[发明专利]钙质岩土上重力锚设计的优化计算方法

说明书

技术领域

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。

发明内容

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