CN106991228A - 重力锚水平承载力的设置方法 - Google Patents
重力锚水平承载力的设置方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种重力锚水平承载力的设置方法，包括：通过室内模型试验确定原状钙质砂上重力锚模型抗滑力随启动次数的变化关系，绘制散点图；确定重力锚模型抗滑力及底部与土体间摩擦系数，绘制摩擦系数随启动次数变化散点图；根据第二步绘制摩擦系数随启动次数变化散点图得到摩擦系数和归一化位移数值间关系，绘制散点图；根据第三步中绘制的散点图，确定摩擦系数和归一化位移数值间关系；根据摩擦系数和归一化位移数值间的关系，并结合工程中重力锚容许位移量，确定重力锚摩擦系数表达式；根据重力锚结构、现场土质条件及第五步中得到的摩擦系数，确定重力锚水平承载力；该方法可降低重力锚造价及安装成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种重力锚水平承载力的设置方法。
背景技术
近几十年来，各种各样的海洋工程结构物与海洋平台的数值和规模与日俱增，并且其作业范围和研究方向也逐渐向深海域发展。由于海洋作业环境较之陆地更为复杂,因此对安装海底的深水锚固装置提出了更高的要求，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，在该地质条件下准确预测重力锚的水平承载力十分必要。
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，其承受水平负荷的能力是锚与底质之间的摩擦力以及锚下底质的抗剪强度的函数。目前的计算方法，对于非黏性土，锚在水平荷载作用下，锚底土体发生排水剪切破坏，其最大水平承载力Qul为：
Qul＝μ[(Wb+γbADf-Fve)cosβ-Fh sinβ]+Rp (1)
式中：
μ＝锚底与土体的摩擦系数或者是在有剪力键的前提下土与土之间的摩擦系数。缺少更好的资料时，摩擦系数可由土的摩擦角得到：μ＝tan(φ-5°)(平底重力锚)，μ＝tanφ(有剪力键的重力锚)；
Wb＝锚在水下的重力；
Fve＝设计荷载与锚链荷载竖直方向上的分力(竖直向上为正)；
Fh＝设计荷载与锚链荷载在水平方向上的分力(沿锚底坡向方向为负)；
γbADf＝剪力键间土体的浮重；
γb＝土的浮重度；
A＝锚底面积；
Df＝剪力键入泥深度，海底泥面以下；
β＝海底泥面坡角；
φ＝锚底土体内摩擦角；
Rp＝锚底前沿的被动土压力，考虑到潮流冲刷等因素，Rp通常被忽略。
对于不存在剪力键的情况(即无剪力键的重力锚)，式(1)可简化为：
Qul＝μ[(Wb-Fve)cosβ-Fh sinβ]+Rp (2)
即现有的重力锚分析方法认为，对于不考虑剪力键的重力锚，其水平承载力就是锚底可以提供的摩擦力。
由公式(1)、(2)可知要准确设置重力锚的水平承载力，锚底与土体之间的摩擦系数或者是在有剪力键的前提下土与土之间的摩擦系数μ的选择至关重要。上文提到目前摩擦系数μ是通过与锚底土体内摩擦角Φ有关的半经验公式而取得。上述取值是建立在相应的重力锚基础的位移量很小的条件下。当重力锚作为船舶等浮体结构的锚固基础时，结构物容许一定量的位移产生，此时砂质海底中重力锚的滑动为渐进式模式，各类试验研究表明，重力锚的位移拉力曲线呈明显的阶梯状分布，每一次起动时，所需拉力均呈现上升趋势。这就说明该岩土工程条件下重力锚的水平承载力在一定位移范围内是逐渐增大的，而非固定不变。若将起动时的拉力作为重力锚的抗滑承载力则偏于保守。因此，从安全性以及经济性方面考虑，正确设置一种钙质砂上考虑土体破坏模式影响的重力锚水平承载力计算的摩擦系数选择方法具有重要的意义，可以明显降低重力锚的造价以及安装成本。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有产品存在的上述缺点，而提供一种重力锚水平承载力的设置方法，该方法设置选择的砂质土上重力锚水平承载力计算的摩擦系数与实际情况更加相符，可以明显降低重力锚造价以及安装成本。
本发明的目的是由以下技术方案实现的。
本发明重力锚水平承载力的设置方法，其特征在于，采用以下步骤：
第一步：通过室内模型试验确定原状钙质砂上重力锚模型的抗滑力随启动次数的变化关系，并绘制成散点图；
第二步：确定重力锚模型的抗滑力及其底部与土体之间的摩擦系数(μ)，并绘制出该摩擦系数(μ)随重力锚模型启动次数变化的散点图；
第三步：根据第二步中绘制出的重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)随重力锚模型启动次数变化的散点图整理得到该摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化位移(S/B)数值之间的关系，并绘制成散点图；
第四步：根据第三步中绘制的散点图，确定重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移(S/B)数值之间的关系，并绘制重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数和重力锚模型归一化的位移数值之间的关系曲线图；
第五步：根据重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化位移(S/B)数值之间的关系，并结合工程中重力锚容许的位移量，确定重力锚底部与土体之间的摩擦系数的表达式；
第六步：根据重力锚结构、现场土质条件以及第五步中得到的重力锚底部与土体之间的摩擦系数(μ)，确定重力锚水平承载力。
前述的重力锚水平承载力的设置方法，其中，
所述第一步中，是通过室内模型试验，测出重力锚模型在原状钙质砂上每次启动时所需的拉力，再以重力锚模型的启动次数为横坐标，每次启动时所需的拉力为纵坐标汇出散点图；
所述第二步中，重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)的确定是利用公式(1)Qul＝μ[(Wb+γbADf-Fve)cosβ-Fh sinβ]+Rp，或者公式(2)Qul＝μ[(Wb-Fve)cosβ-Fh sinβ]+Rp由重力锚模型的抗滑力反算出此时重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)，再以重力锚模型的启动次数为横坐标，以摩擦系数为纵坐标，绘制出重力锚模型摩擦系数(μ)随启动次数变化的散点图；该公式(1)用于有剪力键的重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)的确定，该公式(2)用于无剪力键的重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)的确定；
所述第三步中，所述归一化的位移(S/B)数值为重力锚模型水平位移数值/重力锚模型宽度数值的比值，其中：S表示重力锚模型水平位移数值，B表示重力锚模型宽度数值；
所述第四步中，是根据第三步中绘制的散点图通过最小二乘法拟合得到重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移(S/B)数值之间的关系曲线图，该曲线图中纵坐标为重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数，横坐标为重力锚模型归一化的位移数值。
前述的重力锚水平承载力的设置方法，其中，
所述第三步中，根据试验过程中重力锚模型的位置得出其每次启动时相应于初始位置的水平位移(S)数值，将该水平位移(S)数值除以重力锚模型的宽度(B)得到归一化的位移(S/B)数值，用该(S/B)数值代替第二步中绘制散点图的横坐标，即得重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移(S/B)数值之间关系的散点图；
所述第四步中，根据第三步中绘制的散点图初步判定重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移数值之间的关系曲线表达式μ＝a(S/B)b，基于最小二乘法原理，多次修正拟合参数a、b，将代入后精度符合要求的参数a、b的数值作为拟合结果，从而拟合得到重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移数值之间的关系曲线及其表达式；
所述第五步中，根据工程要求确定重力锚的容许水平位移量(S')，将其代入第四步中所得重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移数值之间的关系曲线表达式，即可得到该土质条件下重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)与重力锚模型宽度(B)有关的表达式μ＝a(S'/B)b，从而确定不同重力锚模型底面与土体之间的摩擦系数的数值；
所述第六步中，根据重力锚的结构以及现场土质条件，将第五步中求得的重力锚模型底面与土体之间的摩擦系数(μ)代入具有剪力键重力锚的计算公式Qul＝μ[(Wb+γbADf-Fve)cosβ-Fh sinβ]+Rp，或者无剪力键的重力锚的计算公式Qul＝μ[(Wb-Fve)cosβ-Fh sinβ]+Rp，即可得到重力锚水平承载力；
所述公式中S'是工程中重力锚的容许位移量，该容许位移量在一个工程中是常量；S是重力锚的水平位移量，该水平位移量是变量。
本发明重力锚水平承载力的设置方法的有益效果，本发明考虑钙质砂上重力锚底部土体渐进式滑动破坏机理的影响，利用原状土样的室内模型试验数据确定重力锚底部与土体之间的摩擦系数和重力锚归一化的位移数值之间的关系，使设置拟合结果更加接近实际情况，有效降低重力锚造价以及安装成本。
附图说明：
图1A为本发明钙质砂上平底锚底型式重力锚模型水平承载力随启动过程变化散点图。
图1B为本发明钙质砂上八键锚底型式重力锚模型水平承载力随启动过程变化散点图。
图1C为本发明钙质砂上12键锚底型式重力锚模型水平承载力随启动过程变化散点图。
图1D为本发明钙质砂上20键锚底型式重力锚模型水平承载力随启动过程变化散点图。
图2A为本发明钙质砂上平底锚底型式重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数随启动过程变化散点图。
图2B为本发明钙质砂上八键锚底型式重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数随启动过程变化散点图。
图2C为本发明钙质砂上12键锚底型式重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数随启动过程变化散点图。
图2D为本发明钙质砂上20键锚底型式重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数随启动过程变化散点图。
图3A为本发明钙质砂上平底锚底型式重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数和归一化的位移之间的关系的散点图。
图3B为本发明钙质砂上八键锚底型式重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数和归一化的位移之间的关系的散点图。
图3C为本发明钙质砂上12键锚底型式重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数和归一化的位移之间的关系的散点图。
图3D为本发明钙质砂上20键锚底型式重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数和归一化的位移之间的关系的散点图。
图4A为本发明拟合出的平底锚底型式重力锚模型的摩擦系数和归一化的位移数值之间的关系的曲线图，并与实测值进行对比。
图4B为本发明拟合出的八键锚底型式重力锚模型的摩擦系数和归一化的位移数值之间的关系的曲线图，并与实测值进行对比。
图4C为本发明拟合出的12键锚底型式重力锚模型的摩擦系数和归一化的位移数值之间的关系的曲线图，并与实测值进行对比。
图4D为本发明拟合出的20键锚底型式重力锚模型的摩擦系数和归一化的位移数值之间的关系的曲线图，并与实测值进行对比。
图5为本发明拟合出的初步设计时重力锚底部与土体之间摩擦系数和归一化的位移数值之间的关系的曲线图，并与实测值进行对比。
图中主要标号说明：
图1A中，纵坐标为平底锚底型式重力锚模型在原状钙质砂上每次启动时所需的拉力，横坐标为重力锚模型的启动次数；
图1B中，纵坐标为八键锚底型式重力锚模型在原状钙质砂上每次启动时所需的拉力，横坐标为重力锚模型的启动次数；
图1C中，纵坐标为12键锚底型式重力锚模型在原状钙质砂上每次启动时所需的拉力，横坐标为重力锚模型的启动次数；
图1D中，纵坐标为20键锚底型式重力锚模型在原状钙质砂上每次启动时所需的拉力，横坐标为重力锚模型的启动次数；
图2A中，纵坐标为平底锚底型式重力锚模型在原状钙质砂上的摩擦系数，横坐标为平底锚底型式重力锚模型的启动次数；
图2B中，纵坐标为八键锚底型式重力锚模型在原状钙质砂上的摩擦系数，横坐标为八键锚底型式重力锚模型的启动次数；
图2C中，纵坐标为12键锚底型式重力锚模型在原状钙质砂上的摩擦系数，横坐标为12键锚底型式重力锚模型的启动次数；
图2D中，纵坐标为20键锚底型式重力锚模型在原状钙质砂上的摩擦系数，横坐标为20键锚底型式重力锚模型的启动次数；
图3A中，纵坐标为钙质砂上平底锚底型式重力锚底部与土体之间的摩擦系数，横坐标为平底锚底型式重力锚归一化的位移数值；
图3B中，纵坐标为钙质砂上八键锚底型式重力锚底部与土体之间的摩擦系数，横坐标为八键锚底型式重力锚归一化的位移数值；
图3C中，纵坐标为钙质砂上12键锚底型式重力锚底部与土体之间的摩擦系数，横坐标为12键锚底型式重力锚归一化的位移数值；
图3D中，纵坐标为钙质砂上20键平底锚底型式重力锚底部与土体之间的摩擦系数，横坐标为20键平底锚底型式重力锚归一化的位移数值；
如图4A中，纵坐标为平底锚底型式重力锚的摩擦系数，横坐标为平底锚底型式重力锚归一化的位移数值；
图4B中，纵坐标为八键锚底型式重力锚的摩擦系数，横坐标为八键锚底型式重力锚归一化的位移数值；
图4C中，纵坐标为12键锚底型式重力锚的摩擦系数，横坐标为12键锚底型式重力锚归一化的位移数值；
图4D中，纵坐标为20键锚底型式重力锚的摩擦系数，横坐标为20键锚底型式重力锚归一化的位移数值。
图5中，纵坐标为重力锚底部与土体之间摩擦系数，横坐标为重力锚归一化的位移数值。
具体实施方式
本发明重力锚水平承载力的设置方法，其采用以下步骤：
第一步：通过室内模型试验确定原状钙质砂上重力锚模型的抗滑力随启动次数的变化关系，并绘制成散点图；
第二步：确定重力锚模型的抗滑力及其底部与土体之间的摩擦系数(μ)，并绘制出该摩擦系数(μ)随重力锚模型启动次数变化的散点图；
第三步：根据第二步中绘制出的重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)随重力锚模型启动次数变化的散点图整理得到该摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化位移(S/B)数值之间的关系，并绘制成散点图；
第四步：根据第三步中绘制的散点图，确定重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移(S/B)数值之间的关系，并绘制重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数和重力锚模型归一化的位移数值之间的关系曲线图；
第五步：根据重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化位移(S/B)数值之间的关系，并结合工程中重力锚容许的位移量，确定重力锚底部与土体之间的摩擦系数的表达式；
第六步：根据重力锚结构、现场土质条件以及第五步中得到的重力锚底部与土体之间的摩擦系数(μ)，确定重力锚水平承载力。
本发明重力锚水平承载力的设置方法，其中，
所述第一步中，是通过室内模型试验，测出重力锚模型在原状钙质砂上每次启动时所需的拉力，再以重力锚模型的启动次数为横坐标，每次启动时所需的拉力为纵坐标汇出散点图；
所述第二步中，重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)的确定是利用公式(1)Qul＝μ[(Wb+γbADf-Fve)cosβ-Fh sinβ]+Rp，或者公式(2)Qul＝μ[(Wb-Fve)cosβ-Fh sinβ]+Rp由重力锚模型的抗滑力反算出此时重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)，再以重力锚模型的启动次数为横坐标，以摩擦系数为纵坐标，绘制出重力锚模型摩擦系数(μ)随启动次数变化的散点图；该公式(1)用于有剪力键的重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)的确定，该公式(2)用于无剪力键的重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)的确定；
所述第三步中，所述归一化的位移(S/B)数值为重力锚模型水平位移数值/重力锚模型宽度数值的比值，其中：S表示重力锚模型水平位移数值，B表示重力锚模型宽度数值；
所述第四步中，是根据第三步中绘制的散点图通过最小二乘法拟合得到重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移(S/B)数值之间的关系曲线图，该曲线图中纵坐标为重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数，横坐标为重力锚模型归一化的位移数值。
本发明重力锚水平承载力的设置方法，其中，所述第三步中，根据试验过程中重力锚模型的位置得出其每次启动时相应于初始位置的水平位移(S)数值，将该水平位移(S)数值除以重力锚模型的宽度(B)得到归一化的位移(S/B)数值，用该(S/B)数值代替第二步中绘制散点图的横坐标，即得重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移(S/B)数值之间关系的散点图；
所述第四步中，根据第三步中绘制的散点图初步判定重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移数值之间的关系曲线表达式μ＝a(S/B)b，基于最小二乘法原理，多次修正拟合参数a、b，将代入后精度符合要求的参数a、b的数值作为拟合结果，从而拟合得到重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移数值之间的关系曲线及其表达式；
所述第五步中，根据工程要求确定重力锚的容许水平位移量(S')，将其代入第四步中所得重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移数值之间的关系曲线表达式，即可得到该土质条件下重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)与重力锚模型宽度(B)有关的表达式μ＝a(S'/B)b，从而确定不同重力锚模型底面与土体之间的摩擦系数的数值；
所述第六步中，根据重力锚的结构以及现场土质条件，将第五步中求得的重力锚模型底面与土体之间的摩擦系数(μ)代入具有剪力键重力锚的计算公式Qul＝μ[(Wb+γbADf-Fve)cosβ-Fh sinβ]+Rp，或者无剪力键的重力锚的计算公式Qul＝μ[(Wb-Fve)cosβ-Fh sinβ]+Rp，即可得到重力锚水平承载力；
所述公式中S'是工程中重力锚的容许位移量，该容许位移量在一个工程中是常量；S是重力锚的水平位移量，该水平位移量是变量。
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如下：
(1)通过室内模型试验，测出重力锚模型在原状钙质砂上每次启动时所需的拉力，再以重力锚模型的启动次数为横坐标，每次启动时所需的拉力为纵坐标绘出散点图；如图1A所示，通过室内模型试验，测出平底锚底型式重力锚模型在原状钙质砂上每次启动时所需的拉力，再以该模型的的启动次数为横坐标，每次启动时所需的拉力为纵坐标汇出钙质砂上平底锚底型式重力锚水平承载力随启动过程变化散点图；如图1B所示，通过室内模型试验，测出八键锚底型式重力锚模型在原状钙质砂上每次启动时所需的拉力，再以该模型的启动次数为横坐标，每次启动时所需的拉力为纵坐标汇出钙质砂上八键锚底型式重力锚水平承载力随启动过程变化散点图；如图1C所示，通过室内模型试验，测出12键锚底型式重力锚模型在原状钙质砂上每次启动时所需的拉力，再以该模型的启动次数为横坐标，每次启动时所需的拉力为纵坐标汇出钙质砂上12键锚底型式重力锚水平承载力随启动过程变化散点图；如图1D所示，通过室内模型试验，测出20键锚底型式重力锚模型在原状钙质砂上每次启动时所需的拉力，再以该模型的启动次数为横坐标，每次启动时所需的拉力为纵坐标汇出钙质砂上20键锚底型式重力锚水平承载力随启动过程变化散点图。
(2)利用有剪力键的重力锚底部与土体之间的摩擦系数(μ)的计算公式Qul＝μ[(Wb+γbADf-Fve)cosβ-Fh sinβ]+Rp，或者无剪力键的重力锚底部与土体之间的摩擦系数(μ)的计算公式Qul＝μ[(Wb-Fve)cosβ-Fh sinβ]+Rp由重力锚模型的抗滑力反算出此时重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数μ，再以重力锚模型的启动次数为横坐标，以摩擦系数为纵坐标，绘制出该摩擦系数μ随启动次数变化的散点图，如图2A所示，钙质砂上平底锚底型式重力锚底部与土体之间的摩擦系数随启动过程变化散点图；图2B钙质砂上八键锚底型式重力锚底部与土体之间的摩擦系数随启动过程变化散点图；图2C钙质砂上12键锚底型式重力锚底部与土体之间的摩擦系数随启动过程变化散点图；图2D钙质砂上20键锚底型式重力锚底部与土体之间的摩擦系数随启动过程变化散点图。
(3)根据试验过程中重力锚模型的位置得出其每次启动时相对于初始位置的水平位移(S)数值，将S除以重力锚模型的宽度B得到重力锚模型归一化的位移(S/B)数值，用(S/B)数值分别代替图2A、图2B、图2C、图2D中散点图的横坐标，将重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数为纵坐标，即得摩擦系数μ和归一化的位移(S/B)数值之间关系的散点图，如图3A钙质砂上平底锚底型式重力锚底部与土体之间的摩擦系数和归一化的位移数值之间的关系的散点图；图3B钙质砂上八键锚底型式重力锚底部与土体之间的摩擦系数和归一化的位移数值之间的关系的散点图；图3C钙质砂上12键锚底型式重力锚底部与土体之间的摩擦系数和归一化的位移数值之间的关系的散点图；图3D钙质砂上20键锚底型式重力锚底部与土体之间的摩擦系数和归一化的位移数值之间的关系的散点图。
(4)根据第三步中的散点图初步判定重力锚模型与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移数值之间的关系曲线表达式，μ＝a(S/B)b，基于最小二乘法原理，不断修正拟合参数，将代入后精度符合要求的参数数值作为拟合结果，从而拟合得到重力锚模型与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移数值之间的关系曲线。该曲线是以重力锚模型与土体之间的摩擦系数为纵坐标，重力锚模型归一化的位移数值为横坐标绘制；如图4A为拟合出的平底锚底型式重力锚的摩擦系数和归一化的位移数值之间的关系的曲线图，并与实测值进行对比，可以看到均方差为0.8，因此具有较好的拟合效果；图4B为拟合出的八键锚底型式重力锚的摩擦系数和归一化的位移数值之间的关系的曲线图，并与实测值进行对比，可以看到均方差为0.8，因此具有较好的拟合效果；图4C为拟合出的12键锚底型式重力锚的摩擦系数和归一化的位移数值之间的关系的曲线图，并与实测值进行对比，可以看到均方差为0.9，因此具有较好的拟合效果；图4D为拟合出的20键锚底型式重力锚的摩擦系数和归一化的位移数值之间的关系的曲线图，并与实测值进行对比，可以看到均方差为0.9，因此具有较好的拟合效果。
(5)根据工程要求确定重力锚的容许水平位移量S'，将其代入(4)中所得重力锚模型与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移数值之间的关系曲线表达式，即可得到该土质条件下摩擦系数μ与重力锚宽度B有关的表达式，从而确定不同底面重力锚的摩擦系数的数值；
根据上述拟合曲线可以看到，重力锚在钙质砂中的摩擦系数与归一化的位移符合下述关系：
μ＝a(S/B)b (3)
其中μ为摩擦系数，S/B为归一化的位移，a，b为试验参数。a，b的数值与重力锚底面型式有关，其中：平底锚的a＝0.66，b＝0.11；八键锚的a＝0.83，b＝0.21；12键锚的a＝0.82，b＝0.15；20键锚的a＝0.81，b＝0.20。
结合以上四种锚底面型式(平底、8键、12键、20键)所得到的摩擦系数和归一化的位移数值之间的关系的散点图，可拟合出初步设计时二者之间关系，如图5所示：
μ＝0.77(S/B)0.15 (4)
将工程中重力锚容许的最大位移量S'代入式(4)即可确定在该土质条件下初步设计时锚底面与土体之间的摩擦系数表达式。
公式中S'是工程中重力锚的容许位移量，该容许位移量在一个工程中常量；S是重力锚的水平位移量，该水平位移量是变量。
(6)根据重力锚的结构以及现场土质条件，将(5)中求得的重力锚底部与土体之间的摩擦系数(μ)代入有剪力键的重力锚底部与土体之间的摩擦系数(μ)的计算公式：Qul＝μ[(Wb+γbADf-Fve)cosβ-Fh sinβ]+Rp，或者无剪力键的重力锚底部与土体之间的摩擦系数(μ)的计算公式：Qul＝μ[(Wb-Fve)cosβ-Fh sinβ]+Rp，即可得到重力锚水平承载力。
由公式(4)及图5可以看出，采用本发明的方法确定重力锚底部与土体之间的摩擦系数μ时，该摩擦系数μ随着重力锚归一化位移数值的增大而增大，符合砂质海底中重力锚底部土体滑动破坏的渐进式模式。因此，相较于将起动时的拉力作为重力锚的抗滑承载力或采用半经验公式取摩擦系数μ为一定值，这种方法在同样保证安全性的基础上，更符合钙质砂上重力锚底部土体的实际滑动破坏模式，因此经济且合理。
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参数。例如，在该海域的某次设计中，根据原有方法确定的摩擦系数是0.5，而采用现有方法摩擦系数是0.7，这就使得设计尺寸由来的17*17m降低至12*12m,从而大大降低了制造和安装的难度，获得了很好的效果。
本实施例中未进行说明的内容为现有技术，故，不再进行赘述。
本发明具有的优点和积极效果是：
(1)考虑了钙质砂上重力锚的破坏机理对其水平承载力的影响，根据砂质海底中重力锚所受的抗滑力为渐进式的模式拟合出其摩擦系数μ与归一化位移(S/B)之间的关系曲线，为准确预测重力锚的水平承载力提供可靠依据，能够保证由重力锚所固定的海洋建筑结构的安全稳定；
(2)相比于比较保守的摩擦系数选择方法，此法在保证安全性的基础上，能够大大降低重力锚的设计尺寸，从而有效减少了其制造和安装的难度，使得设计方案更加经济、合理；
(3)采用原状土样的室内模型试验数据作为拟合的依据，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)该方法符合工程实际，方法简单明确，易于操作，所涉及参数都容易确定且可靠，这使得拟合结果更加精确。
本发明的设计原理：本发明考虑了钙质砂上重力锚的破坏机理对其水平承载力的影响，根据砂质海底中重力锚所受的抗滑力为渐进式的模式拟合出重力锚底部与土体之间的摩擦系数μ与重力锚归一化位移(S/B)之间的关系曲线，为准确预测重力锚的水平承载力提供可靠依据，能够保证由重力锚所固定的海洋建筑结构的安全稳定。另外，相比于比较保守的摩擦系数选择方法，此法在保证安全性的基础上，能够大大降低重力锚的设计尺寸，从而有效减少了其制造和安装的难度，使得设计方案更加经济、合理。而采用原状土样的室内模型试验数据作为拟合的依据，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。总之，该方法符合工程实际，方法简单明确，易于操作，所涉及参数都容易确定且可靠，这使得拟合结果更加精确。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种重力锚水平承载力的设置方法，其特征在于，采用以下步骤：
第一步：通过室内模型试验确定原状钙质砂上重力锚模型的抗滑力随启动次数的变化关系，并绘制成散点图；
第二步：确定重力锚模型的抗滑力及其底部与土体之间的摩擦系数(μ)，并绘制出该摩擦系数(μ)随重力锚模型启动次数变化的散点图；
第三步：根据第二步中绘制出的重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)随重力锚模型启动次数变化的散点图整理得到该摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化位移(S/B)数值之间的关系，并绘制成散点图；
第四步：根据第三步中绘制的散点图，确定重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移(S/B)数值之间的关系，并绘制重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数和重力锚模型归一化的位移数值之间的关系曲线图；
第五步：根据重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化位移(S/B)数值之间的关系，并结合工程中重力锚容许的位移量，确定重力锚底部与土体之间的摩擦系数的表达式；
第六步：根据重力锚结构、现场土质条件以及第五步中得到的重力锚底部与土体之间的摩擦系数(μ)，确定重力锚水平承载力。
2.根据权利要求1所述的重力锚水平承载力的设置方法，其特征在于，
所述第一步中，是通过室内模型试验，测出重力锚模型在原状钙质砂上每次启动时所需的拉力，再以重力锚模型的启动次数为横坐标，每次启动时所需的拉力为纵坐标汇出散点图；
所述第二步中，重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)的确定是利用公式(1)Qul＝μ[(Wb+γbADf-Fve)cosβ-Fhsinβ]+Rp，或者公式(2)Qul＝μ[(Wb-Fve)cosβ-Fhsinβ]+Rp由重力锚模型的抗滑力反算出此时重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)，再以重力锚模型的启动次数为横坐标，以摩擦系数为纵坐标，绘制出重力锚模型摩擦系数(μ)随启动次数变化的散点图；该公式(1)用于有剪力键的重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)的确定，该公式(2)用于无剪力键的重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)的确定；
所述第三步中，所述归一化的位移(S/B)数值为重力锚模型水平位移数值/重力锚模型宽度数值的比值，其中：S表示重力锚模型水平位移数值，B表示重力锚模型宽度数值；
所述第四步中，是根据第三步中绘制的散点图通过最小二乘法拟合得到重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移(S/B)数值之间的关系曲线图，该曲线图中纵坐标为重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数，横坐标为重力锚模型归一化的位移数值。
3.根据权利要求1或2所述的重力锚水平承载力的设置方法，其特征在于，所述第三步中，根据试验过程中重力锚模型的位置得出其每次启动时相应于初始位置的水平位移(S)数值，将该水平位移(S)数值除以重力锚模型的宽度(B)得到归一化的位移(S/B)数值，用该(S/B)数值代替第二步中绘制散点图的横坐标，即得重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移(S/B)数值之间关系的散点图；
所述第四步中，根据第三步中绘制的散点图初步判定重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移数值之间的关系曲线表达式μ＝a(S/B)b，基于最小二乘法原理，多次修正拟合参数a、b，将代入后精度符合要求的参数a、b的数值作为拟合结果，从而拟合得到重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移数值之间的关系曲线及其表达式；
所述第五步中，根据工程要求确定重力锚的容许水平位移量(S')，将其代入第四步中所得重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)和重力锚模型归一化的位移数值之间的关系曲线表达式，即可得到该土质条件下重力锚模型底部与土体之间的摩擦系数(μ)与重力锚模型宽度(B)有关的表达式μ＝a(S'/B)b，从而确定不同重力锚模型底面与土体之间的摩擦系数的数值；
所述第六步中，根据重力锚的结构以及现场土质条件，将第五步中求得的重力锚模型底面与土体之间的摩擦系数(μ)代入具有剪力键重力锚的计算公式Qul＝μ[(Wb+γbADf-Fve)cosβ-Fhsinβ]+Rp，或者无剪力键的重力锚的计算公式Qul＝μ[(Wb-Fve)cosβ-Fhsinβ]+Rp，即可得到重力锚水平承载力；
所述公式中S'是工程中重力锚的容许位移量，该容许位移量在一个工程中是常量；S是重力锚的水平位移量，该水平位移量是变量。
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