劉 君， 李 明 治， 韓 聰 聰

( 1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024；2.上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 上海 200434 )

土體率效應(yīng)對(duì)動(dòng)力錨沉貫深度影響

劉 君*1， 李 明 治1,2， 韓 聰 聰1

( 1.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024；2.上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司, 上海 200434 )

動(dòng)力安裝錨(簡(jiǎn)稱動(dòng)力錨)是一種依靠自重進(jìn)行安裝、適用于深海錨泊系統(tǒng)的新型錨固基礎(chǔ)．在動(dòng)力沉貫過(guò)程中，土體經(jīng)受很高的剪應(yīng)變率(約25 s-1)，因此必須考慮土體率效應(yīng)影響．總結(jié)了以往關(guān)于土體率效應(yīng)的研究成果，整理了常用3種率效應(yīng)模型中參數(shù)的取值范圍，采用運(yùn)動(dòng)微分方程研究了不同率效應(yīng)模型參數(shù)對(duì)動(dòng)力錨沉貫深度的影響．結(jié)果表明：土體率效應(yīng)會(huì)造成動(dòng)力錨的沉貫深度顯著減小，可偏小30%～40%；當(dāng)率效應(yīng)參數(shù)較大時(shí)，錨的沉貫深度對(duì)參考應(yīng)變率的變化比較敏感；摩擦項(xiàng)與端承項(xiàng)的率效應(yīng)比值對(duì)動(dòng)力錨的沉貫深度影響較大，需要進(jìn)一步研究該比值的確切取值方法；給出了可以滿足任意形狀和深度的矩形基礎(chǔ)承載力計(jì)算公式．

海洋基礎(chǔ)；動(dòng)力錨；率效應(yīng)；沉貫深度；承載力系數(shù)

0 引 言

動(dòng)力安裝錨(dynamically installed anchors，DIAs)簡(jiǎn)稱動(dòng)力錨，是一種依靠自重進(jìn)行安裝、適用于深海錨泊系統(tǒng)的新型錨固基礎(chǔ)[1]．在安裝時(shí)，首先將錨釋放至距離海床表面一定高度處(50～150 m)，然后松開(kāi)安裝錨鏈，錨在自重作用下貫入海床中．動(dòng)力錨需要較高的貫入速率(15～25 m/s)以達(dá)到較深的沉貫深度，提供足夠的抗拔承載力．動(dòng)力錨的沉貫過(guò)程是一個(gè)土體經(jīng)受高剪應(yīng)變率的過(guò)程，因此必須考慮土體率效應(yīng)影響．

土體率效應(yīng)是指土的抗剪強(qiáng)度隨剪應(yīng)變率提高而增大的現(xiàn)象[2]．土體率效應(yīng)大小取決于貫入物體的形狀和尺寸、貫入速度和土體的密度、滲透性及超固結(jié)比(OCR)等特性．大部分海床土為低滲透性黏土或鈣質(zhì)土，所以對(duì)于動(dòng)力錨的沉貫過(guò)程，必須考慮率效應(yīng)導(dǎo)致的土體強(qiáng)度增加效應(yīng)．土體率效應(yīng)對(duì)動(dòng)力錨的沉貫深度影響程度如何，不同的率效應(yīng)模型又有怎樣的影響目前還不得而知．

本文首先總結(jié)以往關(guān)于土體率效應(yīng)的研究結(jié)果，整理常用3種率效應(yīng)模型中的參數(shù)取值范圍．在此基礎(chǔ)上，采用基于牛頓第二運(yùn)動(dòng)微分方程研究率效應(yīng)參數(shù)對(duì)動(dòng)力錨沉貫深度的影響，旨在揭示動(dòng)力錨貫入過(guò)程中率效應(yīng)對(duì)沉貫深度的影響范圍．

1 率效應(yīng)模型

表征率效應(yīng)的主要模型有3種：冪函數(shù)型、半對(duì)數(shù)型和反雙曲正弦型，如下式所示：

(1a)

(1b)

(1c)

(2)

參考剪應(yīng)變率的取值應(yīng)考慮兩方面的因素：首先，參考剪應(yīng)變率應(yīng)該足夠大以確保土體處于不排水狀態(tài)；其次在保證土體處于不排水狀態(tài)的前提下，參考剪應(yīng)變率應(yīng)足夠小，盡可能使剪應(yīng)變率與參考剪應(yīng)變率的比值有2～3個(gè)量級(jí)的變化量，以便對(duì)比剪應(yīng)變率對(duì)率效應(yīng)的影響．

2 已有的率效應(yīng)研究成果

確定土體強(qiáng)度的試驗(yàn)方法主要有三軸試驗(yàn)、錐形貫入儀試驗(yàn)(CPT)以及十字板剪切試驗(yàn)．近年來(lái)，T形和球形貫入儀及動(dòng)態(tài)錐形貫入儀(FFP)也越來(lái)越多地用于測(cè)量土體強(qiáng)度．不同類型試驗(yàn)用到的貫入儀形狀、剛度、粗糙度等也不同，得到的率效應(yīng)大小有所差別[2-4]，但差別不大．海床土大多為黏性土[5]，所以本文主要總結(jié)了黏土和鈣質(zhì)土土體率效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果．

2.1 三軸試驗(yàn)

因三軸試驗(yàn)可嚴(yán)格控制土樣的排水狀態(tài)和外加荷載，所以其能精確測(cè)量土的不排水抗剪強(qiáng)度．表1總結(jié)了以往的三軸試驗(yàn)結(jié)果．從表1可以看出，剪應(yīng)變率每增長(zhǎng)一個(gè)量級(jí)，土強(qiáng)度的增長(zhǎng)范圍為8%～20%．根據(jù)率效應(yīng)的定義，可反算得出率效應(yīng)參數(shù)β、λ和λ′的范圍分別為0.034～0.079、0.080～0.200和0.027～0.067．

2.2 十字板剪切試驗(yàn)

十字板剪切試驗(yàn)耗時(shí)短、操作簡(jiǎn)單，在確定原位黏土不排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中得到了廣泛應(yīng)用[11]．表2列出了幾種有代表性的試驗(yàn)結(jié)果．

從表2可以看出，除了Schlue等[14]的結(jié)果，剪應(yīng)變率每增長(zhǎng)一個(gè)量級(jí)對(duì)應(yīng)的土強(qiáng)度增長(zhǎng)范圍為10%～30%．有一點(diǎn)需要說(shuō)明的是，土體的含水量越高，其峰值強(qiáng)度的率效應(yīng)會(huì)越明顯．Schlue等[14]的試驗(yàn)探測(cè)了3種含水量的土樣，含水量分別是71%、112%、177%．對(duì)于含水量為177%的土樣，其流動(dòng)機(jī)制近乎于黏滯流體，因此得到的率效應(yīng)參數(shù)比其他結(jié)果要大出很多．另一點(diǎn)需要說(shuō)明的是，恒定的率效應(yīng)參數(shù)(β、λ、λ′)可能會(huì)低估高剪應(yīng)變率情況下土體的率效應(yīng)[15]．這一點(diǎn)在O′Loughlin等[17]關(guān)于魚雷錨動(dòng)力沉貫的離心模型試驗(yàn)中也得到了印證，率效應(yīng)參數(shù)會(huì)隨沉貫速度的增大而增大．因此，當(dāng)剪應(yīng)變率的變化范圍超過(guò)4個(gè)量級(jí)時(shí)，恒定的率效應(yīng)參數(shù)可能不再適合描述土體率效應(yīng)[15-16]．

表1 三軸試驗(yàn)得到的率效應(yīng)研究結(jié)果

表2 十字板剪切試驗(yàn)得到的率效應(yīng)研究結(jié)果

2.3 T形貫入儀和球形貫入儀試驗(yàn)結(jié)果

T形和球形貫入儀作為新型測(cè)量土體不排水抗剪強(qiáng)度的貫入儀，在海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛．當(dāng)沉貫深度足夠大時(shí)，貫入儀周圍土體呈全流機(jī)制，土體塑性區(qū)只在貫入儀附近的區(qū)域發(fā)展，此時(shí)承載力系數(shù)為常數(shù)．關(guān)于T形和球形貫入儀確定土體率效應(yīng)的試驗(yàn)如表3所示．

如前文所述，同一種土樣的率效應(yīng)會(huì)隨著試驗(yàn)方法的不同而出現(xiàn)偏差．表3中同一種土樣(Burswood黏土)通過(guò)T形和球形貫入儀測(cè)出的率效應(yīng)參數(shù)有所不同[20]．從表3中可知，剪應(yīng)變率每增加一個(gè)量級(jí)對(duì)應(yīng)的土強(qiáng)度增長(zhǎng)量范圍是10%～38%．

2.4 其他試驗(yàn)

除了上述試驗(yàn)方法，還有一些其他試驗(yàn)方法可以確定土體率效應(yīng)，如錐形貫入試驗(yàn)、單剪試驗(yàn)以及FFP試驗(yàn)，相關(guān)結(jié)果如表4所示．錐形貫入儀側(cè)壁摩阻項(xiàng)對(duì)應(yīng)的率效應(yīng)參數(shù)明顯高于端承阻力項(xiàng)的率效應(yīng)參數(shù)，因?yàn)樨炄雰x側(cè)壁附近的剪切帶要比錐尖處更窄，對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變率更大[24]．根據(jù)Einav等[24]的研究成果，表征率效應(yīng)的冪函數(shù)公式(1a)可改寫為

(3)

式中：μ是一個(gè)量綱為一的量，端承阻力項(xiàng)和側(cè)壁摩阻項(xiàng)的率效應(yīng)對(duì)應(yīng)的μ分別取1和(1/β-1)．

從表4中可以得出，除了Dayal等[16]的結(jié)果外，剪應(yīng)變率每增加一個(gè)量級(jí)對(duì)應(yīng)的土強(qiáng)度提高12%～35%(端承阻力項(xiàng))．在Dayal等[16]的試驗(yàn)中，土強(qiáng)度范圍為3～81 kPa，結(jié)果表明強(qiáng)度越低，率效應(yīng)越明顯．強(qiáng)度為3 kPa的土樣對(duì)應(yīng)端承阻力項(xiàng)的Δsu=150%；而強(qiáng)度在9～81 kPa的土樣對(duì)應(yīng)的Δsu=25%～3%．這一低強(qiáng)度土體率效應(yīng)顯著增長(zhǎng)的現(xiàn)象與Schlue等[14]的試驗(yàn)結(jié)果相似．這可能是對(duì)于某一種黏土，存在一個(gè)強(qiáng)度臨界值，當(dāng)土體強(qiáng)度低于該臨界值時(shí)，土體會(huì)呈現(xiàn)明顯的黏滯性．

表3 T形和球形貫入儀試驗(yàn)得到的率效應(yīng)研究結(jié)果

表4 土體率效應(yīng)的其他類型試驗(yàn)研究結(jié)果

2.5 率效應(yīng)參數(shù)取值范圍匯總

綜上所述，剪應(yīng)變率每增加一個(gè)量級(jí)對(duì)應(yīng)的土強(qiáng)度增長(zhǎng)范圍是8%～38%．影響率效應(yīng)的因素可歸為以下幾類：

(1)不同的試驗(yàn)方法由于貫入儀形狀、尺寸、粗糙度等不同得到的率效應(yīng)參數(shù)會(huì)有所不同；

(2)低強(qiáng)度和低超固結(jié)比的土體可能會(huì)表現(xiàn)出更明顯的率效應(yīng)[6,12-13,15]；

(3)當(dāng)剪應(yīng)變率改變量超過(guò)4個(gè)量級(jí)時(shí)，恒定的率效應(yīng)參數(shù)可能會(huì)低估土體率效應(yīng)[15-16]；

(4)可能存在一個(gè)臨界強(qiáng)度值，當(dāng)土強(qiáng)度低于該臨界值時(shí)，土體率效應(yīng)會(huì)顯著提高．

通常海洋工程中采用的T形貫入儀尺寸為L(zhǎng)T×DT=250 mm×40 mm(LT為T形桿的長(zhǎng)度，DT為T形桿的直徑)，球形貫入儀直徑為113 mm，錐形貫入儀直徑為36～44 mm[25]．如果3種貫入儀的貫入速度均為20 mm/s，則貫入儀的應(yīng)變率范圍在0.18 s-1到0.5 s-1．在動(dòng)力錨沉貫問(wèn)題數(shù)值模擬中，推薦的參考應(yīng)變率為0.1 s-1[26]．綜合表1～4的參考應(yīng)變率，實(shí)際工程中貫入儀的應(yīng)變率以及本文所要研究動(dòng)力錨的速度及等效直徑等因素，本文選取的參考應(yīng)變率分別為0.01、0.1、0.5 s-1，盡可能使動(dòng)力錨的剪應(yīng)變率與參考剪應(yīng)變率的比值有2～3個(gè)量級(jí)的變化量，但不超過(guò)4個(gè)量級(jí)．根據(jù)上述總結(jié)，不同率效應(yīng)模型對(duì)應(yīng)的率效應(yīng)參數(shù)的取值范圍如表5所示．

表5 應(yīng)變率參數(shù)及參考剪應(yīng)變率的取值范圍

3 率效應(yīng)對(duì)動(dòng)力錨沉貫深度的影響

3.1 動(dòng)力錨沉貫深度預(yù)測(cè)程序的驗(yàn)證

本文僅僅研究土體率效應(yīng)對(duì)錨沉貫深度的影響，故在忽略錨鏈的附加質(zhì)量及錨鏈與水相互作用的情況下，根據(jù)True[2]的分析，動(dòng)力錨在沉貫時(shí)的受力如圖1所示．

(a) 魚雷錨

(b) 板形重力安裝錨

圖1 動(dòng)力錨沉貫時(shí)受到的作用力

Fig.1 Forces acting on dynamically installed anchors during penetrating in clay

依據(jù)牛頓第二定律，動(dòng)力錨沉貫深度的微分方程如下式所示：

(4)

式中：m是錨的質(zhì)量，t是時(shí)間，z是錨在t時(shí)刻的沉貫深度，Ws是錨在水中的重量，F(xiàn)b是錨的垂直于錨軸線方向的橫截面受到的端承阻力，F(xiàn)f是錨側(cè)壁受到的摩阻力，F(xiàn)γ是土體對(duì)錨的浮力，F(xiàn)d是錨受到的拖曳阻力．

Fb=Ncsu0Ab

Ff=αsu0Af

Fγ=γ′V

Fd=0.5CdρApv2

其中Nc是錨的橫截面對(duì)應(yīng)形狀的基礎(chǔ)承載力系數(shù)，對(duì)于魚雷錨和板形重力安裝錨的扁平狀翼板，可取Skempton[27]給出的深埋條形基礎(chǔ)的承載力系數(shù)Nc=7.5，對(duì)于魚雷錨的錨軸，可按照Ma等[28]給出的CPT的承載力系數(shù)公式，取為12.0；su0是土的靜態(tài)不排水剪切強(qiáng)度；Ab是t時(shí)刻錨沒(méi)入土中部分的橫截面積．

Af是錨的表面積；α是錨土界面摩擦因數(shù)，通常取為土體靈敏度的倒數(shù)．

γ′是土的浮重度，V是錨擠開(kāi)土的體積．

Cd是拖曳力系數(shù)，通常錨的長(zhǎng)細(xì)比越大，形狀越復(fù)雜，Cd值越大，根據(jù)?ye[29]給出的研究結(jié)果，魚雷錨的Cd取0.65，根據(jù)Kim等[26]給出的結(jié)果，板形重力安裝錨的Cd取0.63；ρ是土體的浮密度；Ap是錨垂直于軸線方向的投影面積；v是錨在t時(shí)刻的速度．

Rf1和Rf2分別表征土體率效應(yīng)在錨的端承阻力項(xiàng)和側(cè)壁摩阻項(xiàng)中的增強(qiáng)效應(yīng)．Rf1的計(jì)算如式(1)、(2)所示．在計(jì)算魚雷錨和板形重力安裝錨的沉貫深度時(shí)，式(2)中的d分別代表魚雷錨的錨軸直徑和板形重力安裝錨的等效直徑(與橫截面積等效的圓的直徑)．雖然式(3)給出了冪函數(shù)形式的Rf1和Rf2的不同，且近幾年一些學(xué)者[22-23]通過(guò)FFP試驗(yàn)得出Rf2/Rf1的取值范圍在1.0～2.0，但具體的比值尚無(wú)定論．本文的主旨并非探討動(dòng)力錨的絕對(duì)沉貫深度，因此Rf2/Rf1的具體數(shù)值就顯得不是特別重要．所以如無(wú)特殊說(shuō)明，以下算例的Rf2/Rf1均根據(jù)O′Loughlin等[17]的取值方法取為1.0．

許多學(xué)者在式(4)基礎(chǔ)上對(duì)動(dòng)力錨的沉貫深度進(jìn)行了研究，其中O′Loughlin等[17]依據(jù)離心機(jī)模型試驗(yàn)并結(jié)合式(4)做了較多關(guān)于魚雷錨沉貫深度的研究工作．本文首先根據(jù)式(4)編制了計(jì)算動(dòng)力錨沉貫深度的Matlab程序，模擬了O′Loughlin 等[17]的兩種魚雷錨的離心機(jī)模型試驗(yàn)，并進(jìn)行了對(duì)比，以此驗(yàn)證本文所編制程序的正確性．從圖2所示對(duì)比結(jié)果可以看到兩者的吻合程度很好，表明本文所編制程序是準(zhǔn)確的．然后根據(jù)前文總結(jié)的土體率效應(yīng)參數(shù)的取值范圍，使用該程序分析了土體率效應(yīng)參數(shù)對(duì)魚雷錨和板形重力安裝錨沉貫深度的影響．

(a) 無(wú)尾翼魚雷錨

(b) 有尾翼魚雷錨

圖2 魚雷錨沉貫深度

Fig.2 Penetration depth of torpedo anchors

3.2 率效應(yīng)參數(shù)對(duì)魚雷錨沉貫深度的影響

魚雷錨的形狀及幾何參數(shù)如圖3(a)所示，錨的質(zhì)量為98 t，錨的初始沉貫速度是20 m/s，土的不排水抗剪強(qiáng)度su0=(5+2z) kPa，土的浮容重為6 kN/m3．

(a) 魚雷錨 (b) 板形重力安裝錨

從表6可以看出，土體率效應(yīng)參數(shù)(β、λ、λ′)對(duì)魚雷錨的沉貫深度影響很大，甚至可達(dá)30%以上．錨土之間的摩擦因數(shù)α對(duì)魚雷錨沉貫深度影響也較大，從其變化的幅值來(lái)看可達(dá)27.8%．因此魚雷錨的沉貫過(guò)程分析必須細(xì)致考慮土體率效應(yīng)和錨土界面摩擦效應(yīng)對(duì)錨的沉貫深度的影響．

表6 魚雷錨沉貫深度變化范圍

(a) ref=0.1 s-1 (b) β=0.05 (c) α=0.33

前文述及，由于魚雷錨的翼板厚寬比接近0.1，很多學(xué)者將翼板受到的端承阻力按照深埋條形基礎(chǔ)的承載力進(jìn)行計(jì)算，并使用Skempton[27]給出的承載力系數(shù)Nc=7.5計(jì)算動(dòng)力錨沉貫過(guò)程中翼板受到的端承阻力．

然而通過(guò)梳理近20年來(lái)其他學(xué)者[30-32]的研究成果發(fā)現(xiàn)：深埋條形基礎(chǔ)的承載力系數(shù)并非7.5．如圖5所示，Skempton[27]認(rèn)為條形基礎(chǔ)埋深超過(guò)4倍基礎(chǔ)寬度時(shí)，即為深埋情況，承載力系數(shù)達(dá)到7.5后不再增長(zhǎng)．而Salgado等[30]、Edwards等[31]以及Quoc[32]給出的結(jié)果是：條形基礎(chǔ)的埋深達(dá)到了5倍基礎(chǔ)寬度時(shí)，其承載力系數(shù)仍然有增長(zhǎng)的趨勢(shì)，且高出7.5較多．因此本文采用ABAQUS有限元軟件計(jì)算了長(zhǎng)寬比為0.05、0.10 的矩形基礎(chǔ)以及條形基礎(chǔ)在較大埋深(最大埋深達(dá)到了150倍基礎(chǔ)寬度)情況下的承載力系數(shù)．

圖5 不同埋深情況的條形基礎(chǔ)承載力系數(shù)

由于對(duì)稱性，采用1/4模型計(jì)算，有限元網(wǎng)格如圖6所示．土體采用理想彈塑性材料，滿足Tresca屈服準(zhǔn)則；基礎(chǔ)的剛度通常遠(yuǎn)大于土體，因此將基礎(chǔ)視為剛體．通過(guò)網(wǎng)格收斂性分析，采用B/50(B為基礎(chǔ)寬度)作為土體最小網(wǎng)格尺寸，既能滿足精度要求又能有效控制計(jì)算時(shí)間．基礎(chǔ)棱角處的土體的塑性應(yīng)變較大，因此棱角處土體網(wǎng)格密度較大，而遠(yuǎn)離該區(qū)域的土體網(wǎng)格密度較?。?jīng)過(guò)比較分析，土體單元類型選擇一階完全積分的六面體雜交單元(C3D8H)．土體與基礎(chǔ)之間接觸光滑．土體底面為鉸支約束，側(cè)壁為滾軸約束．加載方式為給基礎(chǔ)一個(gè)向下的位移荷載，直至土體的抗力達(dá)到一個(gè)屈服平臺(tái)為止．圖7所示為B/L= 0.05，D/B= 10情況下承載力系數(shù)隨著基礎(chǔ)量綱一位移的變化情況(L為基礎(chǔ)長(zhǎng)度，D為基礎(chǔ)上表面的埋深)．圖中的橫坐標(biāo)為基礎(chǔ)的量綱一位移，E為土體的彈性模量，δ為基礎(chǔ)的位移．

所有工況的承載力系數(shù)結(jié)果如圖8中的散點(diǎn)所示．依據(jù)計(jì)算結(jié)果采用Origin擬合了一個(gè)計(jì)算薄板基礎(chǔ)在較大埋深情況下的承載力系數(shù)計(jì)算公式，如下式所示：

Nc=5.14×{1.022+0.063B/L+c1ln(1+c2(D/B))}

(5)

其中

圖8 矩形基礎(chǔ)的極限承載力系數(shù)

3.3 率效應(yīng)參數(shù)對(duì)板形重力安裝錨沉貫深度的影響

板形重力安裝錨形狀及幾何參數(shù)如圖3(b)所示．錨質(zhì)量為39.8 t，錨的初始沉貫速度是20 m/s．土體不排水抗剪強(qiáng)度su0=(2.4+1.1)zkPa，土體浮容重為6 kN/m3．率效應(yīng)參數(shù)的取值范圍及對(duì)沉貫深度的影響如表7所示，表中的沉貫深度變化范圍的計(jì)算方法與魚雷錨的相同．

從表7可以看出，土體率效應(yīng)參數(shù)(β、λ、λ′)對(duì)板形重力安裝錨的沉貫深度影響更大，甚至可達(dá)40%以上．錨土之間的摩擦因數(shù)α對(duì)板形重力安裝錨沉貫深度影響也較大，從其變化的幅值來(lái)看可達(dá)22.0%．因此板形重力安裝錨的沉貫過(guò)程分析必須細(xì)致考慮土體率效應(yīng)和錨土界面摩擦效應(yīng)對(duì)錨的沉貫深度的影響．

表7 板形重力安裝錨沉貫深度變化范圍

(a) ref=0.10 s-1

(b)λ=0.14

(c)α=0.33

圖9 率效應(yīng)參數(shù)的相互影響(板形重力安裝錨)

Fig.9 The mutual effect of strain-rate effect parameters (gravity installed plate anchor)

4 結(jié) 論

(1)不論是魚雷錨，還是板形重力安裝錨，土體率效應(yīng)均會(huì)造成錨的沉貫深度偏小31%～42.1%，所以在評(píng)估魚雷錨和板形重力安裝錨的沉貫深度時(shí)，必須考慮率效應(yīng)．

(2)當(dāng)率效應(yīng)參數(shù)(β、λ、λ′)較大時(shí)，錨的沉貫深度對(duì)參考應(yīng)變率的變化比較敏感．因此當(dāng)率效應(yīng)參數(shù)較大時(shí)，需謹(jǐn)慎選擇參考應(yīng)變率．

(3)摩擦項(xiàng)和端承項(xiàng)的率效應(yīng)比值Rf2/Rf1對(duì)魚雷錨和板形重力安裝錨的沉貫深度影響較大，但目前關(guān)于Rf2/Rf1的取值尚無(wú)定論，因此需要進(jìn)一步研究Rf2/Rf1的確切取值方法．

(4)目前常用的率效應(yīng)模型均可以很好地描述土體率效應(yīng)，在本文所研究的參數(shù)范圍內(nèi)，3種模型給出基本一致的影響．因此選擇任何一個(gè)模型來(lái)描述土體率效應(yīng)對(duì)沉貫深度的影響均可．但計(jì)算翼板的端承阻力時(shí)，采用以往的條形基礎(chǔ)的承載力系數(shù)是偏于危險(xiǎn)的．

(5)給出了可以滿足任意形狀和深度的矩形基礎(chǔ)承載力計(jì)算公式．

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Influence of soil strain-rate effect on embedment depth of dynamically installed anchors

LIU Jun*1, LI Mingzhi1,2, HAN Congcong1

( 1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China； 2.Shanghai Investigation, Design & Research Institute Company, Limited, Shanghai 200434, China )

Dynamically installed anchors, which are installed through self-weight, are newly developed anchors applied to deep-water mooring systems. During the dynamical embedment procedure, the soil is subjected to high shear strain-rate (about 25 s-1). Hence, the soil strain-rate effect should be necessarily taken into consideration. The ranges of soil strain-rate parameters of three commonly used models are summarized based on the published literatures referred to soil strain-rate effect, and the influence of strain-rate effect on the embedment depth of dynamically installed anchors based on the motion differential equation is discussed in the following. The research results indicate that the embedment depth of dynamically installed anchors would drastically decrease (30%-40%) due to the soil strain-rate effect. The embedment depth is sensitive to the reference strain-rate when strain-rate parameters are in high values. The shear strain-rate effect ratio of the frictional resistance to the end bearing resistance has significant effect on the embedment depth and further investigation is necessitated to define this ratio. A new formula is proposed to calculate the bearing capacity of rectangular footing with any shape and embedment depth.

offshore foundation; dynamically installed anchors; strain-rate effect; embedment depth; bearing capacity factor

1000-8608(2017)01-0068-10

2016-07-09；

2016-11-20．

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

劉 君*(1972-)，男，博士，教授，E-mail:junliu@dlut.edu.cn；李明治(1990-)，男，碩士生，E-mail:731426627@qq.com；韓聰聰(1990-)，女，博士生，E-mail:1059281811@qq.com.

TU47

A

10.7511/dllgxb201701010