沉船起吊过程中海土吸附力对吊力影响的数值分析

杨芷蘅，刘雨，王振宇，唐旭，朱亚洲

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003；2.上海打捞局,上海 200090；3.南通远洋船舶配套有限公司，江苏 南通 226000)

在沉船打捞作业中，因为存在吸附力，在沉船离底的过程中会，对船底产生数千吨的向下拉力，增加了整个起吊过程的难度和风险。国内外学者的相关研究主要针对拔桩过程中海底土壤对桩靴等结构的吸附力影响因素[1-8]，但针对大吨位沉船结构的沉底浅度入泥吸附力研究较少。为此，考虑基于土体承载力计算原理，利用有限元仿真方法，计及起吊速度及沉船入泥深度等因素对起吊离底过程进行仿真模拟，分析不同起吊模式对吸附力大小的影响，为沉船起吊过程中的吊力分布及结构加强方案优化提供技术支持。

1 吸附力理论

分析沉船的受力，典型沉船受力示意于图1，船体受到吸附力、提升力、沉船浮力、沉船水下自重，以及沉船浸没在海土中所排开的海土重量等载荷作用，并达到力的平衡。

图1 沉船受力示意

底质中结构物的吸附力可以根据力的方向来确定。分析可知，沉船在起吊过程中提升力的方向与海土对沉船的吸附力方向相反，在重力方向已知的情况下可以根据平衡公式对吸附力公式进行推算[9]，太沙基吸附力公式如下所示。

Ft=P+ω-G+f=

(1)

式中：Ft为海土对沉船的吸附力峰值；P为海土极限承载情况下的提升力；ω为沉船浸没在海土中所排开的海土重量；G为沉船水下自重；f为沉船浮力；S为海土的抗剪强度；A为沉船与海土接触处水平投影面积；D为沉船在海土中的浸没深度；B为沉船的宽度；L为沉船的长度。

太沙基吸附力公式对底质的类型要求较低，用于此吸附力的计算满足要求。然而考虑到船区域海土的力学特性及沉船自身的结构特性，选用太沙基吸附力修正公式[10]。

(2)

式中：SR为结构体与底质的接触面积；SP为结构与底质接触处的多向投影面积。

因此，运用太沙基吸附力修正公式得到的理论计算结果与ABAQUS数值仿真模型分析得到的结果进行对比，可以验证ABAQUS数值仿真分析的可靠性。

2 仿真模型的建立

2.1 打捞过程及工况

沉船脱离海土的过程中，沉船主要受海土吸附力、船体自重和海水浮力的影响，船体自重和海水浮力在此过程中并无变化，而在吸附力达到峰值时沉船所受载荷最大，为最危险的工况，定义其为起吊离底工况在沉船打捞过程中，所受的载荷随船体所处起吊阶段的不同而变化，吸附力主要集中在起吊离底工况。因此，在吸附力计算中，针对起吊离底工况。

2.2 吸附力计算数值模型

实际典型船体入泥深度较浅，且船艏、船艉向上翘起，与底部海土接触面积较小甚至无接触，所以船体与海土接触面主要集中在主船体船舯部分。在进行吸附力仿真计算时，对船底接触面进行简化设置，降低因接触面不规则而导致的网格畸变风险的发生。同时在单独进行吸附力计算时，由于海底洋流对排开海土的冲刷，典型沉船船体周边排开土体积可忽略，计算沉船结构所受的提升力，吸附力仿真计算时可对船体结构做刚体无自重设定，不建立海水流体模型，此时计算出的提升力等于吸附力。在海土吸附力数值计算时进行船体与海土接触行为分析，设定吸附力数值计算模型的船体与海土的接触投影面长80 m，宽18 m，与现实情况下船体与海土的接触面积相近。

以海土作为地基材料，主应力的破坏影响较小，Mohr-Coulomb模型采用光滑的塑性流动势，线弹性和塑性模型结合使用，适用于单调载荷作用下的力学特性分析，选取Mohr-Coulomb模型作为土体的本构属性。

为了提高海土吸附力模拟分析的准确性，设置海底土壤边界可满足无限空间结构的效果，取值为长400 m，宽400 m，高75 m。为了计算海土的极限吸附力，假定土体不发生膨胀，膨胀角设置为0°。

在进行有限元分析时，由于海底洋流对排开海土的冲刷，典型沉船船体周边排开土体积可忽略，不考虑排开海土的重力，为了单独求得海土吸附力，不设置海水的浮力场，将船体自重设置为零，所以在仿真结果中求得的提升力与船体所受海土吸附力相等。通过船体和土体的材料性质及参数分析，决定船体底部为主动面，海土面为从动面，根据材料属性，摩擦系数为0.2的硬接触方式。

在自重的影响下，土体结构应力的叠加产生了地应力，在地应力的作用下会导致土体的位移，导致出现与原始状态不一致的情况。因此,需要将计算过程中所得的应力场导入ABAQUS的下一次计算中，与土体的外力平衡。平衡地应力前后应变及位移见图2。

图2 平衡地应力前后应变及位移云图

由图2可知，平衡地应力前土体的内力最大可达到2.565 MPa，土体发生了较大的位移，会导致在整个模拟分析过程中初始情况下对船体造成很大的向下的瞬态拉力。平衡地应力以后，土体结构间因为叠加产生的应力并没有消失，但是通过力场的平衡，土体几乎没有位移，此次平衡效果较为良好，为后期计算做好了准备。

2.3 理论计算公式与数值模拟结果对比

根据典型沉船实际情况，设定船体陷入海土底质深度为0.5 m，船体的底部与泥面完全贴合，海土应力及土位移形变见图3。

图3 海土应力云图及位移形变

由图3可知，在沉船提升过程中，海土应力出现极大值时，应力以船底与海土接触处为中心向外扩散，最大应力出现在船体周围；由于沉船的提升方向为竖直向上，在沉船提升过程中，海土竖直方向上的位移变形所受影响较大，当海土竖直方向位移变形出现极大值时，竖直方向最大位移变形出现在船底与海土接触处。

船体浸没深度0.5 m时船体吸附力随位移的变化见图4。

图4 船体浸没深度0.5 m时的船体位移-吸附力

由图4可知，船体浸没深度0.5 m时，船体吸附力在船体位移为0.4 m时达到最大，其最大吸附力为1.40×104kN。

将各参数数值代入公式(2)，S=6 kPa，A=960 m2，B=18 m，L=80 m，D=0.5，SR/SP=1。计算结果，海土吸附力产生的吸附力为1.82×104kN，通过对比，数值模拟结果与理论计算公式结果的误差在25%以内，且有限元计算中考虑了粘聚力和负孔隙水压力，相对于太沙基修正公式来说考虑的参数更为周全，结果更为真实，更具有实际工程意义。表明所建立的吸附力数值仿真模型较为可靠。

3 吸附力数值仿真分析

3.1 不同船体浸没深度对吸附力的影响

离底过程中，船体的浸没深度是影响提升力的要素之一，以0.01 m/s的速度提升沉船，设置三种工况，船体在海土的浸没深度分别为0.2、0.5、0.8 m。不同船体浸没深度下船体吸附力随位移的变化见图5。

图5 不同船体浸没深度下船体位移-吸附力

从图5可见，浸没深度越大，吸附力的峰值越高，并且达到峰值的位移越大，而在浸没0.8 m深度的工况下，到达峰值后，海土发生软化，吸附力开始有下降趋势，当沉船提升至0.8 m后，海底黏性土层应变突增，吸附力迅速下降，直至消失。而在浸没0.2 m的工况下，吸附力在离底前过程中海土大部分时间处于弹性变形状态，海土的软化现象并不明显，当沉船提升至0.2 m后，海底黏性土层应变突增，吸附力迅速下降，直至消失。而在浸没0.5 m的工况下，到达峰值后，海土发生软化，吸附力开始下降，当沉船提升至0.5 m后，海底黏性土层应变突增，吸附力迅速下降，直至消失。

3.2 不同提升速度对吸附力的影响

在打捞过程中，离底速度对海土吸附力也有一定的影响。选取0.1、0.01、0.001 m/s的3种离底速度，不同提升速度下船体吸附力随位移的变化见图6。

图6 不同提升速度下船体位移-吸附力

从图6可见，当速度为0.1 m/s时，在提升初始阶段，吸附力的上升极为迅速，吸附力能在很短的时间内达到峰值，并且在提升至0.05 m时能够达到峰值1.98×104kN，此后吸附力迅速下降，在提升至0.35 m处海土发生软化，当沉船提升至0.5 m后，海底黏性土层应变突增，吸附力迅速下降，直至消失。而以0.01 m/s与0.001 m/s速度提升时，相较于0.1 m/s的工况更加平缓，当提升至0.1 m时海土发生软化，之后再趋于平缓，当沉船提升至0.5 m后，海底粘性土层应变突增，吸附力迅速下降，直至消失。而0.001 m/s的工况与0.01 m/s的工况曲线变化相近，但0.001 m/s的速度过慢。0.01 m/s的工况下其提升力峰值为1.43×104kN，0.001 m/s的工况下其提升力峰值为1.40×104kN，相比之下0.001 m/s的工况下吸附力的峰值更小。

经过分析，0.1 m/s速度提升时，在提升初始阶段的极短的时间内会产生较大吸附力，而随着负孔隙水压力逐渐消失，吸附力急剧下降，吸附力开始突变，之后由于海土的软化，吸附力的变化趋于平缓，当沉船提升至0.5 m后，海底黏性土层应变突增，吸附力迅速下降，直至消失。0.01 m/s和0.001 m/s的工况下，提升力受负孔隙水压力的影响很小，符合胡克定律，但是，0.001 m/s的工况与0.1 m/s的工况的吸附力变化趋势相近。由此，当陷入同一深度的情况下，提升速度越小，产生的负孔隙水压力越小，其离底过程中吊索承受的负载越小，越加稳定，更加安全，但当速度降低到一定值后，区别并不明显。所以，在进行离底起吊作业时，在打捞时间允许的范围内，尽量要缓慢匀速。

3.3 匀、变速离底对吸附力的影响

假设船体陷入海底海土深度为0.5 m，通过对比匀速和定位移的变速离底不同打捞方式的工况下吸附力的变化。选取以0.01 m/s的匀速离底方式和定位移的变速离底方式进行比较，见图7。

图7 匀、变速提升下船体位移-吸附力

从图7可见，相比于匀速工况，定位移变速打捞的过程中，速度随着时间的推移由小变大。在匀速打捞的过程中，在起吊初期处海土处于弹性变形阶段，吸附力近似地呈线性的趋势上升，当大约提升至0.1 m处，提升力的上升速度开始减缓，此时在拉伸力的作用下海土发生软化，此后吸附力近乎平缓地上升，当沉船提升至0.5 m后，海底黏性土层应变突增，吸附力迅速下降，直至消失。在定位移变速打捞的过程中，打捞初期吸附力相较于匀速工况下更加平稳，约在上升至0.4 m处，海土发生软化，趋于平缓，当沉船提升至0.5 m后，海底黏性土层应变突增，吸附力迅速下降，直至消失。

对比发现，在两种不同的打捞工况下，其提升力的峰值均为1.41×104kN，但匀速工况下吸附力的变化相对于定位移工况更加稳定；而定位移工况下，整个提升过程中克服吸附力做的功较少，更为节能。结果表明，打捞方式对吸附力峰值的影响并不大，但是对整个打捞过程中的吸附力变化趋势影响较大，为了更安全地完成离底过程，匀速打捞的方式更为稳定。

4 结论

1)在同一提升速度下，沉船入泥深度对吸附力峰值会产生明显的影响，吸附力随入泥深度的增加而增加，浸没深度越大，吸附力的峰值越高。

2)在相同浸没深度下，当船体匀速离底时，吸附力变化趋势单一，打捞过程稳定；非匀速离底时，吸附力变化复杂，打捞过程不稳定；但两种离底方式的吸附力峰值相近，不受离底方式的影响。

3)在相同浸没深度下，在沉船离底初始阶段，海土负孔隙压力与选定的3种提升速度成正相关，而吸附力会随提升速度的增大有一定的增大。

4)打捞方式对吸附力峰值的影响并不大，但是对整个打捞过程中的吸附力变化趋势影响较大，为了更安全地完成离底过程，应选择采用缓慢匀速打捞的方式。