深海黏土地基鱼雷锚承载性能与机理研究

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鱼雷锚一种适用于深海的新型锚固系统,具有操作简单、安装方便和造价低廉等优势,包括锚尖、锚杆、锚翼和锚端等部分。鱼雷锚从海床上预设高度释放,依靠自重获得贯入初速度;贯入海床一定深度后,通过锚链按设计角度与浮式海洋平台连接,由锚-土界面摩擦、锚端端承力和锚尖反向端承力共同提供承载力。鱼雷锚锚尖形状影响贯入阻力和反向承载力。然而,鱼雷锚锚尖贯入阻力及抗拔承载力的理论研究仍相对不足。精准测量土体强度是研究鱼雷锚承载力的基础,然而海洋工程地质成因复杂,部分海域海床表面有一层近似于宾汉姆流体的沉积土(土体强度极低)或超固结土,传统圆形探头T-bar测试技术并不适用。鉴于上述土体强度预测方法、鱼雷锚锚尖贯入阻力和承载性能研究尚存的问题,运用塑性极限分析理论,结合土工离心机试验和数值方法,进行系统研究并获得如下几点结论:(1)基于塑性极限分析理论,考虑T-bar探头长径比和土体界面摩擦对承载力的影响,提出了不同长径比适用土体范围:长径比大于1可执行较高的贯入速度测量较硬的土体,长径比小于1的椭圆形探头可测量强度较低的土体。建立联合测量土体强度和界面摩擦系数的理论预测方法,克服了传统圆形T-bar在高强度土体因不能完全回流而导致的测量误差问题,以及无法测量强度极低土体的强度问题。(2)基于塑性极限分析理论和数值方法,考虑界面摩擦、贯入深度、椭圆锚尖长径比和锥形锚尖夹角等因素对贯入阻力的影响,提出了随贯入深度增加的锚尖贯入阻力计算公式,为提高反算应变率参数的精度奠定基础。研究结果表明:当摩擦系数在0.4~0.5时,椭圆形锚尖长径比对贯入阻力系数的影响最小;较小夹角的锥形锚尖受界面摩擦力的影响较大,随着摩擦系数变化,与其它夹角锚尖均有相同贯入阻力系数(摩擦系数是0.4,锚尖夹角αc=15°和锚尖夹角45°的贯入阻力系数均为7.8)。(3)基于塑性极限分析上限和下限理论,考虑锚翼长度、宽度和厚度,水平荷载加载面角度以及界面摩擦对鱼雷锚水平向承载性能的影响,提出了鱼雷锚水平向承载力的理论计算方法。研究结果表明:①同一安装深度,均匀土体中窄锚翼鱼雷锚平均水平承载力系数12.97;正常固结土中鱼雷锚水平承载力系数随锚翼长径比增大略有降低;随着土体强度梯度增加先增大后减小,但是旋转中心位置不随k值变化。②鱼雷锚水平加载面β’=0°时,增大锚翼宽度,水平承载力破坏机理近似于平板锚;增大锚翼厚度,其水平承载力破坏机理趋近于方桩。③当粗糙鱼雷锚水平加载面β’=45°时,若增加锚翼宽度,水平承载力破坏机理近似于方桩;若增大锚翼厚度,水平承载力破坏机理从方桩过渡到矩形桩。(4)基于土工离心机试验、数值模拟和理论分析方法,系统研究了倾斜拉拔角度、锚型、埋深、固结时间和加载面角度等因素对鱼雷锚承载性能的影响规律,构建了竖向与水平向荷载作用下鱼雷锚破坏包络面,揭示了竖向与水平向荷载联合作用下鱼雷锚的承载性能与破坏机理。研究结果表明:拉拔倾角在30°~45°时,鱼雷锚承载力最大;相同锚翼侧表面积、土体强度和鱼雷锚安装深度条件下,不同锚翼形状的鱼雷锚旋转中心位置越靠近锚端,其水平向承载力越大。
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