組合桶形基礎(chǔ)水平循環(huán)承載力模型試驗(yàn)

周松望，王建華

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300451;2.天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300372;3.天津大學(xué)巖土工程研究所，天津 300072)

組合桶形基礎(chǔ)是淺水海洋平臺(tái)一種重要的基礎(chǔ)，由于其造價(jià)低、可移動(dòng)，很適合在軟土海床中使用，特別是在淺水邊際油田的開(kāi)發(fā)中，更能發(fā)揮其可移動(dòng)的特點(diǎn)。由于海洋平臺(tái)會(huì)承受來(lái)自風(fēng)浪、冰等循環(huán)荷載的作用。因此評(píng)價(jià)循環(huán)荷載作用下軟土中桶形基礎(chǔ)的承載力是海洋平臺(tái)桶形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

可以用來(lái)評(píng)價(jià)循環(huán)荷載作用下桶形基礎(chǔ)承載力(以下稱為循環(huán)承載力)的方法:1)擬靜力彈塑性有限元分析法［1-4］。該方法通過(guò)定義土單元的循環(huán)強(qiáng)度，將循環(huán)荷載對(duì)土體的作用等效為土體靜強(qiáng)度的改變。進(jìn)而依據(jù)土動(dòng)力試驗(yàn)建立的循環(huán)強(qiáng)度隨平均應(yīng)力變化關(guān)系，依據(jù)土單元的平均應(yīng)力確定相應(yīng)的循環(huán)強(qiáng)度，最終借助彈塑性有限元分析確定靜荷載與循環(huán)荷載共同作用下桶形基礎(chǔ)基礎(chǔ)的循環(huán)承載力。2)擬靜力二維極限平衡法［5-8］。利用此方法分析桶形基礎(chǔ)的循環(huán)承載力，需要將三維問(wèn)題轉(zhuǎn)換成二維問(wèn)題，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)增量彈塑性理論建立描述循環(huán)荷載作用下軟土特性的增量彈塑性本構(gòu)關(guān)系，借助增量彈塑性有限元方法確定桶形基礎(chǔ)的循環(huán)承載力［9-10］。這種方法的特點(diǎn)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(guò)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(jì)算量巨大，還可能會(huì)由于計(jì)算誤差的積累導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不收斂。無(wú)論利用哪種方法評(píng)價(jià)基礎(chǔ)的循環(huán)承載力，其結(jié)果的合理性一般均需要經(jīng)過(guò)物理模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

進(jìn)行軟土中組合桶形基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的承載力模型試驗(yàn)，首先需要制備模型試驗(yàn)軟土層，而制備土層周期較長(zhǎng)。進(jìn)行模擬海洋環(huán)境循環(huán)荷載的模型試驗(yàn)還必須具備能夠長(zhǎng)時(shí)間工作的低頻循環(huán)加載裝置，這也給進(jìn)行此類模型試驗(yàn)帶來(lái)又一個(gè)困難。由于一次制備的模型試驗(yàn)土層需要反復(fù)使用，怎樣保證每一次模型試驗(yàn)時(shí)土層有相近的條件，也是模型試驗(yàn)中遇到的另一個(gè)問(wèn)題。鑒于這些原因，關(guān)于海洋軟土中組合桶形基礎(chǔ)循環(huán)承載力的模型試驗(yàn)少有報(bào)道。

依據(jù)以上分析，利用真空預(yù)壓方法制備了一個(gè)大尺寸模型試驗(yàn)軟土池，采用電氣伺服低頻循環(huán)加載裝置，進(jìn)行了軟土中四桶組合基礎(chǔ)在水平循環(huán)荷載作用下的承載力模型試驗(yàn)。文中目的在于通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)豎向靜荷載與水平循環(huán)荷載共同作用下軟土中桶形基礎(chǔ)的破壞模式與承載力的基本變化有一個(gè)定性認(rèn)識(shí)，也為評(píng)價(jià)軟土中桶形基礎(chǔ)循環(huán)承載力方法的合理性提供可供驗(yàn)證的模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 模型試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 模型試驗(yàn)土池與試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

模型試驗(yàn)土池長(zhǎng)與寬各1.8 m，高2.1 m，土池四周采用鋼板支撐，見(jiàn)圖1。土池內(nèi)放置一個(gè)密封膜袋。在膜袋底部鋪設(shè)26 cm厚的粗砂反濾層，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。采用天津渤海灣淤泥質(zhì)粘土制備試驗(yàn)土層。制備時(shí)，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1.8 m。在泥漿的上下表面鋪設(shè)土工布以提高預(yù)壓固結(jié)效果。預(yù)壓過(guò)程中，土層頂部的預(yù)壓荷載維持在50 kPa左右，經(jīng)過(guò)大約60天預(yù)壓后，預(yù)壓后土層厚1.5 m，土層的平均含水量為62%左右，在土層不同部位取土測(cè)試不排水強(qiáng)度，其變化范圍在6.0～8.0 kPa。圖2是預(yù)壓后土層的情況。每次模型試驗(yàn)前，再次通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定土層的含水量以及強(qiáng)度。由于不同部位的土性指標(biāo)有一定差異，表1是模型試驗(yàn)土層的平均物理力學(xué)指標(biāo)。

圖1 模型試驗(yàn)土池Fig.1 Model test tank

圖2 真空預(yù)壓后的試驗(yàn)土層Fig.2 Testing soil after vacuum preloading

表1 模型試驗(yàn)土層的基本參數(shù)Tab.1 The principal parameters of testing soil

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑殇撝茍A桶，桶徑0.16 m，壁厚0.008 m，桶高0.24 m，高徑比1.5。在桶頂部設(shè)置一個(gè)與真空貫入設(shè)備相連的抽氣閥，用0.33 m×0.33 m、厚0.01 m的鋼制平板將四個(gè)單桶焊接在一起形成組合桶形基礎(chǔ)，桶間距為2倍桶徑。在連接鋼板中心處設(shè)置一個(gè)與水平循環(huán)加載裝置連接的豎向滑道機(jī)構(gòu)。使用這一機(jī)構(gòu)進(jìn)行循環(huán)加載試驗(yàn)時(shí)，既可以使基礎(chǔ)產(chǎn)生循環(huán)累積沉降，又可以保證水平循環(huán)加載試驗(yàn)過(guò)程中循環(huán)加載裝置不發(fā)生鎖死。在滑道頂端又設(shè)置了0.4 m×0.4 m的加載平臺(tái)，用以給基礎(chǔ)施加模擬豎向荷載的重力，四桶組合基礎(chǔ)試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖3。

1.2 循環(huán)加載方案及測(cè)量裝置

海洋環(huán)境中，平臺(tái)會(huì)受到來(lái)自不同方向波浪導(dǎo)致的水平循環(huán)荷載作用，不同方向的水平荷載，組合桶形基礎(chǔ)中的各單桶會(huì)存在不同的受力狀況。對(duì)于四桶組合基礎(chǔ)，一般會(huì)有三種典型的受力工況。一是荷載作用方向平行于相鄰兩桶連線方向，此時(shí)水平循環(huán)荷載作用下每個(gè)單桶會(huì)反復(fù)出現(xiàn)向下壓縮與向上拔出的兩種不同受力狀態(tài)，見(jiàn)圖4;二是荷載作用方向沿相對(duì)兩桶的連線方向，不同對(duì)角線位置的單桶基礎(chǔ)存在不同的受力狀態(tài);三是介于上述兩種情況之間，此時(shí)每個(gè)單桶的受力更為復(fù)雜。文中模擬第一種工況進(jìn)行模型試驗(yàn)。

圖3 四桶組合基礎(chǔ)試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Four-bucket foundation testing model

圖4 循環(huán)加載方向Fig.4 The direction of cyclic load

使用電氣伺服超低頻循環(huán)加載裝置，在載荷控制條件下進(jìn)行模型試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)給基礎(chǔ)施加的循環(huán)荷載為0.1 Hz的正弦循環(huán)荷載。圖5給出了模型試驗(yàn)測(cè)量傳感器的布置。測(cè)力傳感器一端與循環(huán)加載汽缸活塞桿連接，另一端與可以在滑道內(nèi)豎向自由滑動(dòng)的連桿連接，借此實(shí)現(xiàn)在對(duì)基礎(chǔ)施加水平循環(huán)荷載的同時(shí)，還允許基礎(chǔ)產(chǎn)生豎向沉降。在滑道側(cè)壁處安裝兩個(gè)LVDT位移傳感器，用于測(cè)量沿組合桶形基礎(chǔ)豎向中心線上兩點(diǎn)的水平位移，并借此確定基礎(chǔ)桶頂平面中心處的水平位移;在與加載方向平行的同一側(cè)兩個(gè)桶的頂部各安裝一個(gè)百分表，兩百分表中心距離0.33 m，用以監(jiān)測(cè)水平循環(huán)荷載作用下基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)角與豎向沉降。在加載平臺(tái)上通過(guò)重物施加試驗(yàn)所需的豎向荷載。

圖5 測(cè)量傳感器的布置Fig.5 The layout of measuring sensors

1.3 模型試驗(yàn)步驟

已有分析表明［12］，基礎(chǔ)的循環(huán)承載力取決于循環(huán)荷載作用前基礎(chǔ)所受到的平均荷載(即靜荷載)。為此選擇不同的豎向荷載分別進(jìn)行組合桶形基礎(chǔ)水平循環(huán)承載力模型試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程如下:

1)利用負(fù)壓沉貫方法將桶沉入軟土層中，為恢復(fù)沉貫過(guò)程對(duì)土層擾動(dòng)的影響，基礎(chǔ)沉入后靜置三天再進(jìn)行模型試驗(yàn)。

2)為進(jìn)行循環(huán)承載力試驗(yàn)，先采用單調(diào)分級(jí)加荷試驗(yàn)方法確定基礎(chǔ)的豎直與水平靜承載力Vf與Hf，結(jié)果為 Vf=3.136 kN，Hf=1.47 kN。

3)施加循環(huán)荷載前，參考豎直靜承載力Vf，給基礎(chǔ)施加豎向靜荷載Va，即平均荷載，并記錄相應(yīng)的豎向沉降。

4)當(dāng)豎向靜荷載作用下的豎向位移穩(wěn)定后，參考水平靜承載力Hf，在距捅頂21.5 cm位置處給基礎(chǔ)施加水平循環(huán)荷載Hcy，直到桶頂面中心處的水平循環(huán)位移達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)為止。試驗(yàn)過(guò)程中，利用計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)記錄水平循環(huán)荷載、水平位移以及循環(huán)次數(shù)。同時(shí)用兩個(gè)百分表記錄基礎(chǔ)的豎向沉降，見(jiàn)圖5。

5)每次試驗(yàn)后，利用正壓將桶拔出土層，然后對(duì)試驗(yàn)處的土層進(jìn)行平整并靜置恢復(fù)4天后再進(jìn)行下一次試驗(yàn)。兩次試驗(yàn)間隔時(shí)間為7-10天。

表2給出了模型試驗(yàn)的具體安排及試驗(yàn)結(jié)果。

表2 模型試驗(yàn)安排及試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Model testing arrangement and test results

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 四桶組合基礎(chǔ)的變形與破壞

圖6(a)給出了試驗(yàn)得到的水平循環(huán)位移隨荷載循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系;圖6(b)是基礎(chǔ)豎向沉降隨荷載循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系。這些試驗(yàn)結(jié)果表明，循環(huán)荷載作用下，四桶組合基礎(chǔ)的變形取決于豎向靜荷載與水平循環(huán)荷載的大小。當(dāng)豎向靜荷載較小時(shí)，基礎(chǔ)在水平循環(huán)荷載作用下，主要是以繞中心線下一中心轉(zhuǎn)動(dòng)為主，水平方向循環(huán)變形隨循環(huán)次數(shù)逐漸增大，此時(shí)基礎(chǔ)的沒(méi)有明顯的豎向沉降，特別是當(dāng)豎向靜荷載為零時(shí)，幾乎沒(méi)有豎向沉降;當(dāng)豎向靜荷載增大后，在水平循環(huán)荷載作用下，基礎(chǔ)水平方向的循環(huán)變形隨循環(huán)次數(shù)增加仍呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢(shì)，但是此時(shí)基礎(chǔ)將產(chǎn)生明顯的豎向沉降。如表2中試驗(yàn)4的豎向靜荷載達(dá)到0.665倍的豎向承載力時(shí)，盡管基礎(chǔ)受到的水平循環(huán)荷載小于試驗(yàn)3的水平循環(huán)荷載，但是基礎(chǔ)的豎向沉降明顯大于試驗(yàn)3的基礎(chǔ)豎向沉降，此時(shí)基礎(chǔ)將由于過(guò)量的豎向沉降而破壞。因此，組合桶形基礎(chǔ)在豎向靜荷載與水平循環(huán)荷載共同作用下，既可能由于水平循環(huán)位移過(guò)大而失效，也可能由于過(guò)量豎向沉降而失效。

圖6 水平循環(huán)位移和豎向沉降隨荷載循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系Fig.6 Lateral cyclic displacement and axial settlement with cyclic numbers

2.2 土體應(yīng)力狀態(tài)定性分析

豎向靜荷載與水平循環(huán)荷載共同作用下，四桶組合基礎(chǔ)周圍土體以及桶間土體所經(jīng)歷的應(yīng)力狀態(tài)與單桶基礎(chǔ)周圍土體的應(yīng)力變化不同。根據(jù)對(duì)模型試驗(yàn)過(guò)程的觀察，對(duì)位于基礎(chǔ)周圍土體以及桶間土體所經(jīng)歷的應(yīng)力狀態(tài)做一定性分析，以便于理解水平循環(huán)荷載作用下四桶組合基礎(chǔ)的破壞機(jī)理。

對(duì)于四桶組合基礎(chǔ)中各單桶桶內(nèi)土體，水平循環(huán)荷載作用下，土體感受兩個(gè)方向的水平循環(huán)荷載作用基本是相同的，此時(shí)土體單元的八面體平均剪應(yīng)力就等于豎向靜荷載引起的八面體剪應(yīng)力，這部分土體在對(duì)稱循環(huán)荷載作用后會(huì)明顯弱化。對(duì)于各桶之間的土體，由于存在相互作用，使桶間土體的應(yīng)力場(chǎng)有相互疊加的作用，并最終表現(xiàn)為土體抗力的降低。試驗(yàn)中可以觀察到桶間土體明顯向上隆起。對(duì)于四桶組合基礎(chǔ)范圍以外的土體，特別是沿循環(huán)荷載方向與桶接觸的土體，當(dāng)桶受到一個(gè)方向的水平荷載作用時(shí)，此時(shí)位于基礎(chǔ)被動(dòng)側(cè)的土體感受由于這一荷載引起的應(yīng)力要大于主動(dòng)側(cè)土體感受這一荷載而引起的應(yīng)力。因此，在水平對(duì)稱循環(huán)荷載作用下，基礎(chǔ)范圍以外的土體，其八面體平均剪應(yīng)力要大于靜荷載引起的八面體剪應(yīng)力，從而導(dǎo)致沿水平加載方向兩邊土體循環(huán)累積變形隨荷載循環(huán)次數(shù)逐漸增加。

2.3 循環(huán)承載力

依據(jù)以上分析，組合桶形基礎(chǔ)在豎向靜荷載與水平循環(huán)荷載共同作用下，既可能由于過(guò)大的水平循環(huán)位移而破壞，也可能由于過(guò)量豎向沉降而破壞。為此，若水平循環(huán)位移首先達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，則按水平循環(huán)位移確定循環(huán)破壞次數(shù);若豎向沉降首先達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，則按豎向沉降確定循環(huán)破壞次數(shù)。參考已有研究［3，13］，對(duì)于豎向沉降破壞標(biāo)準(zhǔn)，取為豎向沉降達(dá)到5%的組合桶形基礎(chǔ)的等效寬度(即四桶圍成的面積寬度);對(duì)于水平循環(huán)位移破壞標(biāo)準(zhǔn)，按桶頂平面內(nèi)中心處水平位移達(dá)到2%的桶徑確定循環(huán)破壞次數(shù)。據(jù)此由圖5與圖6確定循環(huán)破壞次數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2中的Nf，相應(yīng)的循環(huán)承載力定義為此時(shí)基礎(chǔ)受到的水平循環(huán)荷載。表2中結(jié)果表明，對(duì)于文中設(shè)定的四種不同模型試驗(yàn)條件，四桶組合基礎(chǔ)循環(huán)承載力小于水平靜承載力，且最低減小30%左右。表2中結(jié)果還表明，循環(huán)承載力的大小取決于水平循環(huán)荷載與豎向靜荷載。一定豎向靜荷載作用下，循環(huán)荷載越大，循環(huán)破壞次數(shù)也就越少。另一方面，豎向靜荷載越大，與同一循環(huán)破壞次數(shù)對(duì)應(yīng)的循環(huán)荷載就越小，并且在水平循環(huán)荷載作用下，會(huì)因?yàn)檩^大的豎向靜荷載而使基礎(chǔ)豎向沉降加速，從而降低了循環(huán)承載力。因此，軟土中組合桶形基礎(chǔ)在水平循環(huán)荷載作用下的豎向沉降是導(dǎo)致基礎(chǔ)失效的一個(gè)重要原因。

3 結(jié)語(yǔ)

利用真空預(yù)壓方法，在一個(gè)大型土池中預(yù)制了模型試驗(yàn)軟粘土層，進(jìn)而進(jìn)行了豎向靜荷載與水平循環(huán)荷載共同作用下四桶組合桶形基礎(chǔ)的承載力模型試驗(yàn)，研究了豎向靜荷載與水平循環(huán)荷載對(duì)組合桶形基礎(chǔ)的破壞模式以及承載力的影響。結(jié)果表明，組合桶形基礎(chǔ)的變形包括水平循環(huán)變形與豎向循環(huán)累積沉降。當(dāng)豎向靜荷載較小時(shí)，基礎(chǔ)水平循環(huán)變形隨荷載循環(huán)次數(shù)增加而增加，此時(shí)豎向沉降隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加小于水平循環(huán)變形的增加，過(guò)量的水平循環(huán)變形是導(dǎo)致基礎(chǔ)破壞的主要原因。隨豎向靜荷載增大，豎向累積沉降隨荷載循環(huán)次數(shù)增加將逐漸大于水平循環(huán)位移的增加，一旦豎向循環(huán)累積沉降先于水平循環(huán)位移達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，基礎(chǔ)將由于過(guò)量的豎向循環(huán)累積沉降而失效。

針對(duì)文中設(shè)定的四種不同模型試驗(yàn)條件，四桶組合基礎(chǔ)循環(huán)承載力最小為水平靜承載力的70%左右。且循環(huán)承載力的大小取決于水平循環(huán)荷載與豎向靜荷載。一定豎向靜荷載作用下，循環(huán)荷載越大，循環(huán)破壞次數(shù)也就越少。豎向靜荷載越大，同一循環(huán)破壞次數(shù)對(duì)應(yīng)的循環(huán)荷載就越小。實(shí)際工程中，軟土中組合桶形基礎(chǔ)在水平循環(huán)荷載作用下的豎向沉降將是導(dǎo)致基礎(chǔ)失效的一個(gè)重要原因。

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