斜壁桶形基礎(chǔ)水平承載力計(jì)算方法

劉金龍+陳陸望+王吉利+汪東林

摘要：基于斜壁桶形基礎(chǔ)的空間受力狀態(tài)和基本假定，利用極限平衡法推導(dǎo)得到了斜壁桶形基礎(chǔ)的水平承載力表達(dá)式，并與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該計(jì)算方法的可靠性。通過(guò)變動(dòng)參數(shù)，分別探討了桶壁傾角、地基反力比例系數(shù)、桶基頂部直徑、桶基高徑比、水平力作用點(diǎn)高度等水平承載力的影響及相對(duì)敏感性。計(jì)算表明斜壁桶形基礎(chǔ)的水平承載力隨著桶壁傾角的增大而急劇增大。研究結(jié)果有助于對(duì)傳統(tǒng)桶形基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：斜壁桶形基礎(chǔ)；水平承載力；極限平衡；傾角

中圖分類號(hào)：P754 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2017）04-0123-06

Abstract：Based on the three-dimensional stress state and some assumptions of the tapered bucket foundation，we used the limit equilibrium method to obtain the calculation formula of horizontal bearing capacity of tapered bucket foundation，and compared the results with the model test results，and thus validated the reliability of the formula.Through varying different parameters，we analyzed the influence of the obliquity of bucket wall，proportionality coefficient of soil resistance，top diameter of bucket foundation，height-diameter ratio of bucket foundation，and height of acting point on the value of horizontal bearing capacity of tapered bucket foundation.It was found that the horizontal bearing capacity increased rapidly as the obliquity of bucket wall increased.The results of this research are helpful to the optimization design of traditional bucket foundation.

Key words：tapered bucket foundation；horizontal bearing capacity；limit equilibrium method；obliquity

桶形基礎(chǔ)是一種特殊的基礎(chǔ)形式，其上部封閉、底部開(kāi)口，因像倒扣在土中的圓桶而得名。這種基礎(chǔ)在安裝時(shí)，借助桶中抽真空形成的負(fù)壓把圓桶貫入土中，因而也稱負(fù)壓桶形基礎(chǔ)或吸力式基礎(chǔ)。世界上第一座桶形基礎(chǔ)平臺(tái)Europipe 16/11-E于1994年7月在北海安裝成功[1]。與傳統(tǒng)的樁基礎(chǔ)或重力式基礎(chǔ)相比，桶形基礎(chǔ)具有造價(jià)低、便于運(yùn)輸安裝、施工速度快和可重復(fù)使用等特點(diǎn)，可用于近海風(fēng)電工程、淺海石油與天然氣資源開(kāi)發(fā)、系泊海上浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)物等工程的基礎(chǔ)形式[2]，被稱為“導(dǎo)管架基礎(chǔ)工程技術(shù)新時(shí)代的曙光”。

目前使用的桶形基礎(chǔ)多為直壁圓桶形式，如Europipe 16/11-E的導(dǎo)管架由4個(gè)直徑12 m、桶高9.5 m的桶形基礎(chǔ)承擔(dān)，平臺(tái)總重量5 240 t；渤海灣西南部海洋石油QHD 32-6-4中的吸力錨為桶直徑6.0 m、桶高3.2 m、單個(gè)錨重35 t的桶形基礎(chǔ)；中國(guó)南海西部海域的文昌13-1、文昌13-2油田中，用于浮式生產(chǎn)存儲(chǔ)、卸油系統(tǒng)系泊的吸力錨直徑5.0 m、高度11.5 m，單個(gè)錨重50 t[3]。

施曉春等[4]基于模型試驗(yàn)對(duì)桶形基礎(chǔ)在水平荷載作用下的變形與土壓力分布進(jìn)行了研究，提出了單桶水平承載力計(jì)算方法；劉振紋等[5]通過(guò)模型試驗(yàn)和有限元計(jì)算，分析了單桶基礎(chǔ)的地基極限水平承載力，考察了基礎(chǔ)主動(dòng)區(qū)與被動(dòng)區(qū)的土壓力分布；王庚蓀等[6]根據(jù)土體的簡(jiǎn)化彈簧模型，從理論上分析了橫向載荷作用下土體與桶形基礎(chǔ)的相互作用；金書成等[7]基于有限元方法研究了飽和排水砂土條件下吸力式桶形基礎(chǔ)的水平極限承載力和失穩(wěn)模式；國(guó)外學(xué)者Zdravkovic等[8]、Aubeny等[9]、 Houlsby等[10]也對(duì)直壁桶形基礎(chǔ)進(jìn)行了廣泛深入的研究，促進(jìn)了桶形基礎(chǔ)的發(fā)展。

事實(shí)上，為了把應(yīng)力擴(kuò)散到更大面積的桶底土層上，可以采用斜壁形式的桶形基礎(chǔ)[11-12]。目前對(duì)這種新型的桶形基礎(chǔ)研究較少，缺乏有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)其承載力與穩(wěn)定性的計(jì)算更無(wú)規(guī)范可參考。

為此，本文基于力學(xué)分析方法，對(duì)斜壁桶形基礎(chǔ)的水平承載力進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，考察了斜壁傾角、桶高、桶徑、土性參數(shù)等對(duì)水平承載力的影響，為斜壁桶形基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供參考。

1 水平承載力計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

當(dāng)斜壁桶形基礎(chǔ)達(dá)到水平極限平衡狀態(tài)時(shí)，其受力模型見(jiàn)圖1。

實(shí)際工程中，桶基頂部直徑D、高度H和桶壁傾角β三個(gè)參數(shù)的最合理取值問(wèn)題，需根據(jù)水平承載力要求、海床地質(zhì)條件、土性參數(shù)、施工難易程度等綜合確定。

3.5 海床深度對(duì)水平承載力Pu的影響

桶形基礎(chǔ)可用于近海風(fēng)電工程、淺海石油與天然氣資源開(kāi)發(fā)、系泊海上浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)物等工程的基礎(chǔ)形式，而這些工程的建設(shè)與海床深度密切相關(guān)。海床越深，海洋平臺(tái)的高度越大，導(dǎo)致水平荷載至桶基頂部的距離增加，故可用水平荷載的作用高度Lp來(lái)反映海床深度。

圖8給出了β=4°時(shí)水平荷載作用高度Lp對(duì)桶基水平承載力Pu的影響。Lp=35.0 m時(shí)的水平承載力比Lp=20.0 m時(shí)的水平承載力減小了39.3%。桶基水平承載力Pu隨著水平荷載作用高度增加而急劇減小。

可見(jiàn)，海床深度也是桶形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)。若海床較深，采用單個(gè)桶形基礎(chǔ)難以滿足要求時(shí)，可采用多桶聯(lián)合基礎(chǔ)，此時(shí)計(jì)算方法更為復(fù)雜。

4 結(jié)論

（1）基于斜壁桶形基礎(chǔ)的空間受力狀態(tài)和基本假定，利用極限平衡法推導(dǎo)得到了斜壁桶形基礎(chǔ)的水平承載力表達(dá)式，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該計(jì)算方法的可靠性。

（2）斜壁桶形基礎(chǔ)的水平承載力隨著桶壁傾角的增大而急劇增大。這個(gè)規(guī)律的認(rèn)識(shí)對(duì)桶形基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計(jì)有重要的促進(jìn)作用。

（3）桶形基礎(chǔ)的水平承載力隨著地基反力比例系數(shù)的增加而增大，并呈線性關(guān)系。地基反力比例系數(shù)難以準(zhǔn)確測(cè)定，影響其值的因素較多。故需發(fā)展針對(duì)海洋土、海床地基反力比例系數(shù)的準(zhǔn)確確定方法，并建立相應(yīng)的詳細(xì)表格供查取。

（4）桶形基礎(chǔ)的水平承載力隨著桶基頂部直徑或桶基高度的增大而急劇增大，隨著作用點(diǎn)高度的增加而急劇減小。

實(shí)際工程中，桶基頂部直徑、高度和桶壁傾角等參數(shù)的合理取值，需根據(jù)水平承載力要求、海床地質(zhì)條件、土性參數(shù)、施工難易程度、海床深度等因素綜合確定。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] Tjelta T.Geotechnical aspects of bucket foundations replacing piles for the Europipe 16/11- E Jacket.OTC 7379，Houston，1995，73-82.

[2] Iskander M，Ei-Gharbawy S.Performance of suction caissons in sand and clay[J].Can Geotech，2002，39：576-584.

[3] 袁中立，秦延龍，唐海燕.淺海桶形基礎(chǔ)平臺(tái)[M].北京：石油工業(yè)出版社，2010，1-9.（YUAN Zhong-li，QIN Yan-long，TANG Hai-yan.Bucket foundation platform in shallow sea[M].Beijing：Petroleum Industry Press，2010，1-9.（in Chinese））

[4] 施曉春，徐日慶，龔曉南，等.桶形基礎(chǔ)單桶水平承載力的試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1999，21（6）：723-726.（SHI Xiao-chun，XU Ri-qing，GONG Xiao-nan，et al.Experimental study on horizontal bearing capacity of single bucket foundation[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1999，21（6）：723-726.（in Chinese））

[5] 劉振紋，王建華，秦崇仁，等.負(fù)壓桶形基礎(chǔ)地基水平承載力研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2000，22（6）：691-695.（LIU Zhen-wen，WANG Jian-hua，QIN Chong-ren，et al.Research on the horizontal bearing capacity of bucket foundations[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2000，22（6）：691-695.（in Chinese））

[6] 王庚蓀，孔令偉，楊家?guī)X，等.水平載荷作用下土體與桶形基礎(chǔ)的相互作用[J].工程力學(xué)，2004，21（2）：107-113.（WANG Geng-sun，KONG Ling-wei，YANG Jia-ling，et al.Interaction of soil mass and bucket foundation under horizontal loads[J].Engineering Mechanics，2004，21（2）：107-113.（in Chinese））[HJ1.92mm]

[7] 金書成，張永濤，楊炎華，等.飽和砂土地基中吸力式桶形基礎(chǔ)水平承載力研究[J].巖土力學(xué)，2013，34（增刊1）：221-227.（JIN Shu-cheng，ZHANG Yong-tao，YANG Yan-hua，et al.Research on horizontal ultimate bearing capacity of suction bucket foundation in saturated sand ground[J].Rock and Soil Mechanics，2013，34（S1）：221-227.（in Chinese））

[8] Zdravkovic L，Potts D M，Jardine R J.A parametric study of the pull-out capacity of bucket foundations in soft clay[J].Geotechnique，2001，51（1）：55-67.

[9] Aubeny C P，Han S W，Murff J D.Inclined load capacity of suction caissons[J].International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics，2003，27（14）：1235-1254.

[10] Houlsby G T，Byrne B W.Design procedures for installation of suction caissons in sand[J].Geotechnical Engineering，2005，158（GE3）：135-144.

[11] Zeinoddini M，Keyvani J，Nabipour M.Tapered suction caissons：A numerical investigation into their pull-out performance[J].China Ocean Engineering，2009，23（4）：695-707.

[12] 徐文強(qiáng)，袁凡凡，李火兵，等.斜壁桶形基礎(chǔ)水平承載力的三維有限元分析[J].中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，2012，29（2）：200-205.（XU Wen-qiang，YUAN Fan-fan，LI Huo-bing，et al.Horizontal bearing capacity of tapered bucked foundations based on three-dimensional finite element numerical analysis[J].Journal of Graduate University of Chinese Academy of Sciences，2012，29（2）：200-205.（in Chinese））

[13] 孫曦源，欒茂田，唐小微.飽和軟黏土地基中桶形基礎(chǔ)水平承載力研究[J].巖土力學(xué)，2010，31（2）：667-672.（SUN Xi-yuan，LUAN Mao-tian，TANG Xiao-wei.Study of horizontal bearing capacity of bucket foundation on saturated soft clay ground[J].Rock and Soil Mechanics，2010，31（2）：667-672.（in Chinese））