飽和黏土地基對結(jié)構(gòu)物的吸附力研究

王宏民，邱長林

（天津大學建筑工程學院，天津300072）

飽和黏土地基對結(jié)構(gòu)物的吸附力研究

王宏民，邱長林

（天津大學建筑工程學院，天津300072）

吸附力是港口工程和海洋工程中常見的一種力。然而國內(nèi)外的試驗研究，只是把吸附力作為一個整體來研究，未能分析負孔壓和黏著力各自的影響因素以及它們之間的相互影響。為此通過模型試驗，對拉拔速率和上覆荷載等因素進行研究，明確負孔壓和黏著力各成分的大小及其發(fā)展變化規(guī)律。實驗結(jié)果表明，土體在受壓和受拉時，圓形均布荷載中心點下的孔隙水壓力分布滿足附加應力計算公式。在相同含水率下，當拉拔速率較小時，隨著拉拔速率的增加，吸附力增速逐漸變大；當速率超過一定值后，吸附力增速逐漸放緩。拉拔過程中，土體位移影響著負孔隙水壓力的發(fā)展，位移越大，負孔隙水壓力越大；位移越小，負孔隙水壓力越小。吸附力和負孔壓的發(fā)展隨著時間成線性正相關(guān)，黏著力隨著時間先增加后減小。

吸附力；負孔壓；黏著力；拉拔速率

不論地方打撈救援還是深海作業(yè)勘探，在實踐中處理坐底結(jié)構(gòu)物上浮過程中，不可避免要遇到海底粘性底質(zhì)（如粘土和淤泥）對上浮結(jié)構(gòu)體的吸力作用。為使結(jié)構(gòu)物離底上浮，需要提供超過結(jié)構(gòu)物水下負浮力的提升力，即為海底底質(zhì)對結(jié)構(gòu)物的吸附力［1］。對于自升式鉆井平臺，當海床土體固結(jié)后，吸附力可占到總拔樁阻力的一半以上，是平臺拔樁阻力非常重要的組成部分，因此吸附力的科學計算對保證結(jié)構(gòu)物安全至關(guān)重要［2］。

國外在吸附力的研究上起步較早，Vesic等［3］指出錨板在拉拔過程中，錨板上部孔隙水壓力增加，錨板下部孔隙水壓力減小，這種上下面孔隙水壓力的不同導致了吸附力的產(chǎn)生，此超靜孔壓差值即為吸附力，同時認為錨板與粘土之間存在著黏著力；Bemben等［4］通過中空錨桿向錨底通氣以消除吸附力，使較為精確確定吸附力值成為可能；Baba等［5］和Datta等［6］采用與Bemben類似的試驗裝置研究了拉拔速率對吸附力的影響；Das等［7-9］研究了埋深和埋深比對吸附力大小的影響。以上研究并沒有闡述吸附力的形成機理，因而無法準確得到吸附力的發(fā)展規(guī)律。國內(nèi)學者馮國棟等［10］通過試驗研究了土類、含水率、預加壓力、起拉速度、和結(jié)構(gòu)物材料等因素對吸附力的影響，指出土類對吸附力發(fā)展起著決定性作用，并且對潛坐體加荷、固結(jié)、卸荷和起拉過程中孔隙水壓力及土壓力的數(shù)值變化規(guī)律進行了系統(tǒng)的分析，在此基礎上更詳細地闡述了吸附力形成機制；韓麗華等［11］通過海洋工程沉箱的研究，表明吸附力由側(cè)摩阻力、黏著力和負孔隙水壓力三部分構(gòu)成，并且在給定條件下，單位面積吸附力為定值，與結(jié)構(gòu)物底部大小無關(guān)。通過國內(nèi)外的試驗研究可以看出，吸附力的研究只限于對吸附力整體的研究，未能分別確定負孔壓和黏著力的數(shù)值大小及其在吸附力中所占比例，并且沒有指出負孔壓和黏著力之間的相互影響關(guān)系，導致在實際工程應用中無法充分的利用和消除吸附力，造成人力、物力、財力等方面的浪費。因此，有必要對吸附力做進一步研究。

1 試驗方法

1.1模型試驗裝置

本試驗裝置由試驗板、試驗槽、拉拔體系和量測系統(tǒng)四部分組成，如圖1所示。其中試驗板為圓形鋼板，直徑為0.5 m，厚為0.03 m，并在圓心點、三分之一半徑處和三分之二半徑處開鑿7個上下貫通的小孔（D=14 mm），其內(nèi)布置孔隙水壓力計用于測量基底的孔隙水壓力，如圖2所示；試驗槽為邊長為1 m的立方體鋼槽；拉拔體系由鋼板架、電動機、滑輪、鋼絲繩等組成，可以通過電動機設置不同的速率以拉拔試驗板；量測系統(tǒng)由拉力傳感器、孔隙水壓力計、土壓力計、百分表組成，分別用來量測試驗過程中上拔力、孔隙水壓力、土壓力和試驗板的位移，由計算機通過動靜態(tài)信號采集儀自動采集數(shù)據(jù)。

圖1 試驗模型及測量設備裝置Fig.1Test model and measurement device

圖2 百分表和孔壓計分布圖Fig.2Distribution of displacement gauge and pore pressure gauge

1.2試驗用土及試驗過程

試驗土樣取自天津港。其基本物理力學性質(zhì)如表1所示。試驗土樣經(jīng)曬干、碾碎、去雜質(zhì)等工序后，加水并充分攪拌均勻，使其成為含水率為50％泥漿狀土樣。

表1 試驗土樣的基本物理性質(zhì)Tab.1Basic physical properties of soil

試驗前，將孔隙水壓力計安裝在試驗板的小孔中，并用膠體在將孔隙水壓力計固定在孔中的同時，將小孔頂部與外界密封隔絕。向試驗槽中填注已經(jīng)攪拌均勻的土樣，填注高度為0.5 m以上。此后，向試驗槽中加水，使水沒過黏土表面，并充分攪拌，確保土樣為飽和土。填筑過程中，在土樣深度為0.1 m和0.3 m處分別埋設孔壓傳感器和土壓力傳感器各1個。埋設好傳感器后，為確保土體表面的平整，將土體表面抹平。待模型板上的膠體凝固好之后，將試驗板用鋼絲繩吊起，并平穩(wěn)、緩慢地下放在土體表面上，待板完全坐在土體上后，將鋼絲繩與試驗板完全脫離，試驗板在自重作用下下落一定的深度。靜置24 h后，在試驗板表面不同位置布置3個百分表。試驗時，打開計算機采集系統(tǒng)進行采集，之后以一定速率拉拔試驗板，直至試驗板與土體表面完全脫離。

試驗結(jié)束后取試驗板底3、5、13、15等4處不同部位處土樣測其含水率，取其含水率平均值為試驗含水率。

1.3試驗方案

模型試驗包括兩部分內(nèi)容。其一，在一定含水率下，研究吸附力隨拉拔速率的變化規(guī)律，其中拉拔速率取5 mm/min、25 mm/min及50 mm/min；其二，在5 mm/min拉拔速率下，負孔壓和黏著力在吸附力中所占比例，以及隨時間的發(fā)展變化規(guī)律。

試驗中，由于試驗板的入土深度比較小，側(cè)摩阻值較小，所以在計算中可以忽略側(cè)摩阻力，即吸附力值僅由真空吸力和黏著力兩部分組成。

在每一次拉拔試驗中，速度一定，拉力隨著位移的變化而變化。上拔時，起初上拔力較小，當上拔力F小于板體自重G時，板受到土樣對其向上的支持力，此時板與土體間并未產(chǎn)生吸附力；當上拔力F大于板體自重G時，模型板底部產(chǎn)生黏著力和真空吸力，其受力平衡方程為

式中：Δu為孔隙水壓力，kPa；ca為黏著力強度，kPa；A為模型板底面面積。

試驗中，通過對孔隙水壓力Δu和上拔力F的測定，通過式（1）可得出黏著強度ca的大小和發(fā)展變化規(guī)律，進而分析負孔壓和黏著強度之間的相互作用。

試驗過程中所測孔壓均為超孔壓。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1豎直方向上孔壓的分布

試驗前測得試驗板自重為458 N。當試驗板完全作用于土體表面時，土體在試驗板自重的作用下，測得土體表面中心點、中心點下埋深0.1 m和0.3 m處的超孔壓分別為1.41、1.39和0.78 kPa（見圖3-a）。根據(jù)彈性有限元分析，土體表面中心點、中心點下埋深0.1 m和0.3 m處的超孔壓計算值分別為1.25、1.13、0.83 kPa。由此可知，試驗值與計算值近似相等。當土體表面中心點的附加應力為1.25 kPa時，通過查表［12］，豎直均布荷載作用在圓形土體表面上時，土體表面中心、中心點下埋深0.1 m和0.3 m處的附加應力理論值分別為1.25、1.19和0.73 kPa，這與試驗值近似相等。

在拉拔階段，當板即將與土體表面完全分離時，土體受到吸附力的作用，此時吸附力值為489 N。試驗測得土體表面中心點、中心點下埋深0.1 m和0.3 m處的負孔壓分別為2.43、2.16和1.55 kPa，其負孔壓計算值分別為2.32、2.17和1.58 kPa（見圖3-b）。由此可知，試驗值與計算值近似相等。同時可知，圓形豎直均布荷載作用在土體表面上時，土體表面中心、中心點下埋深0.1 m和0.3 m處的附加應力理論值分別為2.32、2.21和1.35 kPa，與試驗值近似相等。

圖3 中心點處孔壓試驗值和計算值的對比Fig.3Comparison of pore pressure in center between calculation and test

因此，在受壓和受拉時，圓形均布荷載中心點下孔隙水壓力分布都滿足附加應力分布計算公式。

試驗中，測得了在板與土完全接觸時、拉拔前和板與土即將完全脫離時這3個時刻下的孔壓值，并給出了在這3個時刻下，孔壓隨埋深的變化規(guī)律（圖4）。

由圖4可知，在板與土即將完全接觸和板與土即將完全脫離這兩個時刻，隨著埋深的增加，孔壓總體趨勢是減小的。而在拉拔前時刻，隨著埋深的增加，孔壓越來越大。由此可以看出孔壓的消散是由上而下的；并且隨著埋深的增加，消散速度越來越小。

另外由圖4可知，土體表面中心點處和中心點下埋深0.1 m處的孔壓，而中心點下埋深0.3 m處的孔壓有較小的增加后減小。這可能是由曼德爾效應造成的，需要進行進一步試驗驗證。由此可知，在孔壓的消散過程中，具有一定埋深的孔壓值不一定都是減小的。當超過某個埋深時，其孔壓值可能是增加的。

圖4 中心點處孔壓隨埋深的變化Fig.4Change of pore pressure in center with depth

2.2拉拔速率對吸附力的影響

試驗中，對于上覆荷載大小對吸附力的影響做了對比研究。一組在板上通過放置砝碼加載400 N；另一組不加砝碼，利用試驗板自重。在試驗板自重和加荷400 N這兩種工況下，分別進行了在5 mm/min、25 mm/min及50 mm/min等3種不同速率下的拉拔試驗。通過對拉力傳感器的測定，其測量值減去模型板自重，即為吸附力值的大小。圖5給出了在試驗板自重和上覆荷載為400 N這兩種工況下，試驗板在拉拔過程中吸附力隨拉拔速率的變化規(guī)律。由圖5可知，在這兩種情況下，吸附力隨拉拔速率變化的發(fā)展趨勢基本是一致的：拉拔速率越大，吸附力越大。圖5也表明，上覆荷載越大，吸附力越大。這驗證了吸附力與拉拔速率、上覆荷載之間的正相關(guān)性。

圖5 吸附力隨拉拔速率的變化Fig.5Change of suction force with drawing ratio

同時由圖5可知，當拉拔速度小于25 mm/min時，曲線坡度較陡，吸附力增加速度較快；當拉拔速度大于25 mm/min時，曲線坡度放緩，吸附力隨時間增加速度開始減小。因此，當拉拔速率較小時，拉拔速率的變化對吸附力有著很大的影響；當拉拔速率超過某一定值時，拉拔速率的變化對吸附力值的影響開始減弱。

2.3拉拔過程中土與試驗板間孔隙水壓力的變化規(guī)律

試驗研究的重點是在拉拔過程中，試驗板底面與黏土表面間負孔隙水壓力的發(fā)展規(guī)律。采用5 mm/min的拉拔速率，在依靠試驗板自重的工況下，通過對孔隙水壓力計和百分表的觀測，研究負孔壓在上拔過程中的發(fā)展規(guī)律。如圖6～圖7所示，橫坐標時間零點為拉拔起始點，到模型板與土樣完全分離結(jié)束。

由圖6可知，拉拔起始時，基底孔壓不為零。說明此時超孔壓還沒有消散完全，土體沒有充分固結(jié)。拉拔開始后，由于受到向上的拉拔力，超孔壓開始消散。在前250 s時間內(nèi)，由于上拔力較小，孔壓的變化較小。約在250 s處，模型板底部中心開始出現(xiàn)負孔壓，此時土體表面與試驗板間局部部位已經(jīng)開始產(chǎn)生黏著力。隨著上拔力的增加，試驗板底部其余部位超孔壓消散速度逐漸加快，并漸漸由超孔壓發(fā)展為負孔壓，并且負孔壓發(fā)展越來越快，在790 s處負孔壓達到最大。隨著基礎與土體的逐漸分離，負孔壓急劇減小，直到基礎與土體完全脫離，負孔壓消散為0。

同時由圖6可知，試驗板底部不同時刻、不同位置的孔壓大小分布差別較大。圖7給出了在拉拔過程中試驗板不同部位的位移隨時間的發(fā)展規(guī)律。由圖7可知，試驗板不同部位的位移相差較大，表明試驗板在拉拔過程中不是水平上升。這就使試驗板在拉拔的過程中受力不均勻，造成試驗板的一端先受力，進而導致了孔隙水壓力發(fā)展的差異。

圖6 孔壓隨時間的變化Fig.6Change of pore pressure with time

圖7 板位移隨時間的變化Fig.7Change of displacement of board with time

結(jié)合圖7可知，2號百分表位移最大，1號百分表位移最小。2號百分表附近測點的負孔壓值也普遍較1號百分表附近測點的負孔壓值大。這是由于試驗板在拉拔的過程中，2號百分表端的土體最先受到向上的拉拔力，產(chǎn)生向上的位移，使試驗板底部形成一個不透水的封閉系統(tǒng)，因而產(chǎn)生負孔壓，并且發(fā)展較為迅速；1號百分表端的土體首先受到試驗板的下壓作用，因而負孔壓發(fā)展最為緩慢。因此，土體位移影響著負孔隙水壓力的發(fā)展，位移越大，負孔隙水壓力越大；位移越小，負孔隙水壓力越小。

2.4力與時間的關(guān)系

上拔過程中，通過對拉力傳感器和土體表面與模型板底面間不同部位的孔壓力傳感器的測定，經(jīng)過面積加權(quán)法可計算出真空吸力的大小，進而可以得出黏著力的大小。圖8給出了吸附力、負孔壓和黏著力隨時間的發(fā)展曲線，以受拉為正。橫坐標時間從上拔力第一次等于基礎自重到上拔力第二次等于基礎自重，即從基底開始產(chǎn)生黏著力開始到基礎與土體完全脫離結(jié)束。

由圖8可知，在650～850 s時間段內(nèi)，吸附力和真空吸力在拉拔過程中與時間呈正相關(guān)，并且為線性相關(guān)。即吸附力和負孔壓隨著時間的增長而增加。而黏著力和時間的關(guān)系是非單調(diào)的，在起始時刻隨著時間的增長而增長，在第770 s處達到最大值0.46 kPa，約占到吸附力的32.6％。之后黏著力開始減小，約在870 s處即基礎將與土體分離時，黏著力減小到0.11 kPa，只占到吸附力的4.5％。此后，模型板與土樣完全分離，吸附力、負孔壓和黏著力都驟減為零。由此可以看出，在拉拔過程中，黏著力在吸附力中所占的比例一直是變化的。在拉拔過程中的某一點處，黏著力所占比例達到最大值，約占到1/3；在拉拔即將結(jié)束這一點處，黏著力所占比例減小到4.5％，此時可以忽略不計。

圖8 力隨時間的變化Fig.8Change of force with time

3 結(jié)論

（1）在受壓和受拉時，圓形均布荷載中心點下的孔隙水壓力分布符合附加應力計算公式。隨著埋深的增加，孔壓消散速度越來越小。并且在孔壓的消散過程中，具有一定埋深的孔壓值不一定都是減小的。當超過某個埋深時，其孔壓值可能是增加的。這可能是由曼德爾效應造成的，需要進行進一步試驗驗證。

（2）當拉拔速率較小時，拉拔速度對吸附力的影響較大，隨著拉拔速率的增加，吸附力增速較大；當速率超過一定值后，拉拔速率對吸附力的影響減小，吸附力增速放緩。

（3）拉拔起始階段，當拉拔力較小時，孔壓消散較慢。隨著上拔力的增加，試驗板與黏土表面間開始產(chǎn)生黏著力，同時也導致負孔壓的形成；隨著上拔力的繼續(xù)增加，負孔壓發(fā)展越來越快，并在模型板即將脫離土體表面時達到最大值。同時，土體位移影響著負孔隙水壓力的發(fā)展，位移越大，負孔隙水壓力越大；位移越小，負孔隙水壓力越小。

（4）拉拔過程中，在試驗板與土體脫離前，吸附力和負孔壓隨著時間線性增加，黏著力隨著時間先增加后減小。黏著力在吸附力中所占的比例有很大的變化，最大約為1/3；在拉拔即將結(jié)束時，黏著力僅占4.5％，此時計算中可忽略不計。

［1］金廣泉，金濤，陳曉紅.底質(zhì)對潛坐結(jié)構(gòu)吸附力的試驗研究［J］.海軍工程學院學報，1998，84（3）：49-53. JIN G Q，JIN T，CHEN X H.Experimental research on breakout force of embedded objects from sediments［J］.Journal of Naval Uni?versity of Engineering，1998，84（3）：49-53.

［2］張愛霞，段夢蘭，胡知輝.海床土體固結(jié)效應對平臺拔樁吸附力的影響［J］.石油機械，2012，40（4）：54-57. ZHANG A X，DUAN M L，HU Z H.Effects of seabed soil consolidation effect on platform pilepulling adsorption force［J］.Petro?leum Machinery，2012，40（4）：54-57.

［3］Vesic A S.Breakout resistance of objects embedded in ocean bottom［J］.Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division，1971，97（9）：1 183-1 205.

［4］Bemben S M.The vertical holding capacity of marine anchor flukes subjected to static and cyclic loading［J］.The seventh annual offshore technology conference，Houston，1975：363-368.

［5］Baba H U，Gulhati S K，Datta M.Suction Effect in Plate Anchors in Soft Clays［C］//Proc.12th Int.Conf.on Soil Mechanics and Foundation Engineering.Rotterdam：A.A.Balkema，1989：409-412.

［6］Datta M，Suryanarayana C V.Elimination of suction beneath plate anchors in model tests：a comparison of two methods［C］//ISOPE. Proc.4th Int.Offshore and Polar Engineering Conf.Golden：ISOPE，1994：456-461.

［7］Das B M.Model tests for uplift capacity of foundations in clay［J］.Soil and Foundations，1978，18（2）：17-24.［8］Das B M，Shin E C，Dass R N.Suction force below plate anchors in soft clay［J］.Marine Georesources&Geotechnology，1994，12（1）：71-81.

［9］Das B M.Behavior of a shallow plate anchor in clay under sustained loading［J］.Marine Georesources&Geotechnology，1995，13（4）：417-428.

［10］馮國棟，劉祖德，俞季民.海泥對海洋工程沉墊底面吸附力的試驗研究［J］.武漢水利電力學院學報，1981（1）：1-10. FENG G D，LIU Z D，YU J M.Experimental study on marine engineering bottom mud sedimentation adsorption capacity［J］.Engi?neering Journal of Wuhan University，1981（1）：1-10.

［11］韓麗華，姜萌，張日向.海洋結(jié)構(gòu)物沉箱吸附力的試驗模擬［J］.港工技術(shù)，2009，46（6）：43-45. HAN L H，JIANG M，ZHANG R X.Experiment simulation for absorption force of the marine structure caisson［J］.Port Engineer?ing Technology，2009，46（6）：43-45.

［12］陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學［M］.北京：清華大學出版社，1994.

Study on suction in saturated clay foundation

WANG Hong?min,QIU Chang?lin
（Tianjin University Institute of Architecture and Engineering,Tianjin 300072,China）

The suction is a common load in port engineering and marine engineering.It is usually studied as a whole by experiments and the influence factors and the interaction of negative pore pressure and adhesion are not studied completely.Therefore,the influence factors of uplift speed and overburden load on suction were studied by model test in order to determine the value and development rule of negative pore pressure and adhesion.Test results show that the distributions of pore water pressure of soils below the center of circular foundation under compressing and pulling load conform the calculated results of additional stress.The suction increases with the increase of uplift speed and the increasing rate decreases when uplift speed exceeds certain value.The negative pore pressure devel?ops with the displacement of soils.Both suction and negative pore pressure increase with time and adhesion increas?es first and then decreases with time.

suction force;negative pore pressure;adhesive force;uplift speed

TU 411

A

1005-8443（2016）02-0181-06

2015-03-30；

2015-11-04

天津市重點項目基金資助（11JCZDJC23900）

王宏民(1990-)，男，河北省邯鄲人，碩士研究生，主要從事巖土工程研究。

Biography：WANG Hong?min（1990-），male，master student.