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软土中吸力锚承载力分析

代恒军  
【摘要】: 随着油气开采水深的逐步增加,海洋平台的形式在发生变化,与之相适应的基础形式也在发生变化。由于吸力锚具有不需要预拉,费用经济、方便施工、可重复利用等特点,在深海工程得到广泛应用。吸力锚是一种大直径圆柱薄壳结构,顶端封闭,它的外形为倒扣入海底的薄壁混凝土或钢桶,依靠自重与吸力的作用贯入海床。 由风、波和流引起的荷载加载时间相对于排水时间较短,吸力锚的工作状态为不排水状态。根据锚链形式的不同吸力锚的所受荷载可分为水平荷载、竖向荷载和倾斜荷载。自1970年以来,国内外许多学者运用模型实验、极限分析和有限元等方法对吸力锚的承载力进行了分析。 本文首先对吸力贯入过程中所需吸力进行有限元分析,得到不同贯入深度所需的吸力大小;考察吸力锚在吸力贯入的破坏模式,与工程简化计算公式求得的结果进行了比较,并考虑了侧壁土体强度折减对破坏模式的影响。建立吸力锚抗拔承载力分析的有限元模型,利用三维有限元分析长径比分别为1.5、3、4.5和6的吸力锚在不排水的粘性土中的承载力,并绘制承载力包络图。有限元分析中考虑了土质变化、侧壁强度折减、主动土压力区是否开裂对承载力的影响,通过计算得到不同荷载作用下,吸力锚的最佳受载点。利用Aubenv提出的简化上限法计算吸力锚的抗拔承载力,考虑侧壁强度折减,主动土压力区是否开裂以及加载点位置对承载力的影响,并将简化计算方法得到的结果与有限元结果进行了比较。 得到的主要结论有:(1)在吸力贯入阶段,土体的破坏模式取决于贯入所需吸力与最大允许吸力的大小,而它们的大小又与侧壁土体强度和吸力锚的埋深有关;(2)对于不排水强度随深度线性变化的情况,吸力锚的最佳受载点深度均在距吸力锚顶面约0.7L的位置,与吸力锚的长径比和所加荷载的角度无关;(3)承载力包络图为近似的双曲线,随着长径比的增加相互作用荷载角度逐渐减小;(4)侧壁强度折减对承载力包络图的形状没有影响,只是影响包络图的大小;(5)是否允许主动土压力区与吸力锚开裂对竖向承载力没有影响,而对水平承载力影响较大,尤其是在超固结土中;(6)简化上限分析法与有限元计算得到的结果吻合较好。


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