海洋吸力式沉箱基礎(chǔ)失穩(wěn)破壞模式試驗(yàn)研究

山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061

與陸地資源開(kāi)發(fā)不同，海洋環(huán)境和地質(zhì)條件較復(fù)雜，海洋資源開(kāi)發(fā)首先必須克服海洋環(huán)境（海水、海浪、海流、風(fēng)暴、軟弱基礎(chǔ)等）對(duì)工程實(shí)踐帶來(lái)的各種潛在影響。海洋環(huán)境與地質(zhì)條件的復(fù)雜性增加了海上工程的建設(shè)難度和投資風(fēng)險(xiǎn)，于是吸力式沉箱基礎(chǔ)作為一種新的基礎(chǔ)形式應(yīng)運(yùn)而生，其具有施工工期短、節(jié)省原材料、造價(jià)低、運(yùn)輸安裝方便、可重復(fù)使用、適用軟弱土質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，在海洋工程中有著廣闊的應(yīng)用空間。

海洋資源開(kāi)采平臺(tái)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不僅要承受其上部結(jié)構(gòu)的巨大自重與工作荷載帶來(lái)的長(zhǎng)期作用，還要受到臺(tái)風(fēng)、颶風(fēng)、波浪、洋流、冰川、潮汐等的強(qiáng)烈影響，若其承載性能不足將直接導(dǎo)致海洋建筑物整體坍塌、失穩(wěn)破壞。為此，文章利用液化地層海洋沉箱結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)裝置，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，分別研究了水平荷載和豎向荷載作用下的沉箱基礎(chǔ)地基破壞模式，為確保海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

對(duì)吸力式沉箱基礎(chǔ)承載特性的研究一般采用室內(nèi)模型試驗(yàn)、離心機(jī)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方式。其中，室內(nèi)模型試驗(yàn)是按照真實(shí)的構(gòu)件，依據(jù)比例、材料、尺寸、荷載相似的要求做成比較小的構(gòu)件來(lái)代替大型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的一種試驗(yàn)方式，具有成本相對(duì)較低、針對(duì)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、加載次數(shù)多、可反復(fù)觀(guān)察等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)則受環(huán)境條件限制大、加載次數(shù)少，不能進(jìn)行較完整的數(shù)據(jù)分析。因此，室內(nèi)模型試驗(yàn)是目前較為常用的試驗(yàn)方式。

1.1 黏土樣制備

制備飽和黏土所采用的裝置為真空抽吸法飽和黏土制樣裝置。該制樣裝置為雙層筒體結(jié)構(gòu)，由外壁、與外壁為一體結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁和密封蓋組成。與以往制備飽和黏土的泥漿加壓固結(jié)法相比較，該制樣裝置結(jié)構(gòu)較為輕巧，操作方便，單人即可完成制樣工作；抽吸效果好，制樣效率高，可極大地縮短制樣時(shí)間，重復(fù)利用度高；并且所制備試樣有較好的均勻性，飽和度高。制成飽和黏土樣后，試驗(yàn)土樣基本物理力學(xué)指標(biāo)采用室內(nèi)土工試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)量，采用烘干法測(cè)定重塑土樣不同位置處的平均含水率，以確保該試驗(yàn)土體的最優(yōu)含水率。

1.2 試驗(yàn)裝置

模型試驗(yàn)主要研究吸力式沉箱基礎(chǔ)地基在水平荷載和豎向荷載作用下的破壞模式，試驗(yàn)主要分為兩部分：吸力式沉箱基礎(chǔ)的水平荷載模型試驗(yàn)和豎向荷載模型試驗(yàn)。

試驗(yàn)所采用的設(shè)備為自行研制的小型模型試驗(yàn)裝置（見(jiàn)圖1），其中模型槽是尺寸為800mm×800mm×800mm的鋼制箱，為方便制備和養(yǎng)護(hù)土體，模型槽上部無(wú)蓋，該模型槽對(duì)加載時(shí)土體的側(cè)向變形可以起到很好的約束作用。為有效避免在模型槽四周設(shè)置排水邊界會(huì)造成槽內(nèi)四周土體強(qiáng)度過(guò)大的問(wèn)題，需在模型槽底部對(duì)稱(chēng)設(shè)置排水孔，以保證同一深度處試驗(yàn)土體強(qiáng)度的均勻性。

圖1 液化地層的吸力式沉箱結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)裝置

實(shí)際工程中海洋沉箱基礎(chǔ)的制作材料為鋼材，與土體相比，其軸向剛度較大。為保證試驗(yàn)準(zhǔn)確性，海洋沉箱基礎(chǔ)模型為鋼材加工而成的頂端封閉的桶形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)外壁光滑，下部敞開(kāi)，桶蓋部位預(yù)留有抽水孔，用來(lái)排出空氣和水。海洋沉箱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)直徑為200mm、壁厚5mm、桶高200mm。

該設(shè)備能夠模擬水平荷載、豎向荷載、扭剪荷載單獨(dú)作用和共同作用下的海洋沉箱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與土的相互作用機(jī)理，通過(guò)液壓控制系統(tǒng)來(lái)控制施加荷載的大小，在吸力式沉箱基礎(chǔ)頂部施加水平荷載、豎向荷載、扭剪荷載，該加載方式在試驗(yàn)過(guò)程中更容易保持荷載的穩(wěn)定性。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)是否準(zhǔn)確有序進(jìn)行對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性具有很大影響，海洋吸力式沉箱基礎(chǔ)模型試驗(yàn)過(guò)程如下：

（1）在模型槽中填充預(yù)置的飽和黏土可按照分層填土、鋪平、整體震動(dòng)夯實(shí)等步驟來(lái)實(shí)施，為保證每層土都具有良好的均勻性，需要控制每次填土的質(zhì)量及夯實(shí)后的厚度。

（2）將海洋沉箱基礎(chǔ)模型放置于模型槽中，先讓其在自身重應(yīng)力的作用下不斷沉降，待其穩(wěn)定后，再通過(guò)負(fù)壓方式將海洋沉箱基礎(chǔ)模型壓入飽和黏土中。

（3）試驗(yàn)加載方式通過(guò)液壓加載系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)荷載控制，從桶軸線(xiàn)頂部開(kāi)始，逐級(jí)施加旋轉(zhuǎn)荷載，并且每一級(jí)加載的荷載大小要控制在沉箱基礎(chǔ)極限承載力的10%左右。每次加載后，待基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形量完全穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，該級(jí)荷載作用下的位移數(shù)據(jù)取值為位移量隨時(shí)間變化逐漸穩(wěn)定后的結(jié)果，并對(duì)每級(jí)荷載作用下的土壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。當(dāng)被測(cè)點(diǎn)位移超過(guò)10mm或者模型整體失穩(wěn)時(shí)，認(rèn)為該沉箱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)達(dá)到破壞模式，此時(shí)試驗(yàn)終止。沉箱結(jié)構(gòu)荷載施加過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 沉箱結(jié)構(gòu)荷載施加過(guò)程

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水平荷載作用下的吸力式沉箱基礎(chǔ)地基破壞模式

試驗(yàn)所得到的水平荷載作用下的地基破壞模式見(jiàn)圖3。由圖3可知，吸力式海洋沉箱基礎(chǔ)在水平動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生傾斜，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁后側(cè)與海床土分離，且頂部分離孔隙較大；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁前側(cè)擠壓海床土使土體產(chǎn)生隆起；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁海床土隨著基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)生位移變化，但整體型式未改變。

圖3 試驗(yàn)所得到的水平荷載作用下的地基破壞模式

產(chǎn)生該種破壞模式的原因主要有以下兩點(diǎn)：（1）與土壓力分析進(jìn)行比較，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁土壓力從頂部至底部變化趨勢(shì)基本一致。海洋沉箱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平位移時(shí)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)海床土整體型式未改變，只是在底部與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)銜接處產(chǎn)生較大土壓力。（2）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁頂部后側(cè)土壓力趨于0，這是由于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁后側(cè)與海床土分離，土壓力消散所致。

2.2 豎向荷載作用下的吸力式沉箱基礎(chǔ)地基破壞模式

試驗(yàn)所得到的豎向荷載作用下的地基破壞模式見(jiàn)圖4。由圖4可知，吸力式海洋沉箱基礎(chǔ)在豎向動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生剪切變形，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁頂部與海洋土分離產(chǎn)生裂縫且裂縫較大；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁底部擠壓海洋土使基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)兩側(cè)土體產(chǎn)生隆起；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁海床土隨著沉箱基礎(chǔ)發(fā)生位移變化，但整體型式未改變。

圖4 試驗(yàn)所得到的豎向荷載作用下的地基破壞模式

產(chǎn)生該種破壞模式的原因主要有以下兩點(diǎn)：（1）與土壓力分析進(jìn)行比較，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁土壓力從頂部至底部變化趨勢(shì)基本一致。這是由于海洋沉箱基礎(chǔ)產(chǎn)生豎向位移時(shí)，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)海洋土整體型式未改變，只是在底部與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)銜接處產(chǎn)生較大土壓力。（2）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁土壓力頂部與底部相比較小，這是由于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁頂部與海床土分離，土壓力消散所致。

3 結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，文章針對(duì)水平荷載和豎向荷載作用下的沉箱基礎(chǔ)地基破壞模式開(kāi)展了試驗(yàn)研究，得到了以下結(jié)論：

（1）海洋沉箱基礎(chǔ)在水平荷載作用下產(chǎn)生傾斜破壞，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁后側(cè)與海床土分離，且頂部分離孔隙較大，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁前側(cè)擠壓海床土致使土體產(chǎn)生隆起。

（2）海洋沉箱基礎(chǔ)在豎向荷載作用下產(chǎn)生剪切變形，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁頂部與海床土分離產(chǎn)生裂縫且裂縫較大，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁底部擠壓海床土致使基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)兩側(cè)土體產(chǎn)生隆起。

（3）海洋沉箱基礎(chǔ)在水平荷載或豎向荷載作用下，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁海床土隨著沉箱基礎(chǔ)發(fā)生位移變化，但整體型式未改變。