黄河砂土嵌入式混凝土锚体锚碇力试验研究

徐 涛 李俊敏 裴志勇 赵庆亮 吴卫国

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (武汉理工大学高性能舰船技术教育部重点实验室2) 武汉 430063) (山东省济南船舶检验局3) 济南 250014)

0 引 言

近年来，随着交通运输需求量的不断增加，一些悬索桥、承压舟浮桥等交通工程在国内外发展迅猛[1]，这些需要长期固定的工程装备，常常采用混凝土锚碇作为固定和系泊设备，主要有重力式混凝土锚碇和嵌入式混凝土锚碇两种主要形式[2].对于重力式锚碇，缆绳垂直方向的分力由自身的重力和地基的垂向支反力平衡；水平方向的分力是由锚碇与地面间的摩擦阻力平衡[3]，所以其锚碇力计算清楚明了，但重力式锚碇往往需要巨大的体积和质量，经济性能较差.嵌入式锚碇是将锚碇嵌入地基下数倍埋深处，质量较小但能够提供数倍于自身质量的拉力，在交通工程中有着广泛的应用.江阴10万吨级衡山号浮船坞将12只混凝土锚碇埋于黏质砂土中进行系泊[4]；南京原油中转港将钢筋混凝土锚碇埋深8～10 m用于系泊甲级浮筒；我国海军舰船防风系泊的水鼓也常采用嵌入式锚碇[5].由于嵌入式锚碇能够提供远超过自身质量的锚碇力，具有良好的经济性能，在系泊装置中的使用日益广泛.由于嵌入式锚体锚碇力的影响因素较多，虽然一些国内外论文和规范中给出了计算公式，但都存在一定的简化和局限性，很难对嵌入式锚体锚碇力进行准确的计算[6-9].

黄河砂土属于粉细砂，主要由单矿物颗粒(石英、长石、云母等)组成，呈现出黄褐色，颗粒直径尺寸比较分散，与一般砂土有极大的不同.黄河砂土在干砂情况下极为分散，有少量的粘结轻碰即散；在潮湿状态时，用手拍击其表面会有明显的泛浆现象，有明显的黏着感；将物块埋置于水下湿砂中，拔起时物块会受到极大的砂土黏性力[10].

嵌入式混凝土锚体锚碇力产生的机理十分复杂，锚碇力主要成分包括砂土压力、砂土粘性力、砂土摩擦力等.锚碇在砂土中受牵引作用时，会受到主动土压力与被动土压力的压差阻力；在锚碇与砂土接触表面会受到砂土粘性力；并且当锚碇表面与砂土相对静止或者运动时，会分别受到砂土的静摩擦力、动摩擦力.当锚碇自身参数发生变化或者处于不同的作业工况时，锚碇力产生的主要成分占比会发生变化，影响锚碇所能提供的锚碇力.锚碇埋深(锚碇下表面距砂土表面距离与锚碇高度的比值)、形状、拉力角度、砂土水饱，以及度都会影响锚碇所受的砂土压力、砂土黏性力、砂土摩擦力，进而影响锚碇力.

目前针对黄河砂土嵌入式混凝土锚体锚碇力的研究几乎是一片空白，极大的制约了嵌入式混凝土锚碇在黄河流域工程项目中的应用.季节性干旱、岸边装备固定等情况下砂土水饱和度会不断变化，影响锚碇力.本研究设计系列试验方案，探究锚碇缩尺比、埋深、形状、拉力角度，以及水饱和度等因素对黄河砂土嵌入式混凝土锚体锚碇力的影响，并归纳总结出不同工况下锚碇力系数(锚碇提供的最大锚碇力与自身质量的比值)的变化规律.

1 锚碇形式及试验系统

1.1 模型锚碇

在进行模型锚碇试验前，首先需要确定锚碇的实形尺寸及形状，一方面是为了确定合适的模型锚碇尺寸、形状，另一方面是确定模型锚碇相对实形锚碇的缩尺比.本文参考承压舟浮桥中实际使用的混凝土锚碇的尺寸形式，最终确定实形锚碇形式为边长1 m的立方体锚碇.

模型锚碇尺寸和形状的制定，必须满足试验条件且能够达到试验目的.其中，缩尺比对锚碇力系数的影响通过不同边长，同一形状的立方体锚碇进行探究，如下代号M30，M40，M50；形状对锚碇力系数的影响通过四种不同形状，外部尺寸基本相同的锚碇进行探究，如下代号M40，M40D，M40L，M40W；最终的模型锚碇见表1，锚碇形状尺寸以及实物图见图1.

表1 模型锚碇参数

图1 锚碇尺寸形状参数

1.2 试验系统构架

为了试验能够安全高效的进行，一套合理的试验系统尤为重要，图2为试验设备与装置布置示意图.试验系统主要包括动力装置、拉力测量装置、位移测量装置，以及数据存储分析系统.动力装置由牵引定滑轮、钢丝绳、动滑轮、卷扬机、遥控装置组成，钢丝绳的牵引速度为8 m/min.

图2 设备与装置布置示意图

通过拉力传感器测量锚碇力(见图3a)，并将拉力信号转化为压差信号传输至压差信号采集器.试验中锚碇位移的直接测量存在较大困难，并且水上工程装备更加关注在系泊点处的位移情况，所以本试验将拉力测量装置固定于定滑轮上，并在钢丝绳上安装拉线传感器的拉线固定装置，确保拉线与钢丝绳始终处于平行状态，位移传感器的量程为0～2 000 mm，见图3b).拉力和位移的压差信号通过信号线传导至压差采集器，由压差采集器采集并保存.

“十年树木，百年树人”，培养人是一个长期的工程。教育影响相对于教育行为，具有明显的滞后性，家庭教育也不例外。因家庭教育不当产生的问题，会在孩子进入青春期与大学阶段呈集中爆发状态，有的会延后到下一代择偶、组建新家庭时才会有所表现。这使得众多家长往往不能对孩子的成长问题做家庭教育方面的归因，不能回溯家庭教育问题，而将此归因于外部条件的变化。比如，他们认为“孩子进入青春期，产生叛逆”，“孩子进入大学，生活环境条件变化，不能适应”，“年轻人进入婚恋期，一时不知道如何相处”等等。实际上，其中很多的问题都源自家庭教育失当，造成孩子不能很好地适应变化的环境，因而产生各种各样的适应问题。

图3 两种传感器

2 模型锚碇试验

模型锚碇试验的主要目的是得到系列锚碇在不同工况下的锚碇力，并换算得到锚碇力系数，每一种工况至少进行3次试验以消除试验误差，处理试验数据得到锚碇力系数.

2.1 试验流程

合理的试验流程应当能够安全、准确、高效的完成锚碇试验，具体试验流程如下.

步骤1构架试验系统 布置砂土、拉力装置、测量装置等试验设备，确保系统正常工作.

步骤2根据试验方案，将锚碇定位埋置在砂土中.

步骤3预拉紧牵引钢丝绳，测量牵引钢丝绳与水平面夹角.

步骤4拉力、位移数据试采集并处理分析 判断数据是否正常，若正常，进行后续试验步骤；若异常，排查系统故障后返回步骤3.

步骤5进行锚碇力试验 完成试验数据的采集与分析，判断数据是否正常，若正常，则结束本工况的一次试验；若异常，排查系统故障后返回步骤2.

2.2 试验结果

3 锚碇力系数影响因素分析

3.1 锚碇缩尺比

模型锚碇和实形锚碇的力学特性通过缩尺比进行转化，引入了缩尺比这一影响因素，模型锚碇缩尺比采用0.3，0.4，0.5，得到模型锚碇M30，M40，M50.干砂试验和100%水饱和度湿砂试验中四种锚碇的试验数据分别见表2和表4，锚碇力系数随缩尺比变化规律见图4.

表2 干砂试验结果

表3 M40锚碇不同水饱和度砂土中试验结果

表4 100%水饱和度湿砂试验结果

系数变化范围为1.43～1.56；1倍埋深的锚碇力系数变化范围为2.48～3.78；2倍埋深的锚碇力系数变化范围为6.01～6.63.0倍埋深时，锚碇力

图4 锚碇力系数随缩尺比变化规律

由图4可知，干砂试验中，0倍埋深的锚碇力主要为其表面摩擦力，与锚碇质量成正比，故锚碇力系数基本不变；1倍、2倍埋深时，锚碇力系数随缩尺比的增加而减小，变化规律接近线性.

100%水饱和度试验中0倍埋深的锚碇力系数随缩尺比变化范围为1.24～1.40；0.5倍埋深的锚碇力系数与锚碇自身质量变化范围为4.20～5.46；1倍埋深的锚碇力系数与锚碇自身质量变化范围为12.84～13.89.0倍埋深时，锚碇力系数基本不变；0.5倍、1倍埋深时，锚碇力系数随缩尺比的增加而减小，变化规律接近线性.

3.2 锚碇埋深

研究表明埋深是锚碇力极为重要的影响因素，本文通过分析各锚碇在不同埋深下的锚碇力系数，确定锚碇埋深对锚碇力系数的影响，见图5.

图5 锚碇力系数随锚碇埋深变化规律

由图5可知，干砂试验中，0倍埋深时，锚碇力系数变化范围为0.93～1.55；1倍埋深时，锚碇力系数变化范围为2.57～3.32；2倍埋深时，锚碇力系数变化范围为5.77～7.61.0～1倍埋深时锚碇力系数的增加较为缓慢，1～2倍埋深时锚碇力系数增加较快.

100%水饱和度湿砂试验中，0倍埋深时，锚碇力系数变化范围为0.88～1.41；0.5倍埋深时，锚碇力系数变化范围为3.95～5.46；1倍埋深时，锚碇力系数变化范围为12.84～15.02.0～0.5倍埋深时锚碇力系数的增加较为缓慢，0.5～1倍埋深时锚碇力系数增加较快.

相同水饱和度砂土中，同一埋深下锚碇力系数的波动较小，表明锚碇埋深的影响程度远超过锚碇缩尺比、锚碇形状、锚碇拉力角度，是影响锚碇力系数最主要的因素之一.

3.3 锚碇形状

锚碇形状的不同，会改变锚碇与砂土的接触面，影响摩擦阻力；会影响锚碇重心位置，进而影响锚碇合力方向与运动轨迹；相同埋深下锚碇表面压力会有所不同.锚碇形状的不同，会产生多方面影响，很难用理论进行准确的计算，本试验主要是通过对比M40，M40D，M40L，M40W四种锚碇在不同埋深下的锚碇力系数来探究锚碇形状的影响，见图6.

图6 锚碇力系数随形状变化规律

由图6可知，干砂试验中，0倍埋深时锚碇力主要为锚碇与砂土的摩擦力和锚碇前的堆砂阻力，1倍、2倍埋深时，锚碇力由压差和锚碇表面的摩擦力提供.0倍埋深时，锚碇力系数变化范围为0.93～1.55；1倍埋深时，锚碇力系数变化范围为2.67～3.13；2倍埋深时，锚碇力系数变化范围为6.51～7.2.有底洞的锚碇M40D因底部空洞导致重心前移，会增加锚碇前端入砂的深度，进而增大前端的堆砂阻力，所以M40D的锚碇力系数最大；M40L锚碇前端是棱台形，锚碇前端不容易形成堆砂，所以M40L的锚碇力系数最小.在1倍、2倍埋深时，M40L锚碇前端棱台有一定的破土性，所以棱台形的锚碇力系数最小.由于M40W，M40D，M40这三种锚碇的外形基本相同，所以提供的拉力是相近的，但由于40W，40D，40这三种锚碇的质量逐渐增加，所以锚碇力系数逐渐减小.

100%水饱和度湿砂试验中，0倍埋深时，锚碇力系数变化范围为0.88～1.31；1倍埋深时，锚碇力系数变化范围为3.95～4.85；2倍埋深时，锚碇力系数变化范围为12.46～15.02.0倍埋深时，锚碇力系数与锚碇自身质量规律相似，由大到小依次为M40，M40D，M40W，M40L，方体锚碇较优，M40L锚碇被牵引时，下部方体区域会上翘，导致棱台面与砂土表面接触，不易形成堆砂，所以M40L的锚碇力系数最小.0.5倍埋深时，锚碇力系数由大到小分别为M40，M40D，M40W，M40L，M40，M40W，M40L锚碇与砂土接触面积基本相同，此时锚碇力系数与锚碇自身质量有关，质量较大的锚碇，锚碇力系数也较大；M40D由于底部有挖孔，故其与砂土接触面积较大，并且自身质量大于M40W锚碇，所以其锚碇力系数位于M40与M40W锚碇之间.

1倍埋深时，锚碇力系数由大到小依次为M40L，M40D，M40，M40W，表明棱台形锚碇相对其他形式的锚碇较优.M40D，M40，M40W锚碇力系数依次减小，表明锚碇与砂土的接触面积增加会导致其锚碇力系数增加；M40W锚碇力系数最小表明中部挖孔这种形式并不能增加锚碇的锚碇力系数.

3.4 砂土水饱和度

砂土水饱和度是通过往砂箱中注水过程中不断测定土壤密度确定的，见表5，在三种不同水饱和度砂土中，M40锚碇的试验结果见表3.

表5 砂土水饱和度

图7为锚碇力系数随砂土水饱和度变化规律，由图7可知， 0倍埋深时，锚碇力系数先增加后减小，由于0倍埋深时锚碇力系数主要受到锚碇前端的堆砂质量的影响，干砂质量较小，100%水饱和度湿砂底部较硬，不容易形成堆砂，50%水饱和度湿砂较容易形成堆砂，同时堆砂重量也较大，所以50%湿砂试验时，锚碇力系数最大.1倍埋深和2倍埋深时，锚碇力系数随着砂土水饱和度的增大而增加，50%～100%水饱和度时锚碇力系数的增速明显大于0%～50%水饱和度时的增度，由于砂土水饱和度的增加会增大锚碇所受砂土黏性力，并且锚碇力中砂土粘性力占比远超过砂土摩擦力以及砂土压力所占，所以锚碇力增速明显.2倍埋深时锚碇力系数的增加速度超过1倍埋深时的增加速度，因为1倍埋深时锚碇上表面未受到砂土压力，而2倍埋深时，锚碇外表面均与砂土接触，且锚碇表面压力明显增大，会使锚碇表面粘性力迅速增加，故2倍埋深时锚碇力系数增加明显.

图7 锚碇力系数随砂土水饱和度变化规律

3.5 锚碇拉力角度

锚碇拉力角度的影响在干砂试验中进行了探究，锚碇力系数随拉力角度的变化规律见图8.

图8 拉力角度对锚碇力系数的影响

由图8可知，试验数据见表2.0倍埋深的锚碇力系数随拉力角度变化范围为0.9～1.23；1倍埋深的锚碇力系数随拉力角度变化范围为3.32～3.78；2倍埋深的锚碇力系数随拉力角度变化范围为7.12～7.73.在相同埋深下，锚碇力系数的波动较小，表明拉力角度对锚碇力系数的影响程度较小，由图可见锚碇力系数随锚碇拉力角度增加呈现出接近线性的变化规律.

4 结 论

1) 锚碇力系数影响因素中，锚碇埋深和砂土水饱和度的增加会明显增大锚碇力系数，是试验探究的因素中影响最显著的两个因素，锚碇缩尺比、锚碇形状、锚碇拉力角度对锚碇力的影响相对较小；其中锚碇力系数随锚碇缩尺比以及拉力角度的变化规律接近线性；锚碇完全嵌入100%水饱和度砂土中是最为常见的工况，该工况上半部棱台下半部方体形锚碇提供锚碇力最大.

2) 本试验探究的试验工况与锚碇参数较多，在工程应用中，可在充分考虑各因素影响程度的基础上，根据实际工况选取主要的影响因素，拟合经验公式.3) 黄河砂土嵌入式混凝土锚体锚碇力试验过程中存在不可避免的系统误差，并且试验结果存在一定的离散性，在工程应用中需充分考虑.