吸力锚基础在黏土中的贯入特性
2021-12-24周树津张文耀薛娈鸾
周 密，周树津，张文耀，薛娈鸾
吸力锚基础在黏土中的贯入特性
周 密1,2，周树津1,2，张文耀3，薛娈鸾1,2
（华南理工大学1. 亚热带建筑科学国家重点实验室 / 2. 华南岩土研究院，广东 广州 510640；3. 广州打捞局，广东 广州 510260）
【】研究带有局部加劲肋的吸力锚基础在黏土中的贯入特性。利用大变形有限元中的耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法，研究土体硬化软化效应、加劲肋的尺寸以及土体的参数对吸力锚贯入土体失效机理的影响。对大量数值仿真结果进行统计，获得在海洋地基中吸力锚基础沉桩时的土体流动特性，在加劲肋进入土体之后，加劲肋底部受挤压的土体绕过加劲肋垂直向上流到表面。随着贯入深度增加，加劲肋上方的土体的开始回流进空腔内(r)，底部土体也绕过加劲肋发生旋转回流。当上部土体完全回流后，在回流的土体表面到原来的地表之间形成一定高度的空腔(c)。定量化评估了局部加劲肋对锚基础贯入时的土体流动机制的影响，得到加劲肋上部土体旋转回流高度和完全回流时形成的空腔高度的计算公式，据此能够准确了解其贯入机理。
吸力锚；沉桩贯入；CEL；土体流动
由于近海空间资源有限，海洋产业逐渐从近海向深水和超深水海域发展[1]。海上风电以及石油平台的基础结构形式伴随水深变化，从固定式支撑结构到漂浮式支撑结构演变。吸力锚基础，亦称作吸力桶、沉箱基础，是一种上部封闭、底端开口的钢筒结构。与传统桩基础相比，吸力锚基础的竖向、水平向承载力更大，有着更强的抗倾覆能力，能承受较大的上升系泊载荷[2]。吸力锚外壁壳体中包含有板眼部分，系泊链附着在板眼上。由于吸力锚基础的筒壁很薄（直径与厚度的比值在60到200之间）[3]，在上拔的锚固力作用下可能发生局部变形破坏。为避免吸力锚在较大系泊荷载下应力集中导致基础失效，常在板眼处局部加厚筒壁[4]。根据Randolph等[5]的研究，为优化锚固系泊力，系泊链的附着点通常位于总桩长的50% ～ 70%的深度。
在实际工程中，加劲肋常见形式包括沿内壁间隔布置的水平环向加劲肋[5-7]，板眼局部增厚环向加劲肋[8-9]，板眼处设置加强板（横向支撑板）[10-11]，以及用于重力式基础平台的竖向T型加劲肋[12]等。对于带有水平环向加劲肋的吸力锚，在加劲肋接触到土体时，桩内土体是否会回流以及何时回流，对于贯入阻力和土塞高度的预测都有很大影响。为研究加劲肋对吸力锚贯入特性的影响，国内外学者开展许多研究，主要是通过离心机试验[4,13-15]和数值计算[16-17]。Hossain等[4]对两块带加劲肋的板进行离心机试验，板的一侧紧靠透明玻璃箱，采用粒子图像测速（PIV）技术对位移矢量进行量化，可直观揭示加劲肋周围土体的流动形态。Wang等[17]和Zhou等[16]利用网格重划分和插值技术（RITSS）进行大变形有限元数值模拟，研究加劲肋沉箱基础的贯入特性。
本研究通过大变形有限元耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法模拟吸力锚静压贯入的施工过程，分析吸力锚基础板眼局部增厚（单个环向加劲肋）对贯入特性的影响。在大变形有限元分析基础上，对不同加劲肋尺寸、贯入深度、黏土抗剪强度以及应变软化参数进行参数分析，阐述吸力锚贯入过程的土体流动机理以及它的近似表达式，以期为工程实践提供理论基础。
1 数值模型
1.1 CEL方法
在数值软件Abaqus/Explicit[18]中使用耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法，基于显式积分进行大变形有限元分析。在有限元模型中，吸力锚基础定义为拉格朗日体，土体定义为欧拉体，通过计算每个单元中的欧拉体积分数（E），可以跟踪欧拉材料（土体）在流过固定欧拉网格时的情况。欧拉单元可以完全被材料填充（E= 1），部分填充（0 在吸力锚贯入黏土过程中，高应变率会引起周围土体剪切强度增大（称为土体率效应），同时，土体扰动（即应变软化）会导致土体抗剪强度降低。Einav等[19]提出应变软化模型可有效考虑黏土的不排水剪切强度的演化，该模型服从Tresca准则，同时能够考虑应变率和应变软化的影响，表达式为 其中，Δ1和Δ3分别为增量Δ间的最大和最小主应变。为当前累积的绝对塑性剪切应变，可按式（3）计算 这种考虑土体软化和率效应模型已普遍应用于海洋工程问题的数值模拟中[21-23,25]。本研究的数值模型使用Abaqus/Explicit中的用户子程序VUSDFLD，实现在吸力锚基础贯入过程中考虑土体软化和率效应。首先，通过VUFIELD设置一个与网格坐标关联的场变量，使抗剪强度随深度变化，作为下一步计算的初始状态变量。在子程序VUSDFLD中，通过调用应用程序VGETVRM和VSPRINC得到塑性剪切应变分量，计算塑性应变分量的增量以及最大、最小主应变增量，根据式（2）和（3）计算剪切应变速率和累积的绝对塑性剪切应变，然后按式（1）更新土体的剪切强度。 图1 吸力锚贯入黏土示意 在有限元分析中，为减少计算时间，只对吸力锚基础和土体取1/4模型进行模拟，长度和宽度为5，深度为10，以避免边界效应的影响。在桩基础贯入过程中，在地表上方预留度为0.5的空层，便于考虑土体的隆起（图2）。土体四周采用法向速度为零的约束条件，底部边界固定所有方向的速度为零。吸力锚采用带有8节点拉格朗日单元（C3D8R），而土体的欧拉域是由8节点欧拉单元（EC3D8R）组成。采用基于库仑摩擦定律的通用接触算法模拟桩与周围土体的接触，罚函数中摩擦系数c取值一般在0.10 ～ 0.42之间[26-28]，本研究的有限元模型采用摩擦系数c= 0.20。 土体采用不排水条件下基于Tresca屈服准则的软土弹塑性本构模型，泊松比= 0.49，模量比/u= 500（为杨氏模量），摩擦角和膨胀角== 0。 地应力平衡通过0= 1（0为侧向土压力系数）施加预应力场与土体自重平衡。在初始地应力平衡步骤后，将吸力锚以恒定速度贯入土中。在显式动态分析中，贯入速度对计算时间和结果的准确性有很大影响。通过对速度敏感性分析，当吸力锚模拟贯入速度为0.1 m/s，该速度大于实际贯入速度，但是通过参数分析证明该速度不影响计算精度，进而可提高计算效率和获得较高精度。 图2 有限元模型 图3 模型验证（土体流动机制） 以上模型验证，表明本研究采用的大变形有限元方法在捕捉土体流动机理和预测贯入阻力的有效性和准确性。 图4 模型验证（贯入阻力） (a) 不同位置处的土体隆起；(b) 不同贯入深度的土体隆起 3.2.2 相对延展性系数95的影响 为研究相对延展性系数95对贯入特性的影响，选取相对延展性系数95= 10、25、50等三种情况，具体数值结果见图7（/= 2）。从图中可见，相对延展性系数95对土体流动有一定影响。95值不同，在加劲肋上部土体完全回流后，桩内土体表面隆起高度与形态亦不相同。95越大，土体回流越慢，回流后形成的空腔高度越大，这与Hossain等[30]在研究土体应变软化对纺锤形基础贯入过程中土体流动的影响规律一致。 d/D = 2 d / D = 1.5 对于非均质软土，其不排水剪切强度一般随着土体深度的增加而线性增加。本研究选用Tresca本构模型来对饱和软黏土进行模拟，土体不排水剪切强度随深度的线性变化率常用取值范围为0.5 ～ 2[3,16]。为研究土体抗剪强度对吸力锚贯入特性的影响，本研究选择三种不同抗剪强度的土体，包括软弱黏土u0= 1 + 0.5，一般强度黏土u0= 5 +，硬黏土u0= 10 + 2。由图9可见，土体强度越大，桩芯土和桩底下部土体都受到影响。这是因为土体强度越大，发生剪切破坏时调动的土体越多，流动范围越大。在贯入深度为/= 1.5时，加劲肋已完全进入土体。当土体剪切强度较低时（u0= 1 + 0.5），桩内土体在加劲肋进入土体时马上回流，在加劲肋上方土体和桩内壁之间不会形成空腔。当土体泥面剪切强度较高时（u0= 10 + 2），加劲肋上方土体和桩内壁形成空腔，该处的土不会回流到加劲肋和内壁之间的缝隙中，而是垂直向上流到表面。从图9中可见，当土体强度较大，加劲肋上方土体不回流时，桩芯土的隆起高度要比剪切强度低的土回流时大得多。在贯入深度为/= 2.5时，泥面强度较低的土（u0= 1 + 0.5）完全回流，而当土体剪切强度较高时（u0= 10 + 2），加劲肋底部土体绕加劲肋回流进加劲肋上方间隙，在加劲肋的上表面和桩内壁之间形成一个三角形的空隙。 (a) d / D = 1.5；(b) d / D = 2.5 为研究加劲肋几何尺寸对吸力锚贯入特性的影响，选取加劲肋高度= 0.5、1.0、2.0 m，加劲肋宽度= 0.1、0.2、0.3 m。图10(a)显示，加劲肋高度不同，加劲肋上方土体回流形态基本没有差别，但是加劲肋下方土体发生旋转回流的距离不同。加劲肋宽度对吸力锚贯入的土体流动形态的影响见图10(b)，加劲肋宽度越大，桩进入土体的体积越大，桩内因受挤压而隆起的土体越多；同时，加劲肋宽度越大，加劲肋上部土体越容易发生回流。图10(b)显示，当加劲肋宽度较小时（= 0.1 m），加劲肋底部受挤压的土体主要是向下运动；当加劲肋的宽度较大时（= 0.3 m），加劲肋底部土体受到挤压，靠近裙壁一侧的土体向下运动，远离裙壁一侧的土体绕过加劲肋发生旋转回流。加劲肋宽度越大，底部受挤压的土体越多，发生旋转回流的现象越明显。 图10 加劲肋的几何尺寸对贯入特性的影响 带单个加劲肋的吸力锚在贯入黏土过程中的土体流动机制见图11，在加劲肋进入土体后，加劲肋上方土体和内壁之间形成空腔，加劲肋底部受挤压的土体绕过加劲肋垂直向上流到表面。加劲肋上部土体能保持垂直的最大高度为r（也称为旋转回流高度）。随着贯入深度增加，加劲肋上方土体开始回流进空腔内，底部土体也绕过加劲肋发生旋转回流。当达到一定深度，上部土体完全回流，在回流土体的表面到原来的地表之间存在一定的高度差，用c表示。 图11 土体流动机制 有限元计算结果与公式拟合结果对比（图12），可看到结果基本吻合。 (a) 旋转回流高度Hr；(b) 完全回流后形成的空腔高度Hc 为研究带加劲肋的吸力锚基础贯入海洋黏土过程中土体流动机制，本研究运用耦合欧拉-拉格朗日（CEL）方法模拟吸力锚贯入饱和黏土的过程，分析基础板眼局部增厚（单个环向加劲肋）对贯入特性的影响，考虑不同加劲肋尺寸、贯入深度、黏土抗剪强度以及应变软化参数四个影响因素，得出以下结论： 1）加劲肋对吸力锚土体流动机制存在较大影响，贯入前期会在加劲肋上方形成空腔，空腔高度主要受归一化土体强度影响。 2）土体软化-硬化参数对土体流动机制存在一定的影响，95越大，土体回流的越慢，回流后形成的空腔高度越大。土体的灵敏度t越大，土体能够保持垂直的高度越小，越容易发生回流。 3）加劲肋的几何尺寸对土体流动机制有较大影响。加劲肋尺寸越大，桩内的挤土效应越明显，土体隆起高度越大。加劲肋的高度对旋转回流高度以及完全回流后的空腔高度没有影响，加劲肋的宽度越大，越容易发生回流。 4）拟合出加劲肋上部土体旋转回流高度和完全回流时形成的空腔高度的计算公式，据此能够准确了解其贯入机理。 [1] 袁剑平, 毛鸿飞, 潘新祥, 等. 海上浮式风机研究现状展望——基于南海海域[J]. 广东海洋大学学报, 2020, 40(5): 133-138. 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For further penetration, a rotational flow mechanism around the stiffener is developed, with the deformed soil starting to flow back into the gap. Eventually the gap is fully filled, leading to a cavity between the soil surface and the inner skirt. 【】A new soil flow mechanism of stiffened caisson penetration is proposed which quantify the effect of stiffener. The two formulas for predicting the rotational height and critical height have been concluded, which can guide engineers to estimate the failure mechanism of caisson installation. suction caisson; penetration; CEL; soil flow mechanism TS214.2 A 1673-9159（2021）06-0108-10 10.3969/j.issn.1673-9159.2021.06.013 周密，周树津，张文耀，等. 吸力锚基础在黏土中的贯入特性[J]. 广东海洋大学学报，2021，41（6）：108-117. 2021-06-08 广东省基础与应用基础研究基金（2021A1515010828） 周密（1983―），男，博士，副教授，主要从事海洋岩土研究。E-mail: zhoumi@scut.edu.com 张文耀（1985―），男，硕士，工程师，主要从事船舶与海洋工程、海上风电前沿施工。E-mail: zwy0401@sina.com1.2 土体软化和率效应模型
1.3 几何参数
1.4 有限元模型
2 模型验证
3 结果与分析
3.1 不同贯入深度下的土体流动机制
3.2 土体软化和率效应参数对贯入特性的影响
3.3 土体抗剪强度对贯入特性的影响
3.4 加劲肋几何尺寸对贯入特性的影响
3.5 带加劲肋吸力锚在贯入过程中的土体回流空腔高度
4 结论
