砂土中吸力基礎(chǔ)抗拔承載力的影響因素分析

， ，， (山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，能源問題日益突出，為開發(fā)新的清潔能源，越來越多的國家將能源開發(fā)方向轉(zhuǎn)向海洋。我國作為海上風(fēng)能大國，而海上風(fēng)能的開發(fā)相對落后，大力發(fā)展海洋風(fēng)電工程是開發(fā)海洋資源的基礎(chǔ)工作之一。

吸力基礎(chǔ)是一種底部敞開、頂部密封的薄壁鋼制圓桶結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于海洋工程中。受到風(fēng)、波浪等產(chǎn)生的水平荷載以及海上浮動式結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的拉拔荷載的作用[1]，在使用過程中，吸力基礎(chǔ)承受巨大的傾覆力矩，主要表現(xiàn)為“拉-拔”力[2]。因此，確定吸力基礎(chǔ)抗拔承載力是基礎(chǔ)設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。

粘性土中的吸力基礎(chǔ)抗拔承載力已有較多研究成果[3-8]，但對應(yīng)砂土中的吸力基礎(chǔ)承載性能研究仍需加強。Lehane[9]通過離心機試驗，對不同長徑比的吸力基礎(chǔ)分別注入水和硅油，分析基礎(chǔ)拔出時桶壁內(nèi)外側(cè)阻力，來確定吸力基礎(chǔ)拔出時所需最大吸力，并將試驗結(jié)果與有限元分析對比，結(jié)果相吻合。魯曉兵等[10]對飽和砂土中單桶吸力基礎(chǔ)施加豎向拉拔荷載，認為隨加載速率的增加，極限荷載增加。Zhang等[11]通過模型試驗研究吸力基礎(chǔ)在拉拔過程中加載速率、拔出方式等因素對抗拔承載力的影響，分析了豎向承載力和豎向位移的關(guān)系，但對基礎(chǔ)內(nèi)部孔隙水壓力變化的分析不夠充分。黎冰[12-13]和鄭翔[14]等分析了荷載作用點、作用角度及長徑比對基礎(chǔ)抗拔承載力的影響，認為當(dāng)荷載作用于基礎(chǔ)高度的2/3至3/4之間時，基礎(chǔ)的抗拔承載能力最強，并提出吸力式沉箱基礎(chǔ)破壞位移的公式，但忽略了基礎(chǔ)上拔過程中產(chǎn)生的吸力對承載性能的影響。文獻[15]初步探討了砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)豎向承載性狀。

綜上所述，對于吸力基礎(chǔ)拔出時，基礎(chǔ)內(nèi)部負壓對抗拔承載力的影響研究相對較少。為此，通過開展吸力基礎(chǔ)豎向拉拔模型試驗，探討上拔速度和基礎(chǔ)長徑比對基礎(chǔ)豎向抗拔承載力的影響，分析基礎(chǔ)在上拔過程中桶內(nèi)負壓的變化規(guī)律，以便更好地研究吸力基礎(chǔ)在飽和細海砂中的抗拔承載性能。

1 模型試驗

1.1 試驗用砂及儀器設(shè)備

試驗所用土樣為青島黃海海域細海砂，細海砂的顆粒級配曲線及相關(guān)物理參數(shù)和試驗所用儀器設(shè)備與文獻[11]在拉拔模型試驗中所用參數(shù)和設(shè)備一致。為確保試驗結(jié)果的可靠性和可重復(fù)性，嚴(yán)格控制每次試驗條件，使其具有一致性，并且每個試驗工況至少重復(fù)3次。為此，每次試驗，將模型箱內(nèi)深度為1.5倍主桶長度范圍內(nèi)的砂土整體進行松動，注入10 cm高度的水，隨后排水加速砂土固結(jié)以模擬砂土地基沉積過程，水位降至2 cm，重復(fù)上述兩次注水排水固結(jié)過程。排水固結(jié)完畢后刮平砂土表面，架設(shè)加載裝置及量測裝置，繼續(xù)靜止放置12 h后開始試驗。通過上述方法，試驗砂土地基相對密實度可達97%，從而提高基礎(chǔ)抗拔承載力。

1.2 吸力基礎(chǔ)模型

采用兩種不同長徑比的不銹鋼制桶形基礎(chǔ)模型，如圖1所示。模型I-S的長徑比為1∶1(桶高120 mm，直徑120 mm)，模型II-S的長徑比為2∶1(桶高240 mm，直徑120 mm)。循環(huán)加載系統(tǒng)見圖2。

圖1 吸力基礎(chǔ)模型Fig.1 Suction caisson models

2 試驗過程

吸力基礎(chǔ)首先在自重作用下(考慮配重)沉入砂土地基一定深度，使基礎(chǔ)內(nèi)部形成封閉環(huán)境。然后借助真空泵，通過水氣轉(zhuǎn)換桶，抽出吸力基礎(chǔ)內(nèi)的空氣。此時吸力基礎(chǔ)內(nèi)部產(chǎn)生負壓吸力，基礎(chǔ)繼續(xù)下沉，直至安裝完成，靜置24 h后開始上拔試驗。

圖2 模型試驗裝置Fig.2 Model test set up

為比較上拔速度和基礎(chǔ)長徑比對吸力基礎(chǔ)抗拔承載力的影響，對兩種不同長徑比的基礎(chǔ)模型進行多組不同速度的拉拔試驗。分別通過安裝于伺服作動器前端的壓力傳感器和負壓傳感器測得勻速上拔過程中基礎(chǔ)內(nèi)部拉力和負壓的大小。試驗結(jié)束后，首先通過模型箱底部的注水閥向模型箱內(nèi)注水，使模型箱內(nèi)水位升高，并均勻松動模型箱內(nèi)砂土，松動范圍為砂土表面以下1.5倍基礎(chǔ)高度。當(dāng)模型箱內(nèi)水位高于砂土表面10 cm時，停止注水。之后打開底部排水閥門，對模型箱內(nèi)砂土地基進行排水固結(jié)，當(dāng)模型箱內(nèi)水位降至高于砂土表面2 cm時，停止排水，并將砂面刮平。

3 試驗結(jié)果與分析

吸力基礎(chǔ)上拔速度越大，桶內(nèi)土體中的孔隙水壓力越不容易消散，桶內(nèi)負壓越大，基礎(chǔ)抗拔承載力越高。通過改變基礎(chǔ)的上拔速度，得到基礎(chǔ)上拔位移與桶內(nèi)負壓、上拔力與桶內(nèi)負壓以及上拔位移與抗拔承載力之間的關(guān)系曲線，分別如圖3～5所示。

3.1 桶內(nèi)負壓的變化規(guī)律

圖3為基礎(chǔ)模型I-S和基礎(chǔ)模型II-S分別以0.2、2、5和10 mm/s的速度勻速上拔時桶內(nèi)負壓和上拔位移之間的關(guān)系曲線。

圖3 基礎(chǔ)上拔位移與內(nèi)部負壓的變化關(guān)系Fig.3 Uplift displacements versus negative pressure

由圖3可以看出，桶內(nèi)負壓在拉拔的初始階段就已經(jīng)產(chǎn)生，并急劇增加到最大值。隨著基礎(chǔ)拔出位移的增加，負壓逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。當(dāng)吸力基礎(chǔ)拔出時，由于內(nèi)部土塞中孔隙水壓力消散較慢，土塞中的滲流速度小于基礎(chǔ)的拔出速度，因而在桶內(nèi)產(chǎn)生負壓。拔出后，桶內(nèi)土塞在自重、桶壁內(nèi)摩阻力和桶內(nèi)、外壓力的共同作用下達到了平衡狀態(tài)，桶內(nèi)負壓趨于穩(wěn)定。對于相同長徑比的基礎(chǔ)模型，桶內(nèi)負壓的最大值隨著基礎(chǔ)上拔速度的增加而增大，這是由于基礎(chǔ)上拔速度越大，土中孔隙水壓力越不能及時消散，孔隙水壓力的累積使得桶內(nèi)負壓增大。而基礎(chǔ)以較低速率向上運動時，基礎(chǔ)內(nèi)部超孔隙水壓力能及時消散，不會累積。以相同速度上拔時，長徑比為2的基礎(chǔ)模型產(chǎn)生的最大負壓明顯大于長徑比為1的基礎(chǔ)模型。

圖4 基礎(chǔ)所受拉力和桶內(nèi)負壓變化關(guān)系曲線Fig.4 Pull strength versus negative pressure

圖4為基礎(chǔ)模型I-S和模型II-S以5 mm/s上拔時的拉力與桶內(nèi)負壓關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)抗拔承載力與桶內(nèi)負壓關(guān)系密切。桶內(nèi)負壓越大，基礎(chǔ)抗拔承載力越大。當(dāng)桶內(nèi)負壓趨于平穩(wěn)時，抗拔承載力基本不變。

3.2 上拔速度對抗拔承載力的影響

圖5為基礎(chǔ)模型I-S和基礎(chǔ)模型II-S分別以0.2、2、5和10 mm/s勻速上拔時拉力和上拔高度的關(guān)系曲線。取上拔高度-拉力曲線上最大值作為基礎(chǔ)抗拔承載力極值，其值和增長比例見表1。

由表1可知，模型I-S以0.2 mm/s勻速上拔時，抗拔承載力極值為32.04 N，以10 mm/s勻速上拔時，抗拔承載力極值為72.62 N，增長比例為127%；而模型II-S以0.2 mm/s勻速上拔時，抗拔承載力極值達到58.7 N，以10 mm/s勻速上拔時，抗拔承載力極值達到168 N，增長比例達到187%，明顯高于模型I-S的增長比例。

圖5 基礎(chǔ)上拔高度與所受拉力關(guān)系曲線Fig.5 Uplift height versus pull-out strength

表1 基礎(chǔ)極限抗拔承載力及增長比例Tab.1 Ultimate bearing capacity versus growth ration

3.3 長徑比對抗拔承載力的影響

如圖6所示，相同長徑比的基礎(chǔ)模型，隨著基礎(chǔ)上拔速度的增加，基礎(chǔ)抗拔承載力明顯增加；對于不同長徑比的模型，以相同速度上拔時，長徑比越大，抗拔承載力極值越大，當(dāng)上拔速度為2 mm/s時，模型II-S增長比例達到最大，隨著上拔速度繼續(xù)增加，增長比例有所減??；當(dāng)基礎(chǔ)上拔速度增加時，長徑比為2的基礎(chǔ)模型的抗拔承載力極值增加幅度更大。

圖7可以看出，吸力基礎(chǔ)達到極限抗拔承載力時對應(yīng)的豎向位移非定值，而是隨加載速率以及基礎(chǔ)長徑比的增加呈增大趨勢。對于長徑比為1的吸力基礎(chǔ)，極限狀態(tài)下，基礎(chǔ)上拔位移約在0.06～0.2倍基礎(chǔ)直徑范圍內(nèi)；對于長徑比為2的吸力基礎(chǔ)，極限狀態(tài)下，基礎(chǔ)上拔位移約為基礎(chǔ)直徑的0.18～0.26倍。

圖6 基礎(chǔ)上拔速度與抗拔極限承載力關(guān)系曲線Fig.6 Uplift speed versus pull-out bearing capacity

圖7 基礎(chǔ)上拔速度與豎向位移關(guān)系曲線Fig.7 Uplift speed versus uplift height

當(dāng)吸力基礎(chǔ)以低速度向上拔起時，基礎(chǔ)內(nèi)部土體處于部分排水狀態(tài)，桶內(nèi)部產(chǎn)生較小孔隙水壓力，此時基礎(chǔ)的抗拔力主要由基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)內(nèi)外壁與砂土的摩擦力以及負壓吸力提供。當(dāng)基礎(chǔ)以較大速度上拔時，基礎(chǔ)內(nèi)部的土體處于完全不排水狀態(tài)，會急劇產(chǎn)生較大負孔隙水壓力，負壓使得基礎(chǔ)內(nèi)部形成土塞，并與基礎(chǔ)一起拔出，此時基礎(chǔ)抗拔承載力主要由基礎(chǔ)自重、基礎(chǔ)內(nèi)外壁與砂土摩擦力、土塞重力以及反向端承載力提供。當(dāng)以相同速度上拔時，相比于長徑比為1的基礎(chǔ)，長徑比為2的基礎(chǔ)桶體長度大，排水路徑長、排水較慢，容易產(chǎn)生較大負孔隙水壓力且不容易消散。上拔過程中，基礎(chǔ)內(nèi)部容易形成較大的負壓，因而基礎(chǔ)抗拔承載力較大。

4 結(jié)論

通過對飽和細海砂中吸力基礎(chǔ)進行抗拔試驗，分析了基礎(chǔ)在上拔過程中孔隙水壓力變化和抗拔承載力變化規(guī)律，研究表明：

1) 基礎(chǔ)內(nèi)部負孔隙水壓力在拉拔初始階段就開始產(chǎn)生，并急劇增長到最大值，隨著拔出位移的增加，桶內(nèi)負壓逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

2) 吸力基礎(chǔ)長徑比是影響基礎(chǔ)抗拔承載力的重要因素。相同速度上拔時，相比于長徑比為1的基礎(chǔ)，長徑比為2的吸力基礎(chǔ)產(chǎn)生的負壓大，基礎(chǔ)抗拔承載力大，土塞拔出高度高。

3) 對于長徑比不同的兩種基礎(chǔ)模型，當(dāng)上拔速度由0.2增加到10 mm/s時，基礎(chǔ)抗拔承載力會顯著增加，長徑比為2的吸力基礎(chǔ)，抗拔承載力增加幅度更大。

4) 吸力基礎(chǔ)達到極限抗拔承載力時對應(yīng)的豎向位移非定值，而是隨加載速率以及基礎(chǔ)長徑比的增加而增大。

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