代加林,張 煒,羅侖博,朱 斌
(1. 中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司,北京 100038;2. 浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310058)
桶形基礎(chǔ)已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于海洋油氣平臺(tái)、海上風(fēng)機(jī)、輸電塔、防波堤等海洋工程中。海洋油氣平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)受到風(fēng)、波浪、風(fēng)暴潮等環(huán)境荷載作用,并通過(guò)錨索傳遞到桶形基礎(chǔ),桶形基礎(chǔ)主要承受上拔荷載作用;應(yīng)用于沿海或近海的輸電塔、海洋風(fēng)機(jī)中多腿結(jié)構(gòu)的桶形基礎(chǔ)(單腿單桶、單腿群桶),迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)腿分別承受上拔和下壓的作用[1-2];而應(yīng)用于防波堤的桶形基礎(chǔ)承受施工荷載、工后上覆荷載及自重荷載等,其抗壓承載力極其重要。以上構(gòu)筑物服役期間,桶形基礎(chǔ)會(huì)承受循環(huán)荷載作用,因此其循環(huán)豎向受荷特性研究十分必要。
針對(duì)桶形基礎(chǔ)豎向循環(huán)受荷問(wèn)題,Andersen等[3]在軟黏土中開(kāi)展了力控制的2×2群桶循環(huán)上拔大比尺模型試驗(yàn),并通過(guò)假定等效橫斷面模型,提出極限平衡和數(shù)值方法分析了群桶的上拔循環(huán)承載力特點(diǎn)。龐然[4]通過(guò)開(kāi)展1g模型試驗(yàn)并結(jié)合擬靜力方法,分析了桶形基礎(chǔ)在小幅值豎向循環(huán)荷載作用下地基承載力與循環(huán)荷載的關(guān)系。Chen和Randolph[5]開(kāi)展了軟黏土地基中荷載控制單桶基礎(chǔ)豎向循環(huán)加載離心模型試驗(yàn),將桶位移開(kāi)始明顯增加時(shí)的臨界荷載定義為豎向承載力,發(fā)現(xiàn)循環(huán)受荷承載力為單調(diào)加載的72%~86%。Wallace和Rutherford[6]在軟土地基中開(kāi)展了位移控制的單桶小比尺豎向循環(huán)加載試驗(yàn),試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)循環(huán)幅值在地基土彈性范圍內(nèi),上拔荷載無(wú)衰減,對(duì)于長(zhǎng)徑比為1的桶形基礎(chǔ),當(dāng)循環(huán)位移幅值大于0.25%倍桶徑時(shí),上拔荷載才會(huì)有明顯衰減。
目前,已有工作多針對(duì)單桶開(kāi)展研究,且循環(huán)加載一般為小幅值或低荷載循環(huán)加載,對(duì)群桶基礎(chǔ)大多為數(shù)值研究,群桶循環(huán)豎向受荷試驗(yàn)研究非常少。土工離心機(jī)具有縮時(shí)和縮尺作用,可有效模擬土工構(gòu)筑物真實(shí)受荷狀態(tài),為研究桶形基礎(chǔ)豎向循環(huán)受荷特性,文中利用ZJU-400土工離心機(jī)[7],在軟黏土地基中開(kāi)展了大幅值位移控制的桶形基礎(chǔ)循環(huán)上拔和下壓超重力離心模型試驗(yàn)。分析了單向上拔、雙向上拔和下壓循環(huán)荷載作用下桶形基礎(chǔ)破壞模式、承載力弱化規(guī)律以及群桶效應(yīng)對(duì)承載力影響,給出了循環(huán)荷載作用下桶形基礎(chǔ)殘余承載力,對(duì)工程中不同荷載工況下群桶基礎(chǔ)承載力設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。
開(kāi)展原型桶桶徑為4.0 m的單桶和群桶循環(huán)加載離心模型試驗(yàn),桶基為剛性基礎(chǔ),因此只要選擇剛度較大材料,保證尺寸相似即可,模型桶采用鋁合金6061實(shí)心管加工而成,試驗(yàn)中吸力桶桶徑與桶裙長(zhǎng)度比均為1∶1,模型桶設(shè)計(jì)尺寸及對(duì)應(yīng)原型桶尺寸詳見(jiàn)表1,根據(jù)相似性原理,設(shè)計(jì)離心加速度值為40g。
表1 模型桶參數(shù)Tab. 1 Parameters of the model caisson
圖1為2×2型式小間距群桶實(shí)物照片和截面圖,連接桿上部與豎向加載裝置通過(guò)活動(dòng)連接相連,活動(dòng)連接可活動(dòng)范圍為0.03 m。活動(dòng)連接實(shí)現(xiàn)了加載油缸的連接桿與桶形基礎(chǔ)的連接桿暫時(shí)脫開(kāi),可保證桶形基礎(chǔ)在超重力環(huán)境中隨軟黏土地基同時(shí)沉降,并最終達(dá)到沉降穩(wěn)定,最大程度減少擾動(dòng),與現(xiàn)場(chǎng)工后狀況保持一致,單桶基礎(chǔ)此處不再贅述。
圖1 群桶模型Fig. 1 Caissons group model
試驗(yàn)用模型箱如圖2所示,模型箱內(nèi)部空間尺寸為1.2 m×0.95 m×1 m(長(zhǎng)×寬×高),其底板厚度為0.08 m。模型箱長(zhǎng)寬分別為12.0D和9.5D,邊界影響可以忽略。
圖2 模型箱Fig. 2 Model box
離心模型試驗(yàn)所用軟黏土為馬來(lái)西亞白色高嶺土[8-9]。軟黏土地基制備流程為:在真空攪拌機(jī)中制備兩倍液限飽和泥漿,利用大型固結(jié)儀在1g下對(duì)模型箱中泥漿進(jìn)行初始預(yù)壓固結(jié);采用落雨法在預(yù)壓固結(jié)后的地基土上澆筑密實(shí)度為60%、厚度為0.11 m的福建標(biāo)準(zhǔn)砂(100g下的超載為100 kPa),將模型箱吊至離心機(jī),并在100g下固結(jié)。地基土固結(jié)完成后,停機(jī)安裝試驗(yàn)裝置,在40g下開(kāi)展強(qiáng)度測(cè)試及桶形基礎(chǔ)加載試驗(yàn)。試驗(yàn)所用馬來(lái)西亞高嶺土物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。
表2 馬來(lái)西亞高嶺土物理力學(xué)參數(shù)Tab. 2 Physical and mechanical parameters of Malaysian kaolin
軟黏土地基不排水抗剪強(qiáng)度通過(guò)T-bar[10]貫入試驗(yàn)得到,T-bar貫入速率為0.01 m/s,其無(wú)量綱貫入速率為40,為不排水貫入[11]。T-bar兩次測(cè)試得到軟土地基不排水抗剪強(qiáng)度如圖3所示,40g下地基土強(qiáng)度取均值為su=2.93+2.75z,其中z為貫入深度。實(shí)際工程中在軟黏土地基中安裝桶形基礎(chǔ)施工存在泥面清淤情況,使桶底地基土成為超固結(jié)土,文中地基土對(duì)該種情況具有一定代表性。
圖3 軟黏土地基不排水抗剪強(qiáng)度Fig. 3 Undrained shear strength of the soft clay
離心模型試驗(yàn)布置如圖4所示,軸力計(jì)位于伺服油缸與活動(dòng)連接之間,用于測(cè)量加載過(guò)程中豎向荷載。由于空間限制,通過(guò)貼在鋁合金薄板上的激光計(jì)反光片測(cè)量桶頂位移。
圖4 試驗(yàn)布置Fig. 4 Layout of the model test
桶形基礎(chǔ)在1g下利用加載油缸壓貫安裝,初始埋深為D(桶裙內(nèi)側(cè)高度),即桶頂內(nèi)部與泥面齊平,群桶桶頂剛性板距離泥面0.1D(桶頂蓋厚度)。隨后將模型箱吊至離心機(jī)吊籃,啟動(dòng)土工離心機(jī),待桶形基礎(chǔ)沉降穩(wěn)定后,進(jìn)行循環(huán)加載。循環(huán)加載試驗(yàn)共3組,其中兩組為上拔循環(huán),一組為下壓循環(huán)。當(dāng)無(wú)量綱加載速率vD/cv>30時(shí)為不排水加載,vD/cv<0.01時(shí)為完全排水加載,處于二者之間為部分排水加載[11],其中v為加載速率,D為桶徑,cv為地基土固結(jié)系數(shù)。試驗(yàn)中加載速率為v=0.002 m/s,D與cv大小分別見(jiàn)表1和表2,計(jì)算得到無(wú)量綱加載速率vD/cv為158,為不排水加載。對(duì)于上拔加載的兩組,其中一組通過(guò)控制伺服油缸,實(shí)現(xiàn)連接桿處活動(dòng)連接脫開(kāi),吸力桶自重下沉(試驗(yàn)編號(hào)SC-u),模擬現(xiàn)場(chǎng)多腿基礎(chǔ)單向受荷工況;另一組為伺服油缸加載下壓(試驗(yàn)編號(hào)TC-u),模擬現(xiàn)場(chǎng)多腿基礎(chǔ)雙向受荷工況。群桶循環(huán)下壓試驗(yàn)編號(hào)為T(mén)C-p,其它加載參數(shù)如表3所示。
表3 循環(huán)加載試驗(yàn)方案Tab. 3 Cyclic loading test scheme
圖5為單桶和群桶基礎(chǔ)循環(huán)上拔破壞機(jī)制。可以看出群桶破壞機(jī)制和單桶一致,桶周有明顯的圓弧形裂隙,均屬于Deng和Carter[12]提出的第三種不排水整體破壞模式,也與Andersen等[3]開(kāi)展的現(xiàn)場(chǎng)上拔試驗(yàn)破壞模式一致。桶周土產(chǎn)生明顯的裂隙,二者不同之處在于,單桶基礎(chǔ)較為明顯的裂隙與桶中心代表性距離在1.0D左右,距離桶壁在0.5D左右,群桶基礎(chǔ)二者距離分別在2.2D和1.0D左右。群桶桶周地基土裂隙距桶壁更遠(yuǎn),表明存在群桶效應(yīng)使地基整體破壞范圍更大,根據(jù)Andersen等[3]等效橫斷面分析方法,試驗(yàn)中2×2群桶基礎(chǔ)與桶徑為2.2D的單桶基礎(chǔ)破壞范圍接近,因此其破壞機(jī)制可按等效桶徑為2.2D單桶基礎(chǔ)進(jìn)行分析,為群桶形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程中承載力計(jì)算提供新思路。
圖5 循環(huán)上拔破壞機(jī)制Fig. 5 Failure mechanisms under cyclic uplift loading
圖6為群桶基礎(chǔ)循環(huán)下壓破壞機(jī)制。與上拔試驗(yàn)相比,徑向圓弧形裂紋范圍距離桶中心3.2D左右,距離明顯擴(kuò)大。由于擠壓作用,下壓循環(huán)地基土呈現(xiàn)出一種由近及遠(yuǎn)的漸進(jìn)式整體破壞模式,桶周附近土體在循環(huán)加載過(guò)程中被逐漸推開(kāi),導(dǎo)致循環(huán)結(jié)束后距離桶壁1.0D范圍內(nèi)地基土高度明顯低于未擾動(dòng)區(qū)域,使桶形基礎(chǔ)埋深減小。
圖6 群桶基礎(chǔ)下壓破壞機(jī)制Fig. 6 Failure mechanisms under cyclic push loading
循環(huán)加載中每次循環(huán)吸力桶上拔最大高度至初始位置以上0.30D,隨后加載油缸和吸力桶連接桿脫開(kāi),下沉階段未施加額外壓載,桶形基礎(chǔ)在自重作用下自由下沉,這一循環(huán)加載設(shè)計(jì)是為了模擬單向循環(huán)風(fēng)荷載作用下多腿結(jié)構(gòu)迎風(fēng)側(cè)桶基受荷情況。單桶和群桶基礎(chǔ)單調(diào)加載試驗(yàn)結(jié)果與已有研究結(jié)果對(duì)比見(jiàn)Zhu等[13]和代加林[14]研究,驗(yàn)證了試驗(yàn)方法的可靠性,文中對(duì)上拔荷載循環(huán)弱化特征進(jìn)行了分析。圖7為單桶循環(huán)上拔荷載時(shí)間歷程曲線,循環(huán)加載速率為0.002 m/s,待加載油缸與桶接觸后,即開(kāi)始上拔,兩次上拔下沉階段時(shí)間為最大加載高度與最小加載高度的差值除以加載速率,由于自重作用下無(wú)法至初始位置,下沉?xí)r間在10~15 s。
圖7 單桶循環(huán)上拔(SC-u)荷載時(shí)間歷程曲線Fig. 7 Load-time history curve of test SC-u
圖8(a)為荷載弱化系數(shù)隨桶形基礎(chǔ)上拔距離的變化,荷載弱化系數(shù)定義為各次上拔荷載與首次上拔荷載的比值,wc為桶形基礎(chǔ)位移,在上拔過(guò)程代表上拔距離,下壓過(guò)程為下壓距離,圖中無(wú)量綱處理為wc/D,虛線為第一次加載,大小為恒定值1??梢钥吹?,隨著加載次數(shù)增加,弱化越明顯,上拔荷載與首次上拔荷載比值越來(lái)越小。圖8(b)為峰值荷載弱化系數(shù)fp和屈服荷載弱化系數(shù)fy隨加載次數(shù)變化,其中峰值荷載為圖8(a)中上拔至最高位置處的最大值;屈服荷載利用Mansur和Kaufman[15]給出的“切線分段法”確定。峰值荷載弱化系數(shù)對(duì)應(yīng)構(gòu)筑物在極限循環(huán)荷載作用下,可承受最大荷載弱化;屈服弱化系數(shù)代表位移開(kāi)始顯著增加時(shí)對(duì)應(yīng)的屈服荷載的弱化。從圖8中可以看出首次加載后的第二次循環(huán)上拔荷載峰值下降最明顯,其大小為15%左右,隨后每次循環(huán)中,上拔荷載峰值下降比較一致,大約為2%,基本呈現(xiàn)為線性弱化規(guī)律。這是因?yàn)榇搜h(huán)加載模擬單向加載,上拔后自重作用下自由下落,無(wú)外力下壓,前幾次循環(huán)加載界面卸載剛度顯著高于后續(xù)循環(huán)加載,因此前幾次循環(huán)卸載過(guò)程中,桶形基礎(chǔ)在自重作用下難以恢復(fù)至初始位置,卸載過(guò)程對(duì)土體擾動(dòng)較小,后續(xù)單次加載對(duì)軟黏土地基擾動(dòng)較小,也比較均勻,這也是后續(xù)2~5次桶形基礎(chǔ)不能恢復(fù)到初始高度的原因。屈服強(qiáng)度循環(huán)弱化規(guī)律和峰值強(qiáng)度循環(huán)弱化規(guī)律基本一致,屈服強(qiáng)度弱化系數(shù)殘余穩(wěn)定值在0.31左右。考慮到試驗(yàn)用馬來(lái)西亞高嶺土靈敏度為3.5左右[9],因此桶形基礎(chǔ)殘余屈服強(qiáng)度與初始屈服強(qiáng)度比值近似等于軟黏土靈敏度倒數(shù)。
圖8 單桶循環(huán)上拔試驗(yàn)(SC-u)荷載弱化系數(shù)Fig. 8 Load weakening coefficients of test SC-u
群桶循環(huán)上拔試驗(yàn)(TC-u)循環(huán)加載幅值為0.40D,下壓過(guò)程由加載油缸將群桶基礎(chǔ)壓至初始位置。由于存在壓載過(guò)程,這一循環(huán)加載設(shè)計(jì)是雙向循環(huán)荷載,模擬波浪、潮汐等往復(fù)循環(huán)荷載,此時(shí)多腿結(jié)構(gòu)桶基礎(chǔ)會(huì)受到循環(huán)拉壓荷載。圖9為群桶循環(huán)上拔荷載時(shí)間歷程曲線,循環(huán)加載速率為0.002 m/s,下壓時(shí)間20 s左右。
圖9 群桶循環(huán)上拔(TC-u)荷載時(shí)間歷程曲線Fig. 9 Load-time history curve of test TC-u
圖10(a)為群桶雙向循環(huán)上拔荷載弱化系數(shù)變化,和圖8(a)中單向循環(huán)相比,雙向循環(huán)前幾次加載上拔荷載弱化曲線更分散,隨后迅速變密集,說(shuō)明弱化集中在前幾次加載。圖10(b)為荷載峰值和屈服荷載循環(huán)弱化情況,其變化趨勢(shì)和圖8(b)變化形式有明顯不同,可更直觀看到弱化集中在前5次加載。造成這一區(qū)別的原因?yàn)椋涸囼?yàn)在每次上拔后,利用油缸壓載至初始位置,而非自由沉降,壓載引起擾動(dòng)破壞明顯(圖6),上拔荷載下降明顯??梢钥吹诫p向加載屈服強(qiáng)度弱化系數(shù)殘余穩(wěn)定值為0.32左右,表明不同環(huán)境荷載引起的單向和雙向循環(huán)受荷屈服強(qiáng)度基本一致,只是達(dá)到殘余強(qiáng)度需要的循環(huán)次數(shù)有明顯差別。
圖10 群桶循環(huán)上拔試驗(yàn)(TC-u)荷載弱化系數(shù)Fig. 10 Load weakening coefficients of test TC-u
循環(huán)下壓中下壓最大位置為泥面以下0.35D,上拔最大位置為泥面以上0.30D。圖11為循環(huán)下壓荷載時(shí)間歷程曲線,循環(huán)加載速率為0.002 m/s,初次下壓時(shí)間在17 s左右,后續(xù)循環(huán)從最高位置下壓至泥面下0.30D,時(shí)間在32 s左右。
圖11 群桶循環(huán)下壓(TC-p)荷載時(shí)間歷程曲線Fig. 11 Load-time history curve of test TC-p
圖12為群桶循環(huán)下壓荷載隨桶位移變化,圖中V代表下壓循環(huán)荷載,D、H為桶形基礎(chǔ)尺寸參數(shù),詳見(jiàn)表1,su,b為桶底處軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度。從圖12中可以看出,下壓荷載下降主要發(fā)生在前兩次加載,首次加載基礎(chǔ)開(kāi)始發(fā)生位移,無(wú)量綱壓載V/DHsu,b為21.2左右,隨著下壓距離的增加,下壓荷載逐漸增大。根據(jù)第2部分下壓試驗(yàn)破壞模式分析中的破壞圖(圖6)可以看出,桶周地基土?xí)w破壞向下運(yùn)動(dòng),而剛性承臺(tái)邊緣線與桶基外緣齊平且比地基土泥面高0.1D(桶頂蓋厚度),當(dāng)?shù)鼗料乱?,桶基抗力主要由桶端抗力和桶壁摩擦組成,隨著下壓距離增加,桶端地基土強(qiáng)度也越來(lái)越大,下壓荷載也逐漸增大。
圖12 群桶循環(huán)下壓試驗(yàn)(TC-p)荷載變化Fig. 12 Loading curves of test TC-p
軟土中桶形基礎(chǔ)的抗壓承載力,根據(jù)Vesic和Jones[16]給出的整體剪切破壞太沙基地基承載力公式(基礎(chǔ)底面粗糙),并考慮基底以上側(cè)壁土體的抗剪強(qiáng)度影響后,計(jì)算得到桶形基礎(chǔ)抗壓承載力V/DHsu,b為27.3。API規(guī)范[17]中黏土中桶形基礎(chǔ)抗壓承載力計(jì)算分桶壁摩擦力和桶端抗力兩部分,根據(jù)規(guī)范計(jì)算得到桶形基礎(chǔ)抗壓承載力V/DHsu,b為25.2。試驗(yàn)中首次加載wc/D=0處群桶基礎(chǔ)最大下壓荷載V/DHsu,b為21.2,即使可能存在承載下方土體抗力,試驗(yàn)結(jié)果仍小于Vesic和Jones[16]和API規(guī)范[17]方法計(jì)算結(jié)果,這是由于下壓過(guò)程中存在群桶效應(yīng),使群桶間軟黏土擾動(dòng)更大,強(qiáng)度弱化更嚴(yán)重。
圖13(a)為循環(huán)中各次下壓荷載與初始下壓荷載的比值變化曲線。從圖13中可以看出,抗壓承載力弱化最明顯位置出現(xiàn)在加載一定距離后,試驗(yàn)在wc/D=0.10~0.17范圍,弱化系數(shù)在該范圍后出現(xiàn)增長(zhǎng),這一轉(zhuǎn)折從圖13(a)方框位置同樣可以看到。這是因?yàn)樵囼?yàn)過(guò)程中,桶周土被擠開(kāi),桶周土高度低于初始泥面位置(見(jiàn)圖6),隨著下壓距離增加,桶土接觸范圍開(kāi)始增加,桶土接觸更加緊密,其抗壓承載力增長(zhǎng)明顯。
圖13(b)為下壓荷載峰值處弱化系數(shù)和最小弱化系數(shù)變化。二者變化規(guī)律相似,在初始階段衰減迅速,隨著軟黏土擾動(dòng)度增加衰減速度逐漸降低,4次循環(huán)后變化開(kāi)始減緩,加載15次后峰值荷載弱化系數(shù)約為0.53,最小弱化系數(shù)為0.35左右,該值略大于試驗(yàn)用軟黏土靈敏度倒數(shù)。循環(huán)荷載弱化分析可用于評(píng)估桶形基礎(chǔ)在短期多次遭遇臺(tái)風(fēng)等極端環(huán)境荷載承載力下降程度,對(duì)于工程設(shè)計(jì)而言,利用靈敏度倒數(shù)預(yù)測(cè)抗壓殘余強(qiáng)度略偏保守,是可行的。
圖13 群桶循環(huán)下壓試驗(yàn)(TC-p)荷載弱化系數(shù)Fig. 13 Load weakening coefficients of test TC-p
通過(guò)在軟黏土地基中開(kāi)展單向循環(huán)上拔、雙向循環(huán)上拔和循環(huán)下壓離心模型試驗(yàn),并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析,得到了如下結(jié)論:
1) 循環(huán)上拔試驗(yàn)中桶形基礎(chǔ)破壞機(jī)制均為整體破壞,群桶基礎(chǔ)整體破壞裂隙距桶壁更遠(yuǎn),試驗(yàn)中2×2群桶基礎(chǔ)破壞范圍大小,可按等效為桶徑2.2D的單桶基礎(chǔ)分析;
2) 雙向上拔循環(huán)荷載弱化系數(shù)更早達(dá)到穩(wěn)定值,單向和雙向上拔循環(huán)殘余屈服強(qiáng)度基本一致,二者屈服強(qiáng)度循環(huán)弱化系數(shù)殘余穩(wěn)定值分別為0.31和0.32,接近于軟黏土地基靈敏度倒數(shù)。
3) 循環(huán)下壓加載地基土呈現(xiàn)出由近及遠(yuǎn)的漸進(jìn)式整體破壞模式,擠土作用使加載結(jié)束后桶周地基土明顯低于初始位置,桶形基礎(chǔ)埋深減小,抗壓承載力降低;
4) 群桶效應(yīng)使群桶基礎(chǔ)下壓承載力低于相同數(shù)量單桶承載力之和,下壓荷載循環(huán)弱化系數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的特點(diǎn),最小弱化系數(shù)在0.35左右,其大小亦可用軟黏土地基靈敏度倒數(shù)預(yù)估。