自平衡抗吸附海床基的吸附力研究分析

胡展铭 ，陈伟斌 ，胡 波 ，张卫平 ，孙兆晨

（1.国家海洋环境监测中心，辽宁 大连 116023；2.大连理工大学 海岸及近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116023）

自平衡抗吸附海床基的吸附力研究分析

胡展铭1，陈伟斌1，胡 波1，张卫平2，孙兆晨2

（1.国家海洋环境监测中心，辽宁 大连 116023；2.大连理工大学 海岸及近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116023）

针对自平衡抗吸附海床基，结合其在渤海和北黄海近百次的应用，采用Skempton，Terzaghi经验模型和有限元计算模型方法，分析不同底质、不同浸深和不同起吊方式对海床基的吸附力影响。结果表明：（1）海床基的吸附力主要取决于底质粘聚力的大小，相同浸深条件下粘土底质吸附力最大，以下依次为亚粘土、亚砂土、淤泥和砂土。不同底质吸附力相差较大，粘土底质吸附力最大可达172.6 kN，而在砂土底质下吸附力最大仅有20.4 kN。同一底质条件下随着海床基浸深的增大，海床基的破坏位移也随之增大，相应的吸附力也增大明显；（2）相对于Terzaghi模型，Skempton吸附力模型结果与有限元结果更接近，因此其更适合用来估算海床基吸附力的上限解；（3）海床基侧向单点起吊的吸附力仅为竖向对称起吊的44%～47%。

自平衡抗吸附海床基；吸附力；海洋环境监测

近年来随着海洋环境保护、海洋资源开发、海洋灾害预防与应急等领域的发展，对海洋环境监测技术的要求越来越高，海床基作为海洋环境的海底监测平台国外应用[1]已越来越广泛，国内海床基多处在研究阶段，缺少业务化监测应用。在海床基投放使用过程中，不可避免地要受到海底沉积物吸附作用影响，特别是粘性底质如粘土和淤泥，因此如何判断海底沉积物对海床基的吸附力，将直接关系到海床基结构设计、回收方式和监测站位的选择，从而影响海洋环境监测是否能够顺利实施。

从广义上说吸附力是结构物、土与液体三者之间相互作用的结果，即土与结构物底面间的粘着力、结构物被提升过程中产生的负孔隙水压力以及土与结构物侧面产生的侧摩阻力组成。对坐底结构物离底问题的研究，国内20世纪90年代金广泉[2]、张日向[3]等对海底结构物的吸附力进行了机理研究，2000年以后随着有限元理论的发展和现代计算机运行速度的提高，马俊[4]以及Zhang[5]等针对石油平台潜坐结构吸附力进行了有限元数值计算研究；国外从20世纪60年代末期就开始对失事潜艇的离底力进行试验和理论研究，20世纪80年代Chiang C.Mei[6]等人对吸附力进行了理论分析和原型观测研究，2000年以后Sawicki[7]等人则通过数值方法对吸附力产生机理进行了研究。

由于影响吸附力主要有3个因素，即结构体因素、底质因素和结构体在底质中的浸没深度。本文针对国家海洋环境监测中心开发的自平衡抗吸附海床基，结合其在渤海和北黄海不同底质、不同水深、不同投放时间条件下的近百次业务应用和试验使用情况（海床基投放位置可见图1），采用不同的计算模型对其进行不同底质、不同浸深、不同起吊方式条件下的吸附力研究分析，以期在海床基结构设计和投放使用方面进行系统性研究。

图1 自平衡抗吸附海床基投放位置

1 吸附力经验计算模型

在计算自平衡抗吸附海床基离底产生的吸附力时，可以把海床基的离底力计算问题简化为一个浅浸在半无限空间介质中的刚体在受到向上拉力作用时的一个塑性极限问题。参照传统的地基承载力理论，离底问题与承载极限问题所不同的主要是受力的方向。本文为了研究海床基的吸附问题，对斯肯普顿和太沙基两种常用吸附力经验计算模型进行了对比，并对这两种模型的适用性与较为精确的有限元数值模型进行了对比研究。

1.1 斯肯普顿(A.W.Skempton)吸附力计算模型

斯肯普顿考虑到实际情况下的海底底质多为饱和的软基础，不计土体内摩擦角的影响，给出了软粘土条件下的极限吸附力公式[8]：

式中：c为底质土的粘聚力；γ为底质土的重度；d为浸深；A为底面面积。

1.2 太沙基(K.Terzaghi)吸附力计算模型

太沙基假定基础底面粗糙，考虑土体内摩擦角的影响，并从实际工程的精度要求出发对于圆形基础有极限吸附力公式[8]：

式中：Nγ，Nq，Nc为太沙基承载力系数，它只与土的内摩擦角有关；D为圆形基础的直径；q=γd为结构物浸深范围内的压载，其中γ为底质土的重度，d为浸深。

2 数值分析

2.1 经验模型

在本文吸附力经验模型计算中，自平衡抗吸附海床基的直径1.7 m，高0.6 m，浸深0.3 m。为了分析底质土体参数粘聚力和内摩擦角对吸附力的影响，粘聚力范围取1～20 kPa，内摩擦角范围取1°～35°。从两种模型的计算结果（见图2）可知，吸附力和粘聚力成线性关系，在Terzaghi吸附力模型中，吸附力对内摩擦角极为敏感，在35°内摩擦角下的吸附力约是1°内摩擦角吸附力的10倍。通过对两种模型吸附力数值比较来看，不考虑内摩擦角影响的Skempton吸附力模型计算得到的吸附力与Terzaghi吸附力模型在较小内摩擦角条件下较为吻合，即在内摩擦角很小情况下如淤泥质两种模型计算结果较为接近。

图2 吸附力——粘聚力曲线

2.2 有限元模型

本文采用有限元方法[9]对自平衡抗吸附海床基进行吸附力分析研究，并采用大型通用有限元分析软件ABAQUS对海床基的吸附力进行三维数值模拟，海床基原型以及有限元离散后的模型如图3所示。本文算例中，海床基侧面吊点位于底面以上0.4 m处，地基半径取5.0 m。地基采用基于Mohr-Coulomb屈服准则的弹塑性本构模型，所有分析采用位移控制方式逐步施加位移。根据渤海底质调查资料[10]可知渤海5种典型底质即淤泥、粘土、亚粘土、亚砂土和砂土的沉积物物理性质（见表1）。海床基在实际投放使用中，其会受自重以及泥沙沉降等因素的影响产生淤积。本文对海床基分别在5种不同底质、4种不同浸深（0.0 m，0.1 m，0.2 m，0.3 m）共20种工况条件下的吸附力进行计算，起吊方式为对称，最终计算结果见表2。

图3 海床基原型及其有限元离散模型

表1 渤海沉积物物理性质

表2 海床基吸附力/kN

从表2可知随着浸深加大不同底质的吸附力都明显增大，特别是砂土底质浸深0.3 m条件下的吸附力已达到浸深0.0 m条件下的2倍；相同浸深条件下粘土底质吸附力最大，以下依次为亚粘土、亚砂土、淤泥和砂土；粘土底质浸深0.3 m条件下吸附力最大可达172.6 kN，而在砂土底质下吸附力最大仅有20.4 kN。因此在不同底质条件下，应选择不同破断力的回收绳索。

从图4不同底质、不同浸深条件下海床基的加载到破坏阶段吸附力—位移曲线可知，在同一底质条件下随着海床基浸深的增大，海床基从开始加载到破坏阶段位移随之增大，相应的吸附力也增大明显。在不同底质条件下，粘土条件下加载过程呈现较好的延性，并有明显“软化”阶段，位移20 cm左右时达到破坏；淤泥条件下加载过程也表现出一定的延性，位移15 cm左右时达到破坏；亚粘土条件下，位移8 cm左右时达到破坏；亚砂土条件下，位移4 cm左右时达到破坏；随着粘聚力急剧减小、内摩擦角的增大，加载曲线“刚性”增大，从加载到破坏时间愈短，最终位移也明显减小，砂土底质条件下破坏位移仅有0.5 cm左右。以上的计算结果与海床基回收情况较吻合，在粘土和淤泥质条件下应缓慢回收海床基，使海床基破坏位移有充裕的时间逐渐增大直至破坏；起吊力过快加载必将“软化”不充分，易超出回收绳索的破断力。

图4 吸附力—位移曲线

2.3 结果比较

为研究经验模型的适用性，以便于实际监测中对不同形状、不同大小的海床基在不同底质条件下的吸附力进行预估。本文以0.2 m浸深条件为例，就5种不同底质条件下的经验模型计算结果与有限元模型计算结果进行了对比分析。通过三种模型吸附力数值结果比较（见图5）可知，Terzaghi吸附力模型计算结果只在淤泥质底质条件下与有限元模型计算结果吻合较好，其余底质条件下两种结果相差较大；Skempton吸附力模型在淤泥和砂土底质条件下与有限元模型计算结果吻合较好，其余底质条件下两种结果略有差异，并且相差幅度明显小于前者。因此相对于Terzaghi模型，Skempton模型更适用于对海床基的吸附力进行预估。

图5 吸附力比较

2.4 不同起吊方式数值分析

在实际海床基回收过程中，海床基有对称起吊和单点起吊方式选择，为研究不同起吊方式对吸附力的影响，本文对淤泥质底质条件下的单点受力方式进行了研究分析。图6为海床基在浸深0.3 m单点起吊工况下海床基的位移以及应力场分布，从图中可以看出在单点起吊方式下海床基的运动表现为对立两端为不同方向的旋转运动，应力主要集中在受拉一侧海床基底与底质接合区。

通过对淤泥底质单点起吊方式下的吸附力位移曲线（见图7）和对称起吊方式下吸附力位移曲线（见图4(a)淤泥）比较，可知单点起吊方式与对称起吊方式相比呈现更加明显“软化”迹象，并且延性加强从加载到破坏时位移更大，单点起吊浸深0.1 m条件下位移30 cm时达到破坏明显大于对称起吊同等条件下的0.13 m。

图6 有限元计算结果

图7 吸附力—位移曲线

表3 吸附力对比/kN

通过海床基侧向单点起吊和对称起吊的极限吸附力对比表（表3）可知，侧向单点起吊的吸附力仅为竖向对称起吊的44%～47%，因此对海床基采用侧向单点起吊方式可减少50%以上的吸附力，这在回收方式的选择和海床基结构设计中应充分考虑。

3 结论

（1）通过有限元模型计算结果可知海床基的吸附力主要取决于粘聚力的大小，相同浸深条件下粘土底质吸附力最大，以下依次为亚粘土、亚砂土、淤泥和砂土。粘土底质、浸深0.3 m、竖向对称起吊条件下吸附力最大可达172.6 kN，而在砂土底质下吸附力最大仅有20.4 kN。同一底质条件下随着海床基浸深的增大，海床基的破坏位移也随之增大，相应的吸附力也增大明显。在海床基的回收过程中应充分考虑不同底质的延性，使海床基破坏位移有充裕的时间逐渐增大直至破坏，避免起吊力过快加载必将“软化”不充分。

（2）相对于Terzaghi模型，Skempton模型更适用于对海床基的吸附力进行预估。

（3）海床基采用侧向单点起吊方式可减少50%以上的吸附力，这在回收方式的选择和海床基结构设计中应充分考虑。

[1]陈鹰,杨灿军,陶春辉,等.海底观测系统[M].北京：海洋出版社,2006.

[2]金广泉,金涛,陈晓红,等.底质对潜坐结构吸附力的试验研究[J].海军工程学院学报,1998,84(3)：49-53.

[3]张日向,郭承侃,王惟诚,等.JZ9-3沉箱就位安装防沉及冲刷技术研究之WHPE和SLPW沉箱吸附力试验研究报告[R].大连：大连理工大学土建学院,1998.

[4]马俊,杨公升,李涛.潜坐结构吸附力计算模型研究[J].中国海洋平台,2007(2)：16-19.

[5]Zhang shihua,Zheng Quanan,Liu xinan.Finite element analyses of suction penetration seepage field of bucket foundation Platform with application to offshore oil field develop[J].oeean Engineering,2004,31(11-12)：1591-1599.

[6]ChiangCMei,Ronald WYeung,Ko-Fei Liu.Liftingofa large object froma porous seabed[J].Journal ofFluid Mechanics,1985,152：203-215.

[7]Sawicki A,Mierczynski J.Mechanics ofthe breakout phenomenon[J].Computers and Geotechnics,2003,30：231-243.

[8]钱家欢,般宗泽.土工原理与计算(第二版)[M].北京：水利水电出版社,1994.

[9]谢康和,周健.岩土工程有限元分析理论与应用[M].北京：科学出版社,2002.

[10]秦蕴珊,徐善民,李凡,等.渤海西部海底沉积物土工学性质的研究[J].海洋与湖沼,1983,14(4)：305-314.

Research on Adsorption Force of Auto-balance Absorption-resistant Seabed Base

HU Zhan-ming1,CHEN Wei-bin1,HU Bo1,ZHANG Wei-ping2,SUN Zhao-chen2
(1.National Marine Environmental Monitoring Center,Dalian Liaoning 116023,China;2.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 116023,China)

As a platform of sea environment observation,the auto-balance absorption-resistant seabed base has been used for nearly a hundred times in Bohai Sea and north of Yellow Sea.The effects of soil parameters,depth of seabed base in soil and the different lift method of seabed base on the adsorption force were analyzed with Skempton and Terzaghi empirical model and finite element method.Results show that:(1)The adsorption force mainly depends on cohesion force of soil,with the biggest adsorption force in clay,then loam,sandy loam,silt and sand,the adsorption force varies obviously due to the soil kind,the biggest can reach 172.6 kN in clay while only 20.4 kN in sand.As the increase of depth of seabed base,the ultimate displacement and force grow accordingly.(2)Compared to the Terzaghi model,the Skempton model can be more accurate according to FEM method,the Skempton model can be used as a reference in practice.(3)The adsorption force under side solo point lift method is only 44%～47%of vertical lift force.

auto-balance absorption-resistant seabed base;adsorption force;marine environment monitoring

P76

A

1003-2029（2012）02-0014-04

2012-01-10

国家海洋局专项资助项目——渤海污染立体监测与动态评价;国家海洋局海洋公益性项目资助（200905007）

胡展铭（1978-），男，助理研究员，主要从事海洋动力环境监测与评价。Email：zmhu@nmemc.gov.cn