基于室內(nèi)抗拔模型試驗(yàn)的黏性土中基礎(chǔ)吸附力研究

張樹德，潘池，吳國豐，李颯

（1.中海油上海分公司，上海 200030；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300350）

0 引言

在海洋工程中，移動式平臺往往需要進(jìn)行起浮或拔樁。在這一過程中，由于海底的不確定因素，經(jīng)常出現(xiàn)超出估計(jì)的抗拔力，導(dǎo)致回收設(shè)備的費(fèi)用超支，有時遭遇惡劣天氣無法及時提升結(jié)構(gòu)物甚至?xí)Σ僮魅藛T和設(shè)備造成威脅。國內(nèi)外研究認(rèn)為，這是因?yàn)樵诤５谆A(chǔ)上拔過程中，黏土對基礎(chǔ)底面將產(chǎn)生吸附作用，基礎(chǔ)需要克服相應(yīng)的吸附力才能順利離開海底[1-4]。自上世紀(jì)70年代以來，國內(nèi)外學(xué)者對于海洋工程中黏土抗拔力做了一系列的探討。一般認(rèn)為，在基礎(chǔ)離底的過程中的力可以用下式表示[1，5-6]：

式中：Ft為土體的抗拔力（breakout force），國內(nèi)學(xué)者一般稱其為吸附力。為符合國內(nèi)的習(xí)慣，本文將其稱為吸附力；Pcr為結(jié)構(gòu)物離底所需的總提升力；Ws為結(jié)構(gòu)物浸沒在底質(zhì)中所排開的底質(zhì)重量；Wb為結(jié)構(gòu)物的水下自重。

關(guān)于吸附力，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一系列探討。Vesic[7]（1969）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(dǎo)致了吸附力的產(chǎn)生，此超靜孔壓差值即為吸附力；馮國棟等[8]（1981）提出，海泥吸附力由地面黏著力、側(cè)面摩阻力以及底面真空吸力三部分組成；韓麗華等[9]（2009）認(rèn)為吸附力由土體與結(jié)構(gòu)物底面間的黏著力、土體中產(chǎn)生的負(fù)孔隙水壓力以及土體與結(jié)構(gòu)物側(cè)面產(chǎn)生的側(cè)摩阻力三部分組成；Omid Kohan[10]（2014）探討了樁靴在黏土深埋置情況下拔出的情況，認(rèn)為吸附力是樁靴在不排水條件下基礎(chǔ)底面產(chǎn)生的負(fù)超孔隙壓力。

對于影響吸附力的因素，Sawicki等[11]（2003）認(rèn)為，吸附力與結(jié)構(gòu)物和海底土質(zhì)連接處發(fā)展起來的應(yīng)力有關(guān)；R.Chen等[12]（2011）利用離心機(jī)模型試驗(yàn)對沉墊在淤泥中吸附力進(jìn)行了探討，認(rèn)為淺埋結(jié)構(gòu)的吸附力與提升速率、裙板入泥深度、作用點(diǎn)偏心率有關(guān)；Xiaojun Li等[3]（2013）通過離心機(jī)模型試驗(yàn)探討了沉墊的吸附力，認(rèn)為吸附力與超孔隙水壓力的分布有關(guān)，沉墊底部透水性、偏心提升、裙板長度都將影響吸附力。

吸附力的問題一直是困擾海洋工程設(shè)計(jì)計(jì)算的一個重要問題，到目前為止，對吸附力的定義、產(chǎn)生的機(jī)理以及相應(yīng)的計(jì)算方法都沒有明確的結(jié)論。在實(shí)際工程中，工程師也往往是根據(jù)當(dāng)?shù)氐墓こ探?jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算。由于吸附力產(chǎn)生的機(jī)理比較復(fù)雜，本文采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法，對不同底面形式的基礎(chǔ)與黏土之間的相互作用力問題進(jìn)行了研究，同時探討了這種相互作用對吸附力的影響。

1 吸附力的計(jì)算方法

對于吸附力的計(jì)算，美國海軍土木工程實(shí)驗(yàn)室（NCEL）于20世紀(jì)60年代在加州Hueneme港進(jìn)行了一系列現(xiàn)場試驗(yàn)，測定了不同底面形狀的海底結(jié)構(gòu)物的吸附力。Muga（1967）根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果提出了吸附力的經(jīng)驗(yàn)公式[13]：

式中：Ft為理論計(jì)算所得吸附力；Fq為底質(zhì)土體承載力；A為結(jié)構(gòu)物底面積。

Lee（1973）根據(jù)Muga的試驗(yàn)結(jié)果，重新分析數(shù)據(jù)，提出新的吸附力公式[14]：

式中：D、B、L分別為結(jié)構(gòu)物的埋深、寬度和長度；Su為底質(zhì)不排水抗剪強(qiáng)度。

Byrne和Finn（1978）提出，采用漢森公式對吸附力進(jìn)行計(jì)算，即[15]：

式中：c為地基土黏聚力；Nc為承載力系數(shù)；sc為基礎(chǔ)形狀系數(shù)；dc為基礎(chǔ)深度系數(shù)；ic為荷載傾斜系數(shù)，同時，Byrne和Finn給出了Nc的推薦值為6.5~7.4。

金廣泉等（1998）提出采用Skempton承載力公式計(jì)算吸附力，與傳統(tǒng)的求解極限承載力問題近似，不過力的方向相反，即[1]：

由上面的論述可見，目前各種計(jì)算吸附力的方法可統(tǒng)一寫為下面的形式：

在本文中將Nb定義為吸附力系數(shù)，其取值根據(jù)方法的不同而有所不同。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)用土

本次模型試驗(yàn)用土選用某海域水深200 m處現(xiàn)場獲取的低液限粉質(zhì)黏土，通過土工試驗(yàn)，測得基本物理性質(zhì)見表1，顆粒級配曲線見圖1。

表1 試驗(yàn)用土物理性質(zhì)Table 1 Physical properities of the test soil

試驗(yàn)中粉質(zhì)黏土的不排水剪切強(qiáng)度分別為Su=1 kPa，3 kPa，5 kPa，10 kPa，30 kPa。在配制土樣時將粉質(zhì)黏土充分?jǐn)嚢?，加適量水至充分飽和，布設(shè)塑料排水板，表面覆蓋土工膜，利用真空泵抽真空進(jìn)行排水固結(jié)，使其不排水強(qiáng)度達(dá)到試驗(yàn)要求。

圖1 顆粒級配曲線Fig.1 Grading curve

2.2 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)重力錨采用兩種基礎(chǔ)形式，分別是平底式和8鍵式，模型尺寸為B伊L伊H=0.2 m伊0.2 m伊0.1 m，重量為2.54 kg，根據(jù)-型按照15頤1比例進(jìn)行制作。8鍵試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷酌嫘问揭妶D2。

圖2 試驗(yàn)錨模型Fig.2 Model of the test anchor

模型試驗(yàn)在試驗(yàn)槽內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)槽兩側(cè)為透明有機(jī)玻璃，可以觀測結(jié)構(gòu)物在土樣中的狀態(tài)。試驗(yàn)槽配備了加載系統(tǒng)、量測系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備，可以對模型施加垂直拉力，并通過拉力傳感器記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。拉力傳感器為TJL-1S型拉力傳感器，量程為0~30kg，綜合精度（線性+滯后+重復(fù)性）為0.02。試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of the test device

將制備好的土樣放入試驗(yàn)槽，對土體進(jìn)行整平，利用微型十字板測量土體強(qiáng)度，確定其滿足試驗(yàn)要求。模型安放在土體中間，在自重作用下下沉，由于自重作用下的下沉深度有限，因此本次測試結(jié)果得到的吸附力主要反映的是基礎(chǔ)底面與土體之間的相互作用。通過鋼繩將模型與傳感器、加載系統(tǒng)相連，同時傳感器連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。檢測各設(shè)備處于正常工作狀態(tài)后，開始試驗(yàn)。先啟動加載系統(tǒng)，隨著拉力逐漸增大，模型從土樣中被上拔直至離開土樣，同時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不斷記錄模型上拔過程中拉力與時間的關(guān)系。除去表層土體，將土體整平，利用十字板測量土體強(qiáng)度，在滿足試驗(yàn)要求的條件下，重新安放模型，進(jìn)行下一組試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)內(nèi)容

表2給出了本次試驗(yàn)的安排。從表中可以看到，由于模型重量有限，因此在自重作用下，錨體的入泥深度不超過2 cm。由于埋深較小，錨體拔出過程中，土體不同的破壞機(jī)理對吸附力的影響較小，可以忽略不計(jì)。此時可以近似認(rèn)為，土體與基礎(chǔ)之間的吸附力主要來源于基礎(chǔ)底面與土體之間的相互作用力。

表2 模型試驗(yàn)安排Table 2 Arrangement of model tests

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

將試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)與Muga、Lee及Skempton計(jì)算公式得到的吸附力進(jìn)行比較，計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 吸附力與Su關(guān)系Fig.4 Relationship of suction force and Su

從試驗(yàn)結(jié)果可以看到，試驗(yàn)得到的數(shù)值隨著土體的不排水強(qiáng)度的變化顯示了先增大后減小的特征。同時可以看到，8鍵基礎(chǔ)的吸附力小于平底基礎(chǔ)，即平底基礎(chǔ)與粉質(zhì)黏土的相互作用更加強(qiáng)烈。圖4顯示，在相同的試驗(yàn)條件下，平底基礎(chǔ)底部的吸附力總體高于8鍵錨，在不排水抗剪強(qiáng)度較小的情況下，表現(xiàn)得更加明顯。

計(jì)算結(jié)果顯示，計(jì)算吸附力的Skempton公式、Muga公式在黏土Su為1~5 kPa范圍內(nèi)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好，當(dāng)黏土Su超過5 kPa時Skempton公式、Muga公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值差別很大，而Lee公式在黏土Su為1~5 kPa范圍內(nèi)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值差距最大，當(dāng)Su達(dá)到10 kPa后與試驗(yàn)值較為接近。

根據(jù)測試結(jié)果以及公式（7）和公式（8），可以得到在埋深非常小的條件下，吸附力系數(shù)Nb與Su之間的近似關(guān)系，如圖5表示。這一關(guān)系顯示了基礎(chǔ)底面與粉質(zhì)黏土之間相互作用強(qiáng)弱與土體不排水強(qiáng)度之間的關(guān)系。

對于平底基礎(chǔ)，Nb與Su的關(guān)系表示為：

對于8鍵基礎(chǔ)，有：

由此可見，在不考慮土體破壞模式的影響下，基礎(chǔ)底面與粉質(zhì)黏土之間的相互作用，隨著不排水抗剪強(qiáng)度的增加而減弱，也就是說土體強(qiáng)度越大，基礎(chǔ)底面與粉質(zhì)黏土之間的相互作用越小，這與實(shí)際工程中觀察到的現(xiàn)象是一致的。

圖5 Nb與Su關(guān)系Fig.5 Relationship of Nband Su

4 吸附力機(jī)理探討

現(xiàn)有的吸附力的計(jì)算公式都是建立在地基承載力的基礎(chǔ)之上，除了Byrne和Finn建議采用Hansen公式外，其余人均采用了Skempton的計(jì)算公式[16]。Skempton公式中Nc、Nq的確定方法采用了與Prandtl相同的方法，即[17]：

而上述公式是在假定基礎(chǔ)底面與地基土之間無摩擦以及基礎(chǔ)底面以下地基土無重量得到的，這與存在吸附力條件下的情況有明顯差異，因此直接使用Skempton公式必然會造成較大的誤差。Muga和Lee通過試驗(yàn)對Skempton公式進(jìn)行了修正。

吸附力的產(chǎn)生與基礎(chǔ)底面和土體之間的相互作用密切相關(guān)，如何合理評價這種作用是準(zhǔn)確評價吸附力大小的關(guān)鍵問題。目前的研究傾向于認(rèn)為吸附力與不排水條件下基礎(chǔ)底面產(chǎn)生的負(fù)超孔隙壓力直接相關(guān)。由于各方面的-因，建立拉拔條件下超孔隙水壓力的計(jì)算模型難度較大?？紤]到基礎(chǔ)底面與黏土的相互作用，結(jié)合本次試驗(yàn)的結(jié)果，以及不排水抗剪強(qiáng)度的獲得方法，將不排水剪切強(qiáng)度Su作為評價基礎(chǔ)底面與土體之間相互作用的指標(biāo)具有一定的可行性和代表性。

5 結(jié)語

吸附力的計(jì)算一直是海洋工程設(shè)計(jì)計(jì)算的一個難點(diǎn)，通過本次模型試驗(yàn)可以看到：

1）現(xiàn)有的吸附力的計(jì)算公式是建立在承載力理論之上，除了Byrne和Finn建議采用Hansen公式外，其余人均采用了Skempton的計(jì)算公式，并在此基礎(chǔ)上通過試驗(yàn)對此進(jìn)行了修正，可以采用吸附力系數(shù)暈b對各種公式進(jìn)行統(tǒng)一描述?，F(xiàn)有公式的暈b與承載力因數(shù)暈c，基礎(chǔ)的底面形狀，埋深等因素有關(guān)。

2）模型試驗(yàn)顯示，在不考慮埋深的條件下，吸附力系數(shù)暈b隨著不排水抗剪強(qiáng)度的增加而降低，與土體的不排水強(qiáng)度存在近似的指數(shù)關(guān)系。同時可以看到，8鍵基礎(chǔ)的暈b小于平底基礎(chǔ)。在相同的試驗(yàn)條件下，平底基礎(chǔ)底部的吸附力總體高于8鍵基礎(chǔ)，在不排水抗剪強(qiáng)度較小的情況下，表現(xiàn)得更加明顯。

3）吸附力的大小與基礎(chǔ)底面和黏土之間的相互作用密切相關(guān)，可以考慮采用黏土的不排水抗剪強(qiáng)度作為評價基礎(chǔ)底面與黏土之間相互作用的指標(biāo)，即建立暈b與Su之間的關(guān)系來評價吸附力。上述觀點(diǎn)還需要大量的試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。