軟土中單桶基礎(chǔ)豎向循環(huán)承載力的模型試驗＊

曲延大，王建華

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300451；2.天津大學(xué)巖土工程研究所 天津 300072）

軟土中單桶基礎(chǔ)豎向循環(huán)承載力的模型試驗＊

曲延大1，王建華2

（1.中海油田服務(wù)股份有限公司 天津 300451；2.天津大學(xué)巖土工程研究所 天津 300072）

利用真空預(yù)壓法制備了一個大尺寸軟土模型試驗土池，針對兩種不同直徑桶型基礎(chǔ)，進(jìn)行了多組豎向靜荷載與循環(huán)荷載共同作用下單桶基礎(chǔ)承載力的模型試驗，研究了軟土中單桶基礎(chǔ)循環(huán)承載力的變化。研究結(jié)果表明，如果基礎(chǔ)受到的豎向總荷載比小于0.85，則循環(huán)荷載作用下基礎(chǔ)的豎向累積沉降隨循環(huán)次數(shù)的變化趨勢是安定的；如果豎向總荷載比大于0.9，那么基礎(chǔ)的豎向循環(huán)累積沉降將逐漸增加，并最終導(dǎo)致基礎(chǔ)破壞；如果豎向總荷載比接近或大于1.0，基礎(chǔ)的循環(huán)累積沉降發(fā)展加快，而且此時豎向靜荷載越大，豎向循環(huán)累積沉降發(fā)展就越快。依據(jù)模型試驗結(jié)果可以得出，豎向靜荷載與循環(huán)荷載共同作用下，軟土中單桶基礎(chǔ)的循環(huán)承載力大約為靜承載力的80%左右。

桶型基礎(chǔ)；模型試驗；循環(huán)承載力；海洋平臺基礎(chǔ)；軟土地基

桶型基礎(chǔ)是海洋平臺一種重要的基礎(chǔ)，由于其造價低、可移動，很適合在海洋軟土海床中使用。尤其是在邊際油田的開發(fā)中，更能發(fā)揮其可移動的特點。海洋平臺經(jīng)常會承受來自風(fēng)浪和冰等循環(huán)荷載的作用，評價循環(huán)荷載作用下軟土中桶型基礎(chǔ)的承載力是桶型基礎(chǔ)設(shè)計的一項重要內(nèi)容。

評價循環(huán)荷載作用下桶形基礎(chǔ)承載力的方法有：① 擬靜力循環(huán)強度分析法［1－4］。該方法通過定義土單元的循環(huán)強度，將荷載對土體的循環(huán)作用等效為土體強度的改變。進(jìn)而依據(jù)土動力試驗建立的循環(huán)強度隨循環(huán)平均應(yīng)力變化的關(guān)系，由地基不同土單元的循環(huán)平均應(yīng)力確定相應(yīng)的循環(huán)強度，再通過有限元計算分析靜荷載與循環(huán)荷載共同作用下地基的循環(huán)承載力。② 擬靜力二維極限平衡法［5－8］。利用此方法分析桶型基礎(chǔ)的循環(huán)承載力，需要將三維問題轉(zhuǎn)換成二維問題，盡管已有的一些工作表明這種轉(zhuǎn)換是可行的，但是這種方法不能很好反應(yīng)地基土與基礎(chǔ)之間的相互作用。③ 依據(jù)各向異性增量彈塑性理論，建立描述軟土循環(huán)特性的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，借助增量彈塑性有限元方法分析地基的循環(huán)承載力［9－10］。利用循環(huán)彈塑性本構(gòu)關(guān)系，分析地基循環(huán)承載力特點是能夠跟蹤循環(huán)應(yīng)力路徑，較直觀描述地基的循環(huán)破壞過程。但是，由于波浪引起的循環(huán)荷載次數(shù)成百上千，采用這種方法不但計算量巨大，還可能會由于計算誤差的積累導(dǎo)致計算結(jié)果不收斂。需要注意的是，利用上述這些方法得出結(jié)果的合理性尚缺乏模型試驗驗證。

進(jìn)行軟土中桶型基礎(chǔ)循環(huán)承載力模型試驗的主要困難在于：軟土層的制備周期長，試驗必須具備專用的超低頻循環(huán)加載裝置，而且由于一次制備的模型試驗土層需要多次使用，很難保證每一次模型試驗具有完全一致的土性條件。因此，關(guān)于軟土中桶型基礎(chǔ)循環(huán)承載力的模型試驗報道較少。

鑒于以上分析，本研究利用真空預(yù)壓方法制備了一個大尺寸模型試驗軟黏土土池，采用電氣伺服超低頻循環(huán)加載裝置，進(jìn)行了軟土中單桶基礎(chǔ)在豎向靜荷載與豎向循環(huán)荷載共同作用下的承載力模型試驗。本研究目的在于通過模型試驗對軟土中桶形基礎(chǔ)循環(huán)承載力的變化有一個定量認(rèn)識，同時也為評價軟土中桶型基礎(chǔ)循環(huán)承載力方法的合理性提供一些可供驗證的模型試驗數(shù)據(jù)。

1 模型試驗

1.1 模型試驗土池與模型試驗裝置

模型試驗土池長與寬各1.8m，高2.1m，土池四周采用鋼板支撐（圖1）。土池內(nèi)部放置一個可以密封的橡膠布膜袋。在膜袋底部鋪設(shè)26cm厚的粗砂反濾層，在反濾層中間埋設(shè)與外部真空排水系統(tǒng)相接的排水管網(wǎng)共同組成真空預(yù)壓室。采用淤泥質(zhì)黏土制備軟土地基。制備時，先將土配制成含水量為80%～86%的泥漿，然后分層放入土池膜袋內(nèi)，直至土池中泥漿深度接近1.8m。在泥漿的上下表面以及四周鋪設(shè)了5mm厚土工布作為排水路徑，加速預(yù)壓固結(jié)速度。采用真空泵作為真空源。抽真空期間膜袋上部的真空預(yù)壓荷載基本維持在50kPa左右，預(yù)壓后土層厚1.50m，圖2是預(yù)壓后土層的情況。在模型試驗前，通過取樣測定試驗土層的含水量以及三軸不固結(jié)不排水強度。由于不同部位的土性指標(biāo)有一定差異，表1給出了模型試驗軟土層的平均物理力學(xué)指標(biāo)。

圖1 模型試驗土池

表1 模型試驗土層的基本參數(shù)

鋼質(zhì)模型試驗桶直徑為160mm與270mm兩種，壁厚8mm，高徑比1.5，桶頂部預(yù)留一個直徑12mm與真空貫入設(shè)備相連的抽氣孔，在桶頂面中心處安裝一連接鑼桿與豎向循環(huán)加載裝置相接（圖3）。

使用電氣伺服低頻循環(huán)加載裝置在載荷控制條件下給基礎(chǔ)施加豎向靜荷載與循環(huán)荷載，循環(huán)荷載頻率為0.1Hz，形式為正弦。圖4是模型試驗加載裝置與測量傳感器布置圖。

圖4 模型試驗豎向循環(huán)加載與測量裝置

利用與桶頂中心連接鑼桿相接的荷載傳感器3測量給基礎(chǔ)施加的豎向靜荷載與豎向循環(huán)荷載，同時力傳感器采集的信號也作為伺服控制反饋信號進(jìn)行精確的加載控制。利用差動變壓器式位移傳感器2（LVDT）測量基礎(chǔ)在豎向靜荷載作用下的豎向沉降以及在豎向循環(huán)荷載作用下的附加循環(huán)累積沉降。

1.2 試驗步驟

計算結(jié)果表明，桶型基礎(chǔ)的豎向循環(huán)承載力取決于循環(huán)荷載作用前基礎(chǔ)受到的豎向靜荷載。為此選擇不同的豎向靜荷載分別進(jìn)行循環(huán)承載力模型試驗，具體過程如下。

（1）利用負(fù)壓方法將桶沉入軟土中，為恢復(fù)沉貫過程對地基土體擾動帶來的影響，基礎(chǔ)沉入地基后靜置2天再進(jìn)行試驗。

（2）為進(jìn)行循環(huán)承載力試驗，首先采用單調(diào)分級加荷試驗方法確定基礎(chǔ)的豎向靜極限承載力Vf。

（3）施加循環(huán)荷載前，參考基礎(chǔ)的豎直靜承載力Vf，利用分級加荷方法給基礎(chǔ)施加一定的豎向靜荷載Va。

（4）當(dāng)最終豎向靜荷載作用下的豎向位移穩(wěn)定后，仍然參考基礎(chǔ)的靜承載力Vf，再給基礎(chǔ)施加豎向循環(huán)荷載Vcy，直到基礎(chǔ)的豎向靜沉降與循環(huán)累積沉降達(dá)到規(guī)定的破壞標(biāo)準(zhǔn)為止。對于為達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)的試驗，最大循環(huán)次數(shù)控制在2000次以內(nèi)。試驗過程中，利用計算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)記錄豎向循環(huán)荷載時程與循環(huán)沉降時程。

（5）每次試驗后，利用正壓將桶拔出土層，然后對試驗處的土層進(jìn)行平整并靜置恢復(fù)3天后再進(jìn)行下一次試驗。

表2與表3分別給出了160mm直徑桶、270mm直徑桶模型試驗的安排及試驗結(jié)果。表中的dv，s是循環(huán)荷載作用前靜荷載作用下的豎向沉降，（dv，a）f是豎向荷載作用后，達(dá)到預(yù)定的豎向沉降破壞標(biāo)準(zhǔn)時需要的循環(huán)累積沉降，Nf是桶在靜荷載作用下的豎向沉降與循環(huán)荷載作用下的累積沉降與之和達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時的荷載循環(huán)次數(shù)，即循環(huán)破壞次數(shù)。

表2 160mm直徑桶模型試驗安排及試驗結(jié)果

表3 270mm直徑桶模型試驗安排及試驗結(jié)果

2 模型試驗結(jié)果分析

2.1 豎向靜荷載作用下的承載力

對于160mm直徑桶，分別在土池的不同部位進(jìn)行了3次豎向靜承載力模型試驗，對于270mm直徑桶，分別在土池的不同部位進(jìn)行了2次豎向靜承載力模型試驗，圖5給出了試驗得到桶的頂面中心處豎向沉降隨歸一化靜荷載（即靜荷載Va與靜極限承載力Vf之比）的變化曲線。在圖5中，之所以用豎向靜荷載Va與豎向靜承載力Vf的比表示豎向荷載的大小，是因為土池不同部位的土性具有一定差異、每次模型試驗的沉桶過程對土體擾動的程度也不同，因此每次模型試驗結(jié)果之間存在一定偏差，采用歸一化荷載，可以消除每次模型試驗由于土層強度差異導(dǎo)致的離散性。參考已有研究，這里按桶的豎向沉降達(dá)到桶徑的5%確定基礎(chǔ)的豎向靜承載力Vf。綜合多次模型試驗結(jié)果，對于160mm直徑桶，Vf＝0.784kN，對于270mm直徑桶，Vf＝2.107kN。

圖5 靜承載力模型試驗得到的豎向沉降隨歸一化荷載變化曲線

2.2 豎向循環(huán)荷載作用下基礎(chǔ)的沉降

模型試驗結(jié)果表明，當(dāng)豎向循環(huán)荷載Vcy大于豎向靜荷載Va時，基礎(chǔ)的豎向循環(huán)變形較大，同時伴隨豎向循環(huán)累積沉降，此時循環(huán)荷載越大，循環(huán)變形也就越大，且循環(huán)變形隨荷載循環(huán)次數(shù)增加有逐漸變大的趨勢。當(dāng)豎向循環(huán)荷載小于豎向靜荷載時，循環(huán)變形減小，循環(huán)累積沉降隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加變得更加明顯。另外，基礎(chǔ)的循環(huán)累積沉降增量在循環(huán)加載初期較大，隨豎向循環(huán)荷載次數(shù)增加有逐漸減小的趨勢。圖6是兩種典型情況對應(yīng)的基礎(chǔ)頂部豎向位移時程曲線。圖7給出了試驗得到的基礎(chǔ)典型豎向循環(huán)荷載位移滯回曲線，圖8是實測的豎向循環(huán)荷載作用下基礎(chǔ)沉降的情況。

圖6 兩種典型的基礎(chǔ)頂部豎向位移時程曲線

圖7 基礎(chǔ)豎向循環(huán)位移隨荷載變化的滯回曲線

圖8 基礎(chǔ)豎向豎向沉降情況

2.3 豎向循環(huán)承載力

圖9和圖10分別給出了由160mm直徑桶模型試驗以及由270mm直徑桶模型試驗得到的基礎(chǔ)豎向循環(huán)累積沉降隨荷載循環(huán)次數(shù)N的變化關(guān)系。由于基礎(chǔ)在靜荷載作用下會產(chǎn)生相應(yīng)的沉降，循環(huán)荷載作用后又會產(chǎn)生附加的循環(huán)累積沉降。因此按兩部分荷載產(chǎn)生的沉降之和達(dá)到豎向沉降破壞標(biāo)準(zhǔn)確定循環(huán)承載力是恰當(dāng)?shù)?。這里仍然按照靜荷載與循環(huán)荷載共同作用下基礎(chǔ)豎向總沉降達(dá)到桶徑的5%確定循環(huán)破壞次數(shù)與相應(yīng)的循環(huán)承載力。

對于給定的靜荷載比Va/Vf，首先按圖5中的歸一化荷載位移曲線確定靜荷載作用下的沉降，然后按圖9和圖10給出的循環(huán)累積沉降隨循環(huán)次數(shù)變化關(guān)系曲線確定達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)Nf，最后按式（1）確定與該循環(huán)破壞次數(shù)對應(yīng)的豎向循環(huán)承載力Vf，cy。這里用Vf，cy/Vf表示循環(huán)承載力的大小，表2與表3中達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)的（Va＋Vcy）/Vf就是與Nf對應(yīng)的循環(huán)承載力比Vf，cy/Vf。

表2和表3中的模型試驗結(jié)果表明，如果豎向總荷載比（Va＋Vcy）/Vf大于0.85，那么循環(huán)荷載作用下的累積沉降將逐漸增加，最終會使基礎(chǔ)達(dá)到豎向沉降破壞標(biāo)準(zhǔn)。如果豎向總荷載比（Va＋Vcy）/Vf接近1.0或者大于1.0，循環(huán)荷載作用下基礎(chǔ)的循環(huán)累積沉降發(fā)展加快，而且此時豎向靜荷載比越大，豎向循環(huán)累積沉降發(fā)展就越快。如果豎向總荷載比（Va＋Vcy）/Vf小于0.8，那么循環(huán)荷載作用下的累積沉降變化趨勢隨荷載循環(huán)次數(shù)增加將逐漸趨于穩(wěn)定，此時基礎(chǔ)循環(huán)累積沉降的變化是安定的。因此，這里的模型試驗結(jié)果顯示，豎向靜荷載與循環(huán)荷載共同作用下，軟土中單桶基礎(chǔ)的承載力大約降低至靜荷載作用下單桶基礎(chǔ)承載力的80%左右。

3 結(jié)論

用真空預(yù)壓方法制備了一個大尺寸軟黏土模型試驗土池，采用電氣伺服控制循環(huán)加載裝置進(jìn)行了軟土中單桶基礎(chǔ)在豎向靜荷載與循環(huán)荷載共同作用下的承載力模型試驗。試驗結(jié)果表明：利用真空預(yù)壓方法能夠在大尺寸試驗土池內(nèi)制備出滿足模型試驗要求的軟土層；如果豎向總荷載比（Va＋Vcy）/Vf大于0.85，那么基礎(chǔ)的循環(huán)累積沉降將逐漸增加，最終使基礎(chǔ)達(dá)到豎向沉降破壞標(biāo)準(zhǔn)；如果豎向總荷載比（Va＋Vcy）/Vf接近1.0或大于1.0，那么基礎(chǔ)的循環(huán)累積沉降發(fā)展加快，而且此時豎向靜荷載越大，豎向循環(huán)累積沉降發(fā)展就越快；如果豎向總荷載比（Va＋Vcy）/Vf小于0.8，那么基礎(chǔ)的循環(huán)累積沉降變化趨勢隨荷載循環(huán)次數(shù)增加將逐漸趨于穩(wěn)定。因此，依據(jù)本研究進(jìn)行的模型試驗結(jié)果，豎向靜荷載與循環(huán)荷載共同作用下，軟土中單桶基礎(chǔ)的承載力大約降低至靜荷載作用下單桶基礎(chǔ)承載力的80%左右。

［1］ WANG Jianhua，LI Chi，MORAN K.Cyclic undrained behavior of soft clays and cyclic bearing capacity of a Single bucket foundation［C］∥International Society of Offshore and Polar Engineers，Proceed－ing of the Fifteenth International Offshore and Polar Engineering Conference.Seoul，Korea，2005：392－399.

［2］ 王建華，楊海明 .軟土中桶形基礎(chǔ)水平循環(huán)承載力的模型試驗［J］.巖土力學(xué)，2008，29（10）：2606－2612.

［3］ 劉振紋，軟土地基上桶形基礎(chǔ)的穩(wěn)定性研究［D］.天津：天津大學(xué)，2002.

［4］ WANG Jianhua，LIU Yuanfeng，XING Yan，et al.Estimation of undrained bearing capacity for offshore soft foundation with cyclic loads［J］.China O－cean Engineering，1998，12（5）：213－222.

［5］ ANDERSEN K H，LAURITZSEN R.Bearing capacity for foundations with cyclic loading［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1988，114（5）：540－555.

［6］ ANDERSEN K H，JOSTAD H P.Foundation design of skirted foundations and anchors in clay［C］∥Offshore Technology Conference.Houston，Texas，USA：1999：10824.

［7］ ANDERSEN K H.Bearing capacity under cyclic loading－offshore，along the coast，and on land［J］.Canada Geotechnical Journal，2009，46（3）：513－535.

［8］ ANDERSEN K H，DYVIK R.Model tests of gravity platform II：Interpretation ［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1989，115（11）：1550－1568.

［9］ PREVOST J H.Offshore gravity structures：analysis［J］.Journal of Geotechnical Engineering，1981，107（2）：143－165.

［10］ 王建華，要明倫 .軟黏土不排水循環(huán)特性的彈塑性模擬［J］.巖土工程學(xué)報，1996，18（3）：11－18.

國家自然科學(xué)基金項目（50879055）.