软土中浅埋法向承力锚位移破坏标准模型试验

王建华 ，李一峰 ，程星磊

（1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2. 天津大学 岩土工程研究所，天津 300072）

1 引 言

随着深海油气资源的大力开发，海上大型浮式平台的应用越来越广泛。法向承力锚（vertically loaded anchor，VLA）作为一种新型的浮式平台基础形式，具有高承载力、经济实用、便于安装和回收等优点[1－2]。极限抗拔承载力是法向承力锚固系统设计的重要指标，而破坏标准的选取对确定法向承力锚的极限承载力有着重要的意义。

目前国内外学者已有关于法向承力锚的破坏标准研究，挪威船级社（DNV）[3]建议采用（0.3±0.1）倍锚板宽度作为法向承力锚的破坏位移，但并未对其确定方法和依据进行详细地说明。Cao等[4]借助PLAXIS有限元软件对法向承力锚在黏土中的承载特性进行研究结果表明，埋置深度与锚板宽度的比值分别为3.0、5.0、7.5时，法向承力锚的破坏位移均接近0.1倍锚板宽度，与文献[3]建议的破坏位移相差较多，且无原位试验或模型试验数据验证。其他学者[5－7]运用现场试验、模型试验、数值分析等方法，针对计算法向承力锚极限承载力的经验公式进行研究，通过荷载-位移曲线的峰值确定极限承载力，并根据经验公式修正承载力系数。Sarah等[8]开展了法向承力锚的离心机模型试验，结果显示采用不同形状的锚板会对承载力产生影响，建议在模型试验中应选取更符合实际工程中法向承力锚的锚板形状。

国内外对法向承力锚位移破坏标准的相关研究较少，也没有形成统一的标准。为了进一步研究浅埋法向承力锚的位移破坏标准，在模型试验箱中，针对埋置深度为3倍锚板宽度的法向承力锚模型，进行了位移控制和力控制两种加载模式的模型试验。通过模型试验得到的归一化荷载-位移曲线确定位移破坏标准，对比破坏位移对应的承载力与经验公式计算的承载力，初步验证了位移破坏标准的准确性。

2 模型试验

2.1 模型试验土箱与法向承力锚模型

模型试验A#土箱尺寸为1.5 m×1.2 m×1.0 m，模型试验B#土箱尺寸为1.2 m×1.2 m×1.0 m。试验用土为天津滩海区域重塑淤泥质饱和软黏土，利用真空预压法进行制备。在A#箱中分层进行真空预压，制备的为强度沿深度线性增大的土层，B#箱中是强度为8～10 kPa的均匀土层，物理力学指标见表1、2。在A#中部沿长度方向均匀选取3个测点，针对每个测点，利用电动十字板测量不排水抗剪强度Su沿深度的变化情况，如图1所示。

模型锚板参考Stevemanta公司的VLA外形进行简化设计[9]，见图 2。制作材料为 316不锈钢，锚板宽0.12 m，法向受力面积为0.016 4 m2，图中锚板尾部钢管用于试验前沉入锚板，尾部钢索用于试验结束后回收锚板。

表2 模型试验B#箱土层的物性指标Table 2 Physical indexes of soil layer in box #B

图1 A#箱土层十字板测试结果Fig.1 Vane test results of box #A

图2 法向承力锚模型Fig.2 Model of vertically loaded plate anchors

2.2 模型试验加载系统与采集系统

模型试验采用的加载系统由加载架、导向装置、多功能电动伺服控制加载装置组成（见图3）。该系统通过位移控制或力控制模式通过电动缸对模型锚准确施加静荷载, 系缆力角度通过调节导向滑轮2#的位置进行控制。图3中的应变片式S形力传感器用于测量锚板所受的法向荷载，LVDT位移传感器用于测量锚板沿法向的位移，传感器测量的电信号通过A/D转换为数字信号由计算机记录储存。

图3 加载装置和测量装置Fig.3 Load apparatus and measuring apparatus

2.3 模型试验方法

由于法向承力锚所受静荷载为长期荷载，需要避免加载速率对锚的承载力产生影响。参考刘晶磊等[10]的研究方法，在模型试验 A#箱中，进行了 1组力控制下分级加载的试验，通过力控制加载试验所需的时长确定位移控制试验的加载速率。又进行了2组位移控制下加载速率分别为0.01 m/h和0.02 m/h的试验，对比试验结果以确认试验中采用的加载速率是否对试验产生影响。为获得不同上覆土条件下模型锚的位移破坏标准，在B#箱中进行了1组位移控制下加载速率为0.01 m/h的试验。试验过程如下：

① 利用沉锚连杆将锚板沿切向静压至预定试验位置，锚板贯入深度为36 cm（土层表面到锚板形心的距离），即 3倍锚板宽度。实际工程中，Stevemanta公司的 VLA系缆力方向与水平方向夹角一般为20°～40°[9]，为了更接近实际工况，模型锚板系缆力方向与水平方向夹角设定为30°。

② 沉锚会对周围土体产生一定的扰动，参考已有模型试验结果，沉锚后对沉锚区域堆载5 kPa左右的荷载并静置6 d，土体结构性和强度可以得到较好的恢复。土体恢复后，按照预定的加载方式进行试验。力控制的加载试验，采用分级加载的方式施加荷载，在某级加载后，位移保持相对稳定时记录锚板位移再进行下级加载，当位移不能随时间稳定时，认为达到极限承载力，停止试验。位移控制的加载试验通过设定恒定的加载速率进行，当法向力不随位移的增大而增大时，认为达到极限承载力。

③ 试验结束后，利用锚板尾部的回收系缆将锚板拔出，平整土层，并在试验箱的另一侧沉锚，静置恢复6 d后进行下一组试验。

3 模型试验结果与分析

3.1 法向承力锚位移破坏标准

图4为A#、B#箱中的4组模型试验的荷载位移曲线。从图中可以看出，位移控制下加载速率为0.01 m/h和0.02 m/h的试验结果接近，说明以低于0.02 m/h的加载速率进行加载可忽略加载速率对试验结果的影响；锚板法向受力小于30%极限抗拔承载力时，法向力随位移的增大呈近似线性增大，随着位移继续增大，模型锚的法向受力增长趋缓。为了更好地获得法向承力锚模型试验中的位移破坏标准，将法向力以极限承载力为标准、位移以锚板宽度为标准分别进行归一化处理，如图5所示。图中，横轴为系缆力与极限承载力的比值，纵轴为锚板沿系缆力方向位移与锚板宽度的比值。当锚板系缆方向位移达到约0.38倍锚板宽度时，法向受力增长缓慢且趋于稳定，锚板达到极限状态，此时稳定的法向力即为法向承力锚的极限承载力，对应的位移约为0.38倍锚板宽度，与文献[3]建议的（0.3±0.1）倍锚板宽度基本一致。

图4 锚板沿系缆方向的荷载-位移曲线Fig.4 Load-displacement curves along the mooring direction for VLA

图5 归一化的荷载-位移曲线Fig.5 Normalized load vs. normalized displacement

3.2 法向承力锚破坏时的极限承载力

为了计算法向承力锚的极限抗拔承载力，国外学者一般采用传统板锚的计算方法，通过原型试验、模型试验或数值模拟确定承载力系数，以此计算法向承力锚的极限抗拔承载力。通常使用以下公式计算法向承力锚的极限抗拔承载力：

式中：Nc为承载力系数；Su为埋深处土的不排水剪切强度；A为锚板面积[2]。

按照模型试验中锚板的尺寸、埋置深度、土体的强度等条件，参考文献[3]确定计算中所需的参数，Nc取11.5。采用十字板剪切试验确定不排水抗剪强度Su，依据式（1）计算法向承力锚的极限承载力。在每次试验后与模型试验中达到位移破坏标准时对应的极限承载力进行对比，见表3。结果表明，0.38倍锚板宽度的位移对应的极限承载力与式（1）的计算结果相比，相差均不超过10%，初步确定模型试验中得出的0.38倍锚板宽度为法向承力锚的位移破坏标准是较合理的。

表3 模型试验结果与经验公式计算结果对比Table 3 Comparison of results between model test and empirical formula

4 结 语

本研究在模型试验箱内，利用电动伺服加载控制装置，本次开展了力控制和位移控制两种加载模式下的法向承力锚模型试验，确定了法向承力锚达到极限承载力时的位移破坏标准。试验结果表明，埋深3倍锚板宽度、采用0.38倍锚板宽度作为法向承力锚的位移破坏标准时，模型试验得到的极限承载力与经验公式计算的极限承载力基本吻合。

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[2] 刘海笑, 杨晓亮. 法向承力锚极限抗拔力特性[J]. 海洋工程, 2006, 24(4): 8－14.LIU Hai-xiao, YANG Xiao-liang. Characteristics of ultimate pull-out capacity for vertically loaded anchors[J].The Ocean Engineering, 2006, 24(4): 8－14.

[3] Det Norske Veritas. RP－E302 Design and installation of drag-in plate anchors in clay[S]. Norwegian: Det Norske Veritas, 2002: 6－37.

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[9] Krimpen ad Yssel. Vryhof anchors[M]//Anchor Manual.Netherlands: [s. n.], 2005

[10] 刘晶磊, 王建华. 软土中张紧式吸力锚破坏标准模型试验与有限元分析[J]. 岩土力学, 2013, 34(9): 2058－2514.LIU Jing-lei, WANG Jian-hua. Model tests and finite element analysis of failure criterion of suction anchors with taut mooring systems in soft clay[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(9): 2058－2514.