周 密，周樹津，張文耀，薛孌鸞

吸力錨基礎(chǔ)在黏土中的貫入特性

周 密1,2，周樹津1,2，張文耀3，薛孌鸞1,2

（華南理工大學(xué)1. 亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 2. 華南巖土研究院，廣東 廣州 510640；3. 廣州打撈局，廣東 廣州 510260）

【】研究帶有局部加勁肋的吸力錨基礎(chǔ)在黏土中的貫入特性。利用大變形有限元中的耦合歐拉-拉格朗日（CEL）方法，研究土體硬化軟化效應(yīng)、加勁肋的尺寸以及土體的參數(shù)對吸力錨貫入土體失效機(jī)理的影響。對大量數(shù)值仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得在海洋地基中吸力錨基礎(chǔ)沉樁時(shí)的土體流動特性，在加勁肋進(jìn)入土體之后，加勁肋底部受擠壓的土體繞過加勁肋垂直向上流到表面。隨著貫入深度增加，加勁肋上方的土體的開始回流進(jìn)空腔內(nèi)(r)，底部土體也繞過加勁肋發(fā)生旋轉(zhuǎn)回流。當(dāng)上部土體完全回流后，在回流的土體表面到原來的地表之間形成一定高度的空腔(c)。定量化評估了局部加勁肋對錨基礎(chǔ)貫入時(shí)的土體流動機(jī)制的影響，得到加勁肋上部土體旋轉(zhuǎn)回流高度和完全回流時(shí)形成的空腔高度的計(jì)算公式，據(jù)此能夠準(zhǔn)確了解其貫入機(jī)理。

吸力錨；沉樁貫入；CEL；土體流動

由于近?？臻g資源有限，海洋產(chǎn)業(yè)逐漸從近海向深水和超深水海域發(fā)展[1]。海上風(fēng)電以及石油平臺的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式伴隨水深變化，從固定式支撐結(jié)構(gòu)到漂浮式支撐結(jié)構(gòu)演變。吸力錨基礎(chǔ)，亦稱作吸力桶、沉箱基礎(chǔ)，是一種上部封閉、底端開口的鋼筒結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)相比，吸力錨基礎(chǔ)的豎向、水平向承載力更大，有著更強(qiáng)的抗傾覆能力，能承受較大的上升系泊載荷[2]。吸力錨外壁殼體中包含有板眼部分，系泊鏈附著在板眼上。由于吸力錨基礎(chǔ)的筒壁很?。ㄖ睆脚c厚度的比值在60到200之間）[3]，在上拔的錨固力作用下可能發(fā)生局部變形破壞。為避免吸力錨在較大系泊荷載下應(yīng)力集中導(dǎo)致基礎(chǔ)失效，常在板眼處局部加厚筒壁[4]。根據(jù)Randolph等[5]的研究，為優(yōu)化錨固系泊力，系泊鏈的附著點(diǎn)通常位于總樁長的50% ～ 70%的深度。

在實(shí)際工程中，加勁肋常見形式包括沿內(nèi)壁間隔布置的水平環(huán)向加勁肋[5-7]，板眼局部增厚環(huán)向加勁肋[8-9]，板眼處設(shè)置加強(qiáng)板（橫向支撐板）[10-11]，以及用于重力式基礎(chǔ)平臺的豎向T型加勁肋[12]等。對于帶有水平環(huán)向加勁肋的吸力錨，在加勁肋接觸到土體時(shí)，樁內(nèi)土體是否會回流以及何時(shí)回流，對于貫入阻力和土塞高度的預(yù)測都有很大影響。為研究加勁肋對吸力錨貫入特性的影響，國內(nèi)外學(xué)者開展許多研究，主要是通過離心機(jī)試驗(yàn)[4,13-15]和數(shù)值計(jì)算[16-17]。Hossain等[4]對兩塊帶加勁肋的板進(jìn)行離心機(jī)試驗(yàn)，板的一側(cè)緊靠透明玻璃箱，采用粒子圖像測速（PIV）技術(shù)對位移矢量進(jìn)行量化，可直觀揭示加勁肋周圍土體的流動形態(tài)。Wang等[17]和Zhou等[16]利用網(wǎng)格重劃分和插值技術(shù)（RITSS）進(jìn)行大變形有限元數(shù)值模擬，研究加勁肋沉箱基礎(chǔ)的貫入特性。

本研究通過大變形有限元耦合歐拉-拉格朗日（CEL）方法模擬吸力錨靜壓貫入的施工過程，分析吸力錨基礎(chǔ)板眼局部增厚（單個(gè)環(huán)向加勁肋）對貫入特性的影響。在大變形有限元分析基礎(chǔ)上，對不同加勁肋尺寸、貫入深度、黏土抗剪強(qiáng)度以及應(yīng)變軟化參數(shù)進(jìn)行參數(shù)分析，闡述吸力錨貫入過程的土體流動機(jī)理以及它的近似表達(dá)式，以期為工程實(shí)踐提供理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模型

1.1 CEL方法

在數(shù)值軟件Abaqus/Explicit[18]中使用耦合歐拉-拉格朗日（CEL）方法，基于顯式積分進(jìn)行大變形有限元分析。在有限元模型中，吸力錨基礎(chǔ)定義為拉格朗日體，土體定義為歐拉體，通過計(jì)算每個(gè)單元中的歐拉體積分?jǐn)?shù)（E），可以跟蹤歐拉材料（土體）在流過固定歐拉網(wǎng)格時(shí)的情況。歐拉單元可以完全被材料填充（E= 1），部分填充（0

1.2 土體軟化和率效應(yīng)模型

在吸力錨貫入黏土過程中，高應(yīng)變率會引起周圍土體剪切強(qiáng)度增大（稱為土體率效應(yīng)），同時(shí)，土體擾動（即應(yīng)變軟化）會導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低。Einav等[19]提出應(yīng)變軟化模型可有效考慮黏土的不排水剪切強(qiáng)度的演化，該模型服從Tresca準(zhǔn)則，同時(shí)能夠考慮應(yīng)變率和應(yīng)變軟化的影響，表達(dá)式為

其中，Δ1和Δ3分別為增量Δ間的最大和最小主應(yīng)變。為當(dāng)前累積的絕對塑性剪切應(yīng)變，可按式（3）計(jì)算

這種考慮土體軟化和率效應(yīng)模型已普遍應(yīng)用于海洋工程問題的數(shù)值模擬中[21-23,25]。本研究的數(shù)值模型使用Abaqus/Explicit中的用戶子程序VUSDFLD，實(shí)現(xiàn)在吸力錨基礎(chǔ)貫入過程中考慮土體軟化和率效應(yīng)。首先，通過VUFIELD設(shè)置一個(gè)與網(wǎng)格坐標(biāo)關(guān)聯(lián)的場變量，使抗剪強(qiáng)度隨深度變化，作為下一步計(jì)算的初始狀態(tài)變量。在子程序VUSDFLD中，通過調(diào)用應(yīng)用程序VGETVRM和VSPRINC得到塑性剪切應(yīng)變分量，計(jì)算塑性應(yīng)變分量的增量以及最大、最小主應(yīng)變增量，根據(jù)式（2）和（3）計(jì)算剪切應(yīng)變速率和累積的絕對塑性剪切應(yīng)變，然后按式（1）更新土體的剪切強(qiáng)度。

1.3 幾何參數(shù)

圖1 吸力錨貫入黏土示意

1.4 有限元模型

在有限元分析中，為減少計(jì)算時(shí)間，只對吸力錨基礎(chǔ)和土體取1/4模型進(jìn)行模擬，長度和寬度為5，深度為10，以避免邊界效應(yīng)的影響。在樁基礎(chǔ)貫入過程中，在地表上方預(yù)留度為0.5的空層，便于考慮土體的隆起（圖2）。土體四周采用法向速度為零的約束條件，底部邊界固定所有方向的速度為零。吸力錨采用帶有8節(jié)點(diǎn)拉格朗日單元（C3D8R），而土體的歐拉域是由8節(jié)點(diǎn)歐拉單元（EC3D8R）組成。采用基于庫侖摩擦定律的通用接觸算法模擬樁與周圍土體的接觸，罰函數(shù)中摩擦系數(shù)c取值一般在0.10 ～ 0.42之間[26-28]，本研究的有限元模型采用摩擦系數(shù)c= 0.20。

土體采用不排水條件下基于Tresca屈服準(zhǔn)則的軟土彈塑性本構(gòu)模型，泊松比= 0.49，模量比/u= 500（為楊氏模量），摩擦角和膨脹角== 0。

地應(yīng)力平衡通過0= 1（0為側(cè)向土壓力系數(shù)）施加預(yù)應(yīng)力場與土體自重平衡。在初始地應(yīng)力平衡步驟后，將吸力錨以恒定速度貫入土中。在顯式動態(tài)分析中，貫入速度對計(jì)算時(shí)間和結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響。通過對速度敏感性分析，當(dāng)吸力錨模擬貫入速度為0.1 m/s，該速度大于實(shí)際貫入速度，但是通過參數(shù)分析證明該速度不影響計(jì)算精度，進(jìn)而可提高計(jì)算效率和獲得較高精度。

圖2 有限元模型

2 模型驗(yàn)證

圖3 模型驗(yàn)證（土體流動機(jī)制）

以上模型驗(yàn)證，表明本研究采用的大變形有限元方法在捕捉土體流動機(jī)理和預(yù)測貫入阻力的有效性和準(zhǔn)確性。

圖4 模型驗(yàn)證（貫入阻力）

3 結(jié)果與分析

3.1 不同貫入深度下的土體流動機(jī)制

(a) 不同位置處的土體隆起；(b) 不同貫入深度的土體隆起

3.2 土體軟化和率效應(yīng)參數(shù)對貫入特性的影響

3.2.2 相對延展性系數(shù)95的影響 為研究相對延展性系數(shù)95對貫入特性的影響，選取相對延展性系數(shù)95= 10、25、50等三種情況，具體數(shù)值結(jié)果見圖7（/= 2）。從圖中可見，相對延展性系數(shù)95對土體流動有一定影響。95值不同，在加勁肋上部土體完全回流后，樁內(nèi)土體表面隆起高度與形態(tài)亦不相同。95越大，土體回流越慢，回流后形成的空腔高度越大，這與Hossain等[30]在研究土體應(yīng)變軟化對紡錘形基礎(chǔ)貫入過程中土體流動的影響規(guī)律一致。

d/D = 2

d / D = 1.5

3.3 土體抗剪強(qiáng)度對貫入特性的影響

對于非均質(zhì)軟土，其不排水剪切強(qiáng)度一般隨著土體深度的增加而線性增加。本研究選用Tresca本構(gòu)模型來對飽和軟黏土進(jìn)行模擬，土體不排水剪切強(qiáng)度隨深度的線性變化率常用取值范圍為0.5 ～ 2[3,16]。為研究土體抗剪強(qiáng)度對吸力錨貫入特性的影響，本研究選擇三種不同抗剪強(qiáng)度的土體，包括軟弱黏土u0= 1 + 0.5，一般強(qiáng)度黏土u0= 5 +，硬黏土u0= 10 + 2。由圖9可見，土體強(qiáng)度越大，樁芯土和樁底下部土體都受到影響。這是因?yàn)橥馏w強(qiáng)度越大，發(fā)生剪切破壞時(shí)調(diào)動的土體越多，流動范圍越大。在貫入深度為/= 1.5時(shí)，加勁肋已完全進(jìn)入土體。當(dāng)土體剪切強(qiáng)度較低時(shí)（u0= 1 + 0.5），樁內(nèi)土體在加勁肋進(jìn)入土體時(shí)馬上回流，在加勁肋上方土體和樁內(nèi)壁之間不會形成空腔。當(dāng)土體泥面剪切強(qiáng)度較高時(shí)（u0= 10 + 2），加勁肋上方土體和樁內(nèi)壁形成空腔，該處的土不會回流到加勁肋和內(nèi)壁之間的縫隙中，而是垂直向上流到表面。從圖9中可見，當(dāng)土體強(qiáng)度較大，加勁肋上方土體不回流時(shí)，樁芯土的隆起高度要比剪切強(qiáng)度低的土回流時(shí)大得多。在貫入深度為/= 2.5時(shí)，泥面強(qiáng)度較低的土（u0= 1 + 0.5）完全回流，而當(dāng)土體剪切強(qiáng)度較高時(shí)（u0= 10 + 2），加勁肋底部土體繞加勁肋回流進(jìn)加勁肋上方間隙，在加勁肋的上表面和樁內(nèi)壁之間形成一個(gè)三角形的空隙。

(a) d / D = 1.5；(b) d / D = 2.5

3.4 加勁肋幾何尺寸對貫入特性的影響

為研究加勁肋幾何尺寸對吸力錨貫入特性的影響，選取加勁肋高度= 0.5、1.0、2.0 m，加勁肋寬度= 0.1、0.2、0.3 m。圖10(a)顯示，加勁肋高度不同，加勁肋上方土體回流形態(tài)基本沒有差別，但是加勁肋下方土體發(fā)生旋轉(zhuǎn)回流的距離不同。加勁肋寬度對吸力錨貫入的土體流動形態(tài)的影響見圖10(b)，加勁肋寬度越大，樁進(jìn)入土體的體積越大，樁內(nèi)因受擠壓而隆起的土體越多；同時(shí)，加勁肋寬度越大，加勁肋上部土體越容易發(fā)生回流。圖10(b)顯示，當(dāng)加勁肋寬度較小時(shí)（= 0.1 m），加勁肋底部受擠壓的土體主要是向下運(yùn)動；當(dāng)加勁肋的寬度較大時(shí)（= 0.3 m），加勁肋底部土體受到擠壓，靠近裙壁一側(cè)的土體向下運(yùn)動，遠(yuǎn)離裙壁一側(cè)的土體繞過加勁肋發(fā)生旋轉(zhuǎn)回流。加勁肋寬度越大，底部受擠壓的土體越多，發(fā)生旋轉(zhuǎn)回流的現(xiàn)象越明顯。

圖10 加勁肋的幾何尺寸對貫入特性的影響

3.5 帶加勁肋吸力錨在貫入過程中的土體回流空腔高度

帶單個(gè)加勁肋的吸力錨在貫入黏土過程中的土體流動機(jī)制見圖11，在加勁肋進(jìn)入土體后，加勁肋上方土體和內(nèi)壁之間形成空腔，加勁肋底部受擠壓的土體繞過加勁肋垂直向上流到表面。加勁肋上部土體能保持垂直的最大高度為r（也稱為旋轉(zhuǎn)回流高度）。隨著貫入深度增加，加勁肋上方土體開始回流進(jìn)空腔內(nèi)，底部土體也繞過加勁肋發(fā)生旋轉(zhuǎn)回流。當(dāng)達(dá)到一定深度，上部土體完全回流，在回流土體的表面到原來的地表之間存在一定的高度差，用c表示。

圖11 土體流動機(jī)制

有限元計(jì)算結(jié)果與公式擬合結(jié)果對比（圖12），可看到結(jié)果基本吻合。

(a) 旋轉(zhuǎn)回流高度Hr；(b) 完全回流后形成的空腔高度Hc

4 結(jié)論

為研究帶加勁肋的吸力錨基礎(chǔ)貫入海洋黏土過程中土體流動機(jī)制，本研究運(yùn)用耦合歐拉-拉格朗日（CEL）方法模擬吸力錨貫入飽和黏土的過程，分析基礎(chǔ)板眼局部增厚（單個(gè)環(huán)向加勁肋）對貫入特性的影響，考慮不同加勁肋尺寸、貫入深度、黏土抗剪強(qiáng)度以及應(yīng)變軟化參數(shù)四個(gè)影響因素，得出以下結(jié)論：

1）加勁肋對吸力錨土體流動機(jī)制存在較大影響，貫入前期會在加勁肋上方形成空腔，空腔高度主要受歸一化土體強(qiáng)度影響。

2）土體軟化-硬化參數(shù)對土體流動機(jī)制存在一定的影響，95越大，土體回流的越慢，回流后形成的空腔高度越大。土體的靈敏度t越大，土體能夠保持垂直的高度越小，越容易發(fā)生回流。

3）加勁肋的幾何尺寸對土體流動機(jī)制有較大影響。加勁肋尺寸越大，樁內(nèi)的擠土效應(yīng)越明顯，土體隆起高度越大。加勁肋的高度對旋轉(zhuǎn)回流高度以及完全回流后的空腔高度沒有影響，加勁肋的寬度越大，越容易發(fā)生回流。

4）擬合出加勁肋上部土體旋轉(zhuǎn)回流高度和完全回流時(shí)形成的空腔高度的計(jì)算公式，據(jù)此能夠準(zhǔn)確了解其貫入機(jī)理。

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Installation of Suction Caissons in Non-homogeneous Clay

ZHOU Mi1,2, ZHOU Shu-jin1,2, ZHANG Wen-yao3, XUE Luan-luan1,2

（1./ 2.,,510640,; 3.,510260,）

【】This study investigated the penetration behavior of stiffened caisson in non-homogeneous clay. 【】Large deformation finite element (LDFE) analysis with the coupled Eulerian-Lagrange (CEL) method was employed to study the effect of stiffener on the soil flow mechanisms. A systematic parametric study was performed to explore the effect of the penetration depth, strain rate and softening parameters, stiffener geometry and soil parameters on the penetration behavior of caisson. 【】 Based on the CEL results, the stiffener has a significant effect on the soil flow mechanisms. At the initial penetration, the soil around the stiffener flows upward to the soil surface. 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，周樹津，張文耀，等. 吸力錨基礎(chǔ)在黏土中的貫入特性[J]. 廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，41（6）：108-117.

2021-06-08

廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（2021A1515010828）

周密（1983―），男，博士，副教授，主要從事海洋巖土研究。E-mail: zhoumi@scut.edu.com

張文耀（1985―），男，碩士，工程師，主要從事船舶與海洋工程、海上風(fēng)電前沿施工。E-mail: zwy0401@sina.com