钙质岩土上重力锚设计的优化计算方法与流程

本发明涉及一种方法，更具体的说，是涉及一种钙质岩土上重力锚设计的优化计算方法。

背景技术：

伴随着经济与科技的发展，鳞次栉比的海洋工程结构物及海洋平台等在数量及规模上都日益增加，与此同时，其作业范围和研究方向也逐步向更深的海域发展。而相较于陆地，海洋作业环境无疑更为复杂,这就对安置在海底的深水锚固装置提出了更高的要求。锚的种类有很多且各有其优缺点，因此，在不同的海域需要选择不同的与之相适应的锚固形式。在广泛分布砂质岩土的地层上，重力锚是常用的锚固形式。因此，在该地质条件下安全、经济、合理地设计重力锚的结构形式十分必要。

重力锚即重块锚，由混凝土块或钢块、碎金属或其他高密度材料制成，其依靠自身锚重和与锚底土的相互作用来提供锚固力。传统的重力锚设计计算方法在重力锚结构设计的过程中摩擦系数μ的选择至关重要。而目前摩擦系数的经验计算公式主要针对石英砂，若将其直接应用于钙质岩土无疑会产生较大的误差。此外，传统重力锚的设计方法均认为其抗滑能力主要是通过锚与土之间的摩擦力提供。但各类试验研究表明，重力锚在钙质砂上承受水平拉力发生滑动的过程中，其滑动面并不一定位于重力锚与原状土体的接触面上，而还有可能发生在原状土体内部。而滑动面深度的不同则直接导致了原状土体破坏模式的不同。若滑动面较浅(位于重力锚与原状土体的接触面附近)，则原状土体破坏模式为突变式，若滑动面较深，则其破坏模式为渐进式。所以，在抵抗重力锚滑动的过程中，锚与土之间的摩擦力和滑动面深度将同时影响重力锚的水平承载力。现有设计方法在设计重力锚的宽度时均只考虑它与锚土之间摩擦力的关系，实际上这是忽略了滑动面深度对于重力锚水平承载力的影响，因为滑动面的深度与重力锚的宽度也有关。故而，对于那些滑动面发生在原状土体内部的情况，基于这种方法设计出的重力锚结构其预计水平承载力不可避免地与实际值存在较大的偏差。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种钙质岩土上重力锚设计的优化计算方法，能够综合考虑钙质岩土上重力锚与原状土体之间的摩擦力和滑动面深度，对重力锚水平承载力影响的设计计算方法具有十分重要的意义，采用该方法设计钙质岩土上重力锚的结构其预计水平承载力与实际情况更加相符。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种钙质岩土上重力锚设计的优化计算方法，包括以下步骤：

步骤一，确定重力锚所受锚链荷载在水平方向上的分力和竖直方向上的分力，以及原状土体的饱和重度和内摩擦角；

步骤二，通过土工试验确定原状土体的土质条件，判断其属于钙质砂、钙质砾或钙质岩；

步骤三，计算重力锚的重力，改变重力锚的底面积，得到不同的底面积—高度组合，借助ABAQUS有限元工具，对不同的底面积分别建立重力锚与原状土体相互作用的有限元模型，导出模型中重力锚的水平承载力，绘制水平承载力—底面积关系曲线，最大水平承载力对应的底面积即为重力锚的最优底面积，进而确定重力锚的底面宽度和高度；

步骤四，确定剪力键的个数、厚度及单个剪力键的重量，从而确定重力锚的结构形式。

所述重力锚底面设计为正方形，所述重力锚由钢材加工制成，所述剪力键采用三角键。

所述步骤二中原状土体的土质条件通过级配曲线进行确定。

所述步骤三中重力锚的重力按以下公式计算：

其中，W为重力锚的重力，F_h为锚链荷载在水平方向上的分力，F_v为锚链荷载在竖直方向上的分力，φ为原状土体的内摩擦角，μ为摩擦系数，若原状土体为钙质砂：μ＝tan(φ-10°)，若原状土体为钙质砾或钙质岩：μ＝tan(φ-5°)。

所述步骤三在ABAQUS有限元工具中利用弹性本构对重力锚进行模拟，采用M-C模型对原状土体进行模拟。

所述步骤四中剪力键的个数、厚度及单个剪力键的重量按以下公式进行计算：

(1)剪力键的个数：

(2)剪力键的厚度：

(3)单个剪力键的重量：W_k＝0.05γ_kB²t

其中，n为剪力键个数，W为重力锚的重力，F_v为锚链荷载在竖直方向上的分力，K_p为原状土体压力系数，γ_b为原状土体的饱和重度，B为重力锚底面的宽度，t为剪力键的厚度，f_b为剪力键材料的允许应力，W_k为单个剪力键的重量，γ_k为剪力键材料的浮重度，μ为摩擦系数，若原状土体为钙质砂：μ＝tan(φ-5°)，若原状土体为钙质砾或钙质岩：μ＝tanφ。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明能够根据钙质岩土的不同土质条件选择不同的摩擦系数μ，从而更加准确地预测重力锚初次起动时的水平承载力，为重力锚结构设计提供有力依据；

(2)本发明采用大型通用结构计算软件ABAQUS模拟重力锚在锚链荷载作用下的启动过程，从而能够综合考虑钙质岩土上重力锚与原状土体之间的摩擦力和滑动面深度对重力锚水平承载力的影响，并基于此确定重力锚底面积，为准确设计重力锚结构提供可靠依据，能够保证由重力锚所固定的海洋建筑结构的安全稳定；

(3)本发明采用有限元模拟和原状土体的土工试验数据作为设计的依据，可靠性强，成本低，周期短，可大大减少人力、物力和时间，这对于海洋工程来讲，具有突出的优势；

(4)本发明符合工程实际，方法简单明确，易于操作，所涉及参数都容易确定且可靠，这使得设计结果更加精确、合理。

附图说明

图1是钙质砂上重力锚与原状土体相互作用的有限元模型；

图2是钙质砂上85t重力锚水平承载力—底面积关系曲线。

附图标记：1原状土体；2重力锚。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明。

本发明的钙质岩土上重力锚设计的优化计算方法，包括以下步骤：

一、确定重力锚2所受锚链荷载在水平方向上的分力F_h和竖直方向上的分力F_v，以及原状土体1的饱和重度γ_b和内摩擦角φ。

二、通过土工试验确定原状土体1的土质条件，判断其属于钙质砂、钙质砾或钙质岩，其中，原状土体1的土质条件通过级配曲线进行确定。

三、计算重力锚2的重力，确定重力锚2的底面宽度和高度。

若将重力锚2的初次起动作为评价重力锚2稳定的依据，若原状土体1为钙质砂，平底重力锚2与原状土体1相互作用的外摩擦角δ选取φ-10°，摩擦系数μ＝tan(φ-10°)，相比于石英砂，钙质砂的外摩擦角的折减增加；若原状土体1为钙质砾或钙质岩，平底重力锚2与原状土体1相互作用的外摩擦角δ选取φ-5°，摩擦系数μ＝tan(φ-5°)，这种取法与石英砂一致。

根据确定的摩擦系数μ，计算重力锚2的重力W：

其中，F_h为锚链荷载在水平方向上的分力(沿重力锚底坡向方向为负)，F_v为锚链荷载在竖直方向上的分力(竖直向上为正)。

本实施例中重力锚2的水上重量为85t，在重力锚2的重力一定的前提下，将重力锚2底面形状设计为正方形，改变重力锚2的底面积，得到多组不同的底面积—高度组合，本实施例中十种不同的重力锚2底面积—高度组合，其中底面积最小的取4m²,最大的取25m²。借助ABAQUS有限元工具，采用有限元的方法对承受水平拉力的上述十种重力相同、底面积不同的重力锚2进行模拟，分别建立重力锚2与原状土体1相互作用的有限元模型，本实施例中共建立十个有限元模型，图1所示仅为其中的一种有限元模型。其中，所述重力锚2由钢材加工制成，利用弹性本构对重力锚2进行模拟，采用M-C模型对原状土体1进行模拟，原状土体1主要参数选取土工试验测得的数值。

导出上述十组模型中重力锚2的水平承载力绘制成散点图，并连成曲线，即得该重量的重力锚2在该土质条件下的水平承载力—底面积关系曲线，如图2所示。通过上述关系曲线得到此重力锚的最大水平承载力，这个最大水平承载力所对应的底面积即为重力锚2的最优底面积，通过图2曲线，可得本实施例中重力锚2的最优底面积为为18m²。将重力锚2底面形状设计为正方形，所述重力锚2由钢材加工制成，基于公式(1)计算得出的重力锚2的重力以及最优底面积，进而确定方底重力锚2的底面宽度和高度。

四、本实施例中剪力键采用三角键，确定剪力键的个数、厚度及单个剪力键的重量，从而确定重力锚2的结构形式。

剪力键的个数n：

剪力键的厚度t：

单个剪力键的重量W_k：W_k＝0.05γ_kB²t (4)

其中，n为剪力键个数；W为重力锚的重力；F_v为锚链荷载在竖直方向上的分力；K_p为原状土体压力系数；γ_b为原状土体的饱和重度；B为重力锚底面的宽度；t为剪力键的厚度；f_b为剪力键材料的允许应力；W_k为单个剪力键的重量；γ_k为剪力键材料的浮重度；μ为摩擦系数，若原状土体为钙质砂：带剪力键重力锚(8、12、20键)与土体相互作用的外摩擦角选取φ-5°，摩擦系数μ＝tan(φ-5°)，若原状土体为钙质砾或钙质岩：带剪力键重力锚(8、12、20键)与土体相互作用的外摩擦角选取φ，摩擦系数μ＝tanφ。本实施例采用带8个剪力键的重力锚。

另外，单个剪力键所需埋置力q_e按以下公式计算：

其中，N_q为承载力系数；μ为摩擦系数，若原状土体为钙质砂：μ＝tan(φ-5°)，若原状土体为钙质砾或钙质岩：μ＝tanφ。

由图2可以看出，所述重力锚2的底面积大小对于重力锚2的水平承载力具有显著的影响。在重力锚2重量相同，土质条件也相同的情况下重力锚2的水平承载力并不相同。造成这一现象的主要原因是在重力锚2承受水平拉力发生滑动的过程中，其滑动面并不一定位于重力锚2与原状土体1的接触面上，而还可能发生在原状土体1内部，且滑动面的深度与重力锚2的宽度有关。采用本发明的方法设计重力锚2结构以及计算重力锚2水平承载力时除考虑钙质砂上重力锚2与原状土体1之间的摩擦力，还考虑了滑动面深度对重力锚2水平承载力的影响。因此设计计算结果更加接近于实际值，更加安全、合理。

在我国南海分布着大量的钙质砂，其碳酸钙含量大都超过90％，因此，在该海域进行重力锚的设计时可直接采用上述方法。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。