天津?yàn)I海新區(qū)軟黏土吸附力預(yù)測方法

張 京 京

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司， 天津 300350)

吸附力是海洋工程和港口工程中系泊力或上拔阻力的重要組成部分。例如，平板錨常用于半潛式及張力腿平臺中，憑借錨板在海泥中所提供的吸附力穩(wěn)定平臺[1]；坐底式平臺沉墊也依靠吸附力穩(wěn)定平臺基礎(chǔ)[2-3]。飽和黏土地基中的沉箱、自升式鉆井船樁靴等結(jié)構(gòu)物上拔時，基礎(chǔ)底部常常出現(xiàn)負(fù)孔壓，阻礙結(jié)構(gòu)物拔出[4-5]。預(yù)測吸附力的方法具有重要工程意義[6-7]。

吸附力主要由三部分組成，即拉拔過程中發(fā)展的基底吸力、土與結(jié)構(gòu)物間的粘附力以及結(jié)構(gòu)物側(cè)壁與土體間的側(cè)摩阻力[8-10]。目前對于上拔阻力的預(yù)測常采用地基極限承載力反向破壞的方法計算[11-15]，難以體現(xiàn)吸附力產(chǎn)生和作用機(jī)理。

通過一系列沉箱模型上拔試驗(yàn)，研究上拔阻力與基底孔壓的發(fā)展變化規(guī)律，為潛坐式結(jié)構(gòu)物吸附力預(yù)測提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

以平底方形沉箱模型試驗(yàn)為例，測定箱體安裝和上拔過程中的上拔力和孔壓，分析箱底負(fù)孔壓對吸附力的貢獻(xiàn)，確定粘著力的作用。

1.1 沉箱上拔試驗(yàn)設(shè)施及條件

沉箱底面為邊長30 cm的正方形，高60 cm，底部設(shè)置9個孔壓傳感器，間距10 cm。沉箱模型及孔壓傳感器布置如圖1所示。

(a) 傳感器布置 (b) 沉箱

圖1沉箱模型及孔壓傳感器布置圖

沉箱模型的上拔試驗(yàn)分為三組，通過沉箱配重方法調(diào)節(jié)箱體自重分別為60 kg、90 kg、120 kg，研究沉箱不同固結(jié)壓力對上拔阻力的影響，上拔速率為25 mm/min。沉箱安裝和上拔過程中，對上拔力和孔壓進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

1.2 土質(zhì)參數(shù)

試驗(yàn)淤泥質(zhì)黏土取自天津市濱海新區(qū)，含水率約為57%，十字板不排水強(qiáng)度隨著深度逐漸增加，表面強(qiáng)度約為1.38 kPa，增長率為4.2 kPa/m，十字板不排水強(qiáng)度如圖2所示。

Su=1.38+0.042h

圖2十字板不排水強(qiáng)度

2 側(cè)壁摩阻力試驗(yàn)

沉箱模型可能會沉入地基中一定深度，為了準(zhǔn)確衡量側(cè)壁摩阻力的作用，采用與模型相同材質(zhì)鋼板確定了側(cè)壁摩擦系數(shù)。

鋼板材質(zhì)、厚度、拔出速率與沉箱模型相同，高60 cm，寬30 cm，厚1.5 cm，質(zhì)量16.08 kg，豎直壓入土中40 cm，靜置24 h后，以25 mm/min的速度拔出，反算確定摩擦系數(shù)α為0.68。

3 沉箱上拔試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 吸附力試驗(yàn)結(jié)果

對沉箱進(jìn)行受力分析，總上拔力M由箱體自重G和吸附力F組成。其中，吸附力F包括三部分，基底吸力uS可根據(jù)孔壓傳感器監(jiān)測結(jié)果確定，箱體與土體間的側(cè)摩阻力f采用鋼板摩擦系數(shù)計算確定，土與結(jié)構(gòu)物間的粘著力CaA測定困難但又不容忽視[12-13]，采用反算方法得出。吸附力計算公式：

F=uS+f+CaS=F0+CaS

(1)

式中：u為負(fù)孔壓，kPa；f為側(cè)壁摩阻力，kPa；Ca為粘著力，kPa；S為沉箱底面積，m2；F0=uS+f，kPa。

吸附力F等于總上拔力減去重力，F(xiàn)0為沉箱側(cè)壁摩擦力和箱底吸力之和。三組試驗(yàn)側(cè)壁摩擦力、底部吸力、計算值F0和吸附力F隨上拔位移的關(guān)系曲線如圖3所示。摩擦力隨著箱體上拔位移的增加，側(cè)壁與土體接觸面積逐漸減小，側(cè)摩阻力減??；上拔過程中，箱底負(fù)孔壓逐漸發(fā)展，底部吸力逐漸增加。圖3中粘著力CaS為F和F0之間對應(yīng)水平坐標(biāo)距離，F(xiàn)0在整個過程中均小于總吸附力F，表明從上拔開始時刻粘著力即存在，且在上拔過程中隨著負(fù)孔壓的發(fā)展逐漸增長，箱底與土體脫離時刻粘著力達(dá)到最大值，此時總吸附力也達(dá)到最大值。

粘著力即不同物質(zhì)接觸部分之間所產(chǎn)生的引力，不易直接測得。試驗(yàn)中沉箱底面與土體脫離時刻，粘著力達(dá)到最大值，反推此時粘著力Ca，吸附力計算結(jié)果見表1。

表1 粘著力計算結(jié)果

注：箱底面積0.09m2。

由表1可知，反算粘著力Ca為2.1 kPa～3.0 kPa，約為1.3倍十字板不排水強(qiáng)度，粘附力可用十字板不排水強(qiáng)度估算。邱長林等[16]的室內(nèi)粘著力試驗(yàn)表明，濱海新區(qū)淤泥質(zhì)黏土在含水率約為50%時，粘著力約為1～2倍不排水強(qiáng)度，模型試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果比較接近。

圖3上拔過程中沉箱受力分析

3.2 孔壓系數(shù)確定

Skempton引入經(jīng)驗(yàn)系數(shù)A計算孔壓變化量[17]，計算公式：

Δu=B[Δσ3+A(Δσ1-Δσ3)]

(2)

當(dāng)土體完全飽和時B=1，變形為彈性時A=1/3，然而對于土體則不是常數(shù)，孔壓系數(shù)A取決于偏差應(yīng)力增量所引起的體積變化且變化范圍很大，主要與土的類型、狀態(tài)、過去所受的應(yīng)力歷史和應(yīng)力狀況以及加載過程所產(chǎn)生的應(yīng)變量等因素有關(guān)，在三軸試驗(yàn)過程中A值是變化的[17]。

假定沉箱底面壓強(qiáng)均勻分布，下部土體主應(yīng)力方向?yàn)樗较蚝拓Q向，將上拔過程中地基土等效為圍壓不變僅豎向卸荷的應(yīng)力狀態(tài)。上拔時，箱底卸荷應(yīng)力記為Δσ1=(M-f)/S，因此Skempton公式計算孔壓增量Δu=AΔσ1=A(M-f)/S。實(shí)測孔壓增量用箱底孔壓傳感器測量值取平均。當(dāng)Skempton孔壓計算值與實(shí)測孔壓平均值峰值相等時，確定Skempton孔壓系數(shù)A(見表2)?？讐合禂?shù)A與箱體入泥深度有關(guān)，入泥深度較大孔壓系數(shù)A也越大。將入泥深度與沉箱尺寸進(jìn)行歸一化，入泥深度與孔壓系數(shù)A關(guān)系曲線如圖4所示。

用Skempton孔壓公式計算上拔過程中的孔壓增量Skempton計算孔壓增量和實(shí)測孔壓增量曲線如圖5所示。結(jié)果表明，兩者有較好的對應(yīng)關(guān)系，孔壓系數(shù)計算方法可行。

表2 孔壓系數(shù)A

圖4孔壓系數(shù)A與歸一化入泥深度的關(guān)系

4 吸附力預(yù)測方法

4.1 計算方法

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，提出一種預(yù)測平底基礎(chǔ)最大吸附力的計算方法，計算步驟如下：

(1) 根據(jù)入泥深度D/B與孔壓系數(shù)A的關(guān)系曲線(見圖4)確定孔壓系數(shù)A，孔壓變量：

圖5 Skempton公式孔壓預(yù)測

Δu=AΔσ1=A(G+u-S)

(3)

式中：u-為基底負(fù)孔壓，表示為u-=Δu-u+，其中u+表示上拔前超靜水壓力，由于沉箱荷載作用在地基上未完全消散的而引起，可以根據(jù)比奧固結(jié)理論計算。u-=Δu-u+代入式3，整理可得孔壓變量：

(4)

將式(4)帶入u-=Δu-u+后，基底負(fù)孔壓表示為：

(5)

(2) 粘著力Ca取1.3倍原位不排水抗剪強(qiáng)度；

(3) 模型試驗(yàn)表明，最大吸附力出現(xiàn)時即沉箱與土體脫離時刻，此時無側(cè)壁摩擦力。因此，吸附力計算式如下：

F=u-S+CaS

(6)

4.2 工程實(shí)例

某潛坐式結(jié)構(gòu)位置偏離設(shè)計坐標(biāo)，安裝后立刻拔出，入泥深度D=1.3 m，寬B=3 m，D/B=0.43，原位不排水抗剪強(qiáng)度5 kPa，沉箱自重52.6 t，基底平均壓強(qiáng)(結(jié)構(gòu)重量減去側(cè)壁摩阻力)54 kPa，實(shí)測吸附力為103 kN。已知D/B，根據(jù)圖11查得Skempton孔壓系數(shù)A為0.47，由式(5)計算基底負(fù)孔壓為-5.8 kPa，粘著力Ca取1.3倍不排水強(qiáng)度，由式(6)計算得出最大吸附力為110.7 kN，與實(shí)測誤差約為7%。

5 結(jié) 論

以天津?yàn)I海新區(qū)軟土為研究對象，通過三組沉箱上拔試驗(yàn)，研究了平底沉箱基礎(chǔ)粘聚力的構(gòu)成，并提出一種吸附力預(yù)測的簡易方法。結(jié)論如下：

(1) 由于粘著力不易通過試驗(yàn)直接測得，根據(jù)試驗(yàn)反算方法更可信，天津?yàn)I海新區(qū)軟土粘著力約為1.3倍原位不排水抗剪強(qiáng)度；

(2) 沉箱上拔時孔壓增量與卸荷應(yīng)力滿足Skempton孔壓計算公式，表明Skempton孔壓計算公式適用于特定情況上拔問題，孔壓系數(shù)A隨著箱體下沉深度增加而增大，與歸一化深度呈線性關(guān)系；

(3) 吸附力和粘著力在沉箱與土體脫離時達(dá)到最大值，此時吸附力由底部吸力和粘著力兩部分組成；

(4) 提出吸附力最大值的預(yù)測方法，采用Skempton孔壓公式計算孔壓增量估算底部吸力，用1.3倍十字板不排水強(qiáng)度作為粘著強(qiáng)度，從而預(yù)測最大吸附力。