)應(yīng)的z偏小。所以經(jīng)驗(yàn)公式(11)的預(yù)測(cè)結(jié)果偏于保守。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得β=0.04～0.08[21,25]，以β=0.06為例，用式(9)可以計(jì)算不同的v及對(duì)應(yīng)的z，擬合得到式(11)中的參數(shù)η和r分別為1.93和0.71，此時(shí)預(yù)測(cè)的結(jié)果與文獻(xiàn)[14]中的試驗(yàn)結(jié)果吻合很好，如圖9所示。

圖8 基于總能量預(yù)測(cè)錨的沉貫深度Fig.8 Prediction for embedment depth based on energy equation

圖9 預(yù)測(cè)結(jié)果與Cenac試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.9 Prediction for embedment depth of the model tests by Cenac[14]using the empirical equation

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在常規(guī)重力場(chǎng)下開(kāi)展了板翼動(dòng)力錨在均質(zhì)黏土地基中動(dòng)力沉貫?zāi)Ｐ驮囼?yàn)，得出以下結(jié)論：

1) 對(duì)應(yīng)兩組模型試驗(yàn)，率效應(yīng)參數(shù)β分別取0.17和0.14，隨貫入速度的增加而增大，表明率效應(yīng)參數(shù)與剪應(yīng)變率有關(guān)。

2) 貫入過(guò)程中，錨中間缺口和頂部的土體不會(huì)回流，所以只有錨的尖端部分受端承阻力作用。

3) 在本文模型試驗(yàn)中，由于低估了錨的重力勢(shì)能對(duì)沉貫深度的影響，所以由相似關(guān)系換算到原型的沉貫深度偏低20%～30%左右。

4) 基于模型試驗(yàn)的結(jié)果提出了在均質(zhì)黏土地基中預(yù)測(cè)錨沉貫深度的經(jīng)驗(yàn)公式，由于模型試驗(yàn)率效應(yīng)大，且低估了重力勢(shì)能對(duì)沉貫深度的影響，所以用經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測(cè)的沉貫深度偏于保守。

[1] RANDOLPH M F,GAUDIN C,GOURVENEC S M,et al.Recent advances in offshore geotechnics for deep water oil and gas developments [J].Ocean Engineering,2011,38(7)：818-834.

[2] RONALDS B F.Deepwater facility selection[C]//Offshore Technology Conference.2002,OTC14259.

[3] RICHARDSON M D,O’ LOUGHLIN C D,RANDOLPH M F,et al.Setup following installation of dynamic anchors in normally consolidation clay[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2009,135(4)：487-496.

[4] 國(guó)振，王立忠，李玲玲.新型深水系泊基礎(chǔ)研究進(jìn)展[J].巖土力學(xué),2011,32(S2)：469- 477.(GUO Zhen,WANG Li zhong,LI Ling ling.Recent advances in research of new deepwater anchor foundations [J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(S2)：469-477.(in Chinese))

[5] O’ LOUGHLIN C D,RANDOLPH M F,RICHARDSON M.Experimental and theoretical studies of deep penetrating anchors[C]//Offshore Technology Conference.2004,OTC16841.

[6] SHELTON J T.OMNI-MaxTM anchor development and technology[C]//OCEANS 2007.IEEE,2007：1-10.

[7] LIU J,LU L,YU L.Large deformation finite element analysis of gravity installed anchors in clay[C]//Proceedings of the 33rd International Conference on Ocean,Offshore and Arctic Engineering.2014.

[8] O’LOUGHLIN C D,RICHARDSON M D,RANDOLPH M F.Penetration of dynamically installed anchors in clay [J].Géotechnique,2013,63(11)：909-919.

[9] O’LOUGHLIN C D,RICHARDSON M D,RANDOLPH M F.Centrifuge tests on dynamically installed anchors[C]//ASME 2009 28th International Conference on Ocean,Offshore and Arctic Engineering.2009：391-399.

[10] HOSSAIN M S,O’LOUGHLIN C D,KIM Y.Dynamic installation and monotonic pullout of a torpedo anchor in calcareous silt [J].Géotechnique,2015,65(2)：77-90.

[11] HOSSAIN M S,KIM Y,GAUDIN C.Experimental investigation of installation and pullout of dynamically penetrating anchors in clay and silt [J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2014,140(7)：04014026.

[12] ZIMMERMAN E H,SMITH M W,SHELTON J T.Efficient gravity installed plate anchors for deepwater mooring [C]// Offshore Technology Conference.2009,OTC20117.

[13] GAUDIN C,O’LOUGHLIN C D,HOSSAIN M S,et al.The performance of dynamically embedded anchors in calcareous silt [C]//ASME 2013 32nd International Conference on Ocean,Offshore and Arctic Engineering.2013.

[14] CENAC W I.Vertically loaded anchor：drag coefficient,fall velocity,and penetration depth using laboratory measurements [D].Texas A&M University,Texas.2011.

[15] SKEMPTON A W.The bearing capacity of clays [C]// Building Research Congress.1951：180-189.

[16] ?ye I.Simulation of trajectories for a deep penetrating anchor [R]//Report No.250：2000.Trondheim,Norway：CFD Norway.2000.

[17] RICHARDOSN M D.Dynamically installed anchors for floating offshore structures [D].The University of Western Australia,Crawley,Australia.2008.

[18] TRUE D G.Undrained vertical penetration into ocean bottom soils [D].University of California：Berkeley,California.1976.

[19] EINAV I,RANDOLPH M.Effect of strain rate on mobilized strength and thickness of curved shear bands [J].Géotechnique,2006,56(7)：501-504.

[20] BISCONTIN G,PESTANA,J M.Influence of peripheral velocity on vane shear strength of an artificial clay [J].Geotechnical Testing Journal,2001,24(4)：423-429.

[21] STEINER A,KOPF A J,L’HEUREUX J S,et al.In situ dynamic piezocone penetrometer tests in natural clayey soils-a reappraisal of strain-rate corrections [J].Canadian Geotechnical Journal,2013,51(3)：272-288.

[22] DAYAL U,ALLEN J H.The effect of penetration rate on the strength of remolded clay and sand samples [J].Canadian Geotechnical Journal,1975,12(3)：336-348.

[23] CHOW S H,O’LOUGHLIN C D,RANDOLPH M F.Soil strength estimation and pore pressure dissipation for free-fall piezocone in soft clay [J].Géotechnique,2014,64(10)：817-827.

[24] MORTON J P,O′LOUGHLIN C D,WHITE D J.Strength assessment during shallow penetration of a sphere in clay[J].Géotechnique Letters,2014,4：262-266.

[25] LEHANE B M,O′LOUGHLIN C D,GAUDIN C,et al.Rate effects on penetrometer resistance in kaolin[J].Géotechnique,2009,59(1)：41-52.

Model tests on the penetration depth of gravity installed plate anchors

HAN Congcong1,LIU Jun1,2

(1.School of Hydraulic Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China；2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116023,China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.05.011

1005-9865(2016)05-0092-09

2015-09-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51479027;51539008)

韓聰聰(1990-)，女，河北石家莊人,博士研究生，主要從事海洋巖土工程研究。