吸力樁結(jié)構(gòu)貫入過程試驗(yàn)研究*

張愛霞,鄧海峰,王賢斯

(1.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司,北京 100028;2.中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究有限公司,天津 300451;3.中國石油集團(tuán)海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300451;4.中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部,天津 300451)

0 引言

吸力樁廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)電和海上油氣開發(fā)工程中,其結(jié)構(gòu)形式如倒置的圓桶,依靠自身重力及在樁體內(nèi)部抽水形成的負(fù)壓安裝至設(shè)計(jì)入泥深度［1］。貫入阻力和土塞高度是吸力樁安裝過程中需要考慮的兩個(gè)重要參數(shù)。一般情況下,吸力樁內(nèi)部存在豎向或橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)［2］,以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛度,確保貫入過程中樁身結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生屈曲破壞。另一方面,加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的設(shè)置會(huì)對(duì)貫入阻力和土塞高度造成一定影響。

Houlsby等［3-7］開展了無內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁的貫入過程研究,系統(tǒng)地提出了貫入阻力和土塞高度分析方法。

內(nèi)部橫向或豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)會(huì)改變樁身與土的接觸特性、弱化或提高土體強(qiáng)度、改變土體的流動(dòng)形態(tài),進(jìn)而影響貫入阻力和土塞高度。曲延大［8］指出加強(qiáng)結(jié)構(gòu)會(huì)使實(shí)際產(chǎn)生的土塞高度具有不確定性,同時(shí)可能降低或提高貫入阻力。Andersen［6］針對(duì)內(nèi)部單層橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)土塞的影響提出了“通過土體強(qiáng)度和橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)尺寸判定土體流動(dòng)狀態(tài),進(jìn)而確定土塞高度”的分析思路。Jean-Louis C［9］針對(duì)內(nèi)部含多層橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的吸力樁,提出“考慮最下層加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)端阻力的貢獻(xiàn),其余各層均扣除兩倍加強(qiáng)結(jié)構(gòu)寬度的側(cè)壁摩阻力”的方法。Andersen［10］依托多項(xiàng)吸力樁安裝工程數(shù)據(jù),指出目前的多種預(yù)測(cè)方法在考慮內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)貫入阻力和土塞高度影響方面均存在不足,預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際存在較大差異。同時(shí),DNV規(guī)范對(duì)該問題也僅僅提出了參考建議,并未給出具體的做法。

綜上所述,現(xiàn)有研究成果還不足以準(zhǔn)確地評(píng)估內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)貫入過程的影響。本文開展了含豎向和橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁安裝貫入的縮尺物理模型試驗(yàn),探究了內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)貫入阻力和土塞高度的影響［11］,并對(duì)相關(guān)影響機(jī)理進(jìn)行了分析。

1 物理模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

研發(fā)了1套吸力樁貫入模型試驗(yàn)裝置,系統(tǒng)由5部分組成：土樣制備系統(tǒng)、土體強(qiáng)度測(cè)試裝置、吸力樁模型、吸力樁貫入系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量與采集系統(tǒng),模型箱的長、寬、高均為1m,如圖1所示。

圖1 物理模型試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Physical modeling system

貫入過程中,采用拉線位移傳感器、負(fù)壓傳感器、激光位移傳感器分別測(cè)量吸力樁的貫入深度、內(nèi)部負(fù)壓和土塞發(fā)展。拉線位移傳感器通過安裝在模型箱側(cè)壁的夾具加以固定后,再與吸力樁樁頭連接;負(fù)壓傳感器安裝在吸力樁的頂帽上;激光位移傳感器安裝在吸力樁的頂帽上,激光透過有機(jī)玻璃頂帽和樁內(nèi)部的水,可直射在吸力樁內(nèi)部的土體表面,進(jìn)而監(jiān)測(cè)內(nèi)部土體隆起變化。

1.2 試驗(yàn)樁模型

參考典型深水吸力樁的結(jié)構(gòu)尺寸,原型樁長15.5m,直徑6m,壁厚0.035m。吸力樁模型按照1∶25縮尺比例制作,其尺寸為高度0.62m,直徑0.24m,壁厚1mm。模型樁頂帽為有機(jī)玻璃材質(zhì),樁身為金屬材質(zhì)。

設(shè)置2道垂直交叉的豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu),從下至上貫通吸力樁,厚度1mm,寬度10mm。設(shè)置2道橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu),最下層結(jié)構(gòu)距離吸力樁底部20cm,間距20cm,厚度1mm,寬度10mm,如圖2所示。

圖2 吸力樁縮尺模型Fig.2 Scaled model of suction pile

1.3 試驗(yàn)土樣制備

采用渤海灣典型的粉質(zhì)黏土作為試驗(yàn)用土,其物理指標(biāo)如表1所示。

表1 粉質(zhì)黏土的物理參數(shù)Table 1 Parameters of silty clay

對(duì)于試驗(yàn)用土,將土體充分風(fēng)干碾碎過篩后,利用攪拌機(jī)將土體和水混合攪拌30min,將土體制備成飽和泥漿。

在模型箱底部從下至上依次鋪入2cm厚粗砂、1cm厚細(xì)砂和1層土工布,然后加入泥漿,采用塑料膜密封土體和模型箱,然后通過模型箱底部的開孔進(jìn)行真空預(yù)壓固結(jié),歷時(shí)3d后,選取2個(gè)位置采用十字板剪切儀測(cè)試土體強(qiáng)度,結(jié)果如圖3所示。

圖3 土體強(qiáng)度沿深度分布Fig.3 Soil strength profile along depth

1.4 試驗(yàn)方案

吸力樁初始入泥深度10cm,保證良好的密封性以完成負(fù)壓貫入。3種結(jié)構(gòu)形式的吸力樁分別進(jìn)行3次貫入試驗(yàn),每次貫入的平均速率不同,可用于分析貫入速率對(duì)貫入過程的影響(見表2)。

表2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Table 2 Design of test scheme

2 物理模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

1)不同吸力樁結(jié)構(gòu)貫入阻力分析

如圖4所示,3組無內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁貫入試驗(yàn)的平均貫入速率分別為0.18,0.20,0.25cm/s,施加的最大負(fù)壓分別為-49,-53,-64kPa。3組含豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁貫入試驗(yàn)的平均貫入速率分別為0.13,0.14,0.18cm/s,施加的最大負(fù)壓分別為-67,-70,-76kPa。3組含橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁貫入試驗(yàn)的平均貫入速率分別為0.15,0.16,0.18cm/s,施加的最大負(fù)壓分別為-54,-59,-62kPa。

圖4 貫入阻力與貫入深度的關(guān)系Fig.4 The relationship between penetration resistance and depth

每組試驗(yàn)最終貫入深度均為58cm,對(duì)于無加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和含豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的吸力樁,表現(xiàn)出隨著貫入深度的增加,貫入阻力呈線性增加趨勢(shì),且貫入速度越快,貫入阻力越大的規(guī)律,如圖4a,4b所示。含橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁表現(xiàn)出貫入阻力先緩慢線性增加后快速增加的趨勢(shì),如圖4c所示。

另外,由于表層土體的強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了一定的恢復(fù),導(dǎo)致負(fù)壓施加起始階段,貫入深度的增加有些延遲,延遲時(shí)間取決于自重貫入和負(fù)壓貫入的銜接時(shí)間。

整體來看,內(nèi)部的豎向和橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)均會(huì)提高吸力樁的貫入阻力。依據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象和承載力分析理論對(duì)其進(jìn)行分析。

對(duì)于含豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的吸力樁：①吸力樁起拔后,發(fā)現(xiàn)豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與樁側(cè)壁間殘留大量土體,且土與樁側(cè)壁的接觸強(qiáng)度較大,土體變硬。此現(xiàn)象說明,吸力樁貫入過程中,豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與樁側(cè)壁對(duì)其間土體產(chǎn)生了擠密壓實(shí)作用,提高了該部分土體強(qiáng)度,表現(xiàn)為貫入阻力增加,如圖5所示。②豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的存在,增加了樁側(cè)壁與土體的接觸面積,直接導(dǎo)致貫入阻力的增加。

圖5 加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與樁側(cè)壁間的殘留土體Fig.5 Residual soil between stiffeners and the wall of suction pile

對(duì)于含橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁：①吸力樁起拔后,發(fā)現(xiàn)橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與樁側(cè)壁間殘留大量土體,且土體變軟,殘留土體厚度與加強(qiáng)結(jié)構(gòu)寬度基本一致,且在貫入結(jié)束后,表層土體與樁側(cè)壁出現(xiàn)嚴(yán)重脫離。此現(xiàn)象說明,在貫入過程中,當(dāng)土體通過底部第1層橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí),土體與樁側(cè)壁發(fā)生脫離,土體短暫自立。隨著貫入深度的增加,土體自立高度達(dá)到某一極值時(shí),又會(huì)與樁側(cè)壁再次接觸。當(dāng)通過頂部橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí),重復(fù)上述現(xiàn)象,導(dǎo)致貫入阻力減小,如圖6所示;②橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)增加了樁端部承載面積,導(dǎo)致貫入阻力增加。

圖6 不同吸力樁結(jié)構(gòu)貫入阻力對(duì)比分析Fig.6 Comparison analysis of penetration resistance for different suction pile structures

2)不同吸力樁結(jié)構(gòu)貫入阻力對(duì)比分析

由圖6a所示,在貫入速率為0.18cm/s情況下,與無內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁相比,豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)會(huì)顯著增加貫入阻力,且隨著貫入深度的增加,這種增強(qiáng)效應(yīng)越明顯,后者的貫入阻力約為前者的1.5倍。貫入阻力的增加,一部分源于豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的存在增加了樁側(cè)壁與土的接觸面積,直接導(dǎo)致側(cè)摩阻力增加,另外一部分源于貫入過程中豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)與樁側(cè)壁間存在殘留土體,且由于存在擠壓作用,使該部分土體強(qiáng)度增加,間接導(dǎo)致土體與樁身的接觸阻力增加。

如圖6b所示,在貫入速率為0.18cm/s情況下,與無內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁相比,橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)會(huì)顯著增加貫入阻力,且隨著貫入深度的增加,這種增強(qiáng)效應(yīng)越明顯,貫入結(jié)束時(shí),后者的貫入阻力約為前者的1.4倍。貫入阻力的增加,主要由于橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)增加了端部接觸面積,直接導(dǎo)致端阻力的增加。當(dāng)土體通過第1層橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí),貫入阻力快速增加,此時(shí)端阻力占主導(dǎo)作用,側(cè)摩阻力次之,貫入阻力和深度曲線中出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)。隨著貫入深度的增加,側(cè)摩阻力逐步提高并占主導(dǎo)作用,而端阻力次之,當(dāng)土體通過第2層橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí),側(cè)摩阻力處于較大值,此時(shí)的端阻力仍占很小部分,因此貫入阻力與深度曲線無明顯變化。

由圖6c所示,在貫入速率為0.18cm/s情況下,初始貫入時(shí),與含豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁相比,含橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁的貫入阻力明顯偏小。隨著貫入深度的增加,當(dāng)?shù)撞康?層橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)通過土體時(shí),貫入阻力快速增加。當(dāng)貫入深度達(dá)到40cm時(shí)(此時(shí)頂部橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)尚未與土接觸),二者貫入阻力接近,直至貫入結(jié)束,貫入阻力基本相同。由此看出,在含2層橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)條件下,其貫入阻力已與含豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁相當(dāng)。據(jù)此進(jìn)一步推斷,橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)貫入阻力的影響要大于豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu),在實(shí)際工程中,要充分合理地考慮橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)貫入阻力的增強(qiáng)效應(yīng)。

2.2 土塞高度分析

貫入速率0.18cm/s條件下吸力樁頂板距樁內(nèi)土體高度與貫入時(shí)間的關(guān)系如圖7所示,可以看出：①無內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁內(nèi)部土塞發(fā)展最慢,含橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁的土塞發(fā)展最快;②3種吸力樁結(jié)構(gòu)的土塞發(fā)展規(guī)律基本一致,即貫入初期,土塞發(fā)展較慢,吸力樁貫入一半后,土塞發(fā)展速度變快。

圖7 吸力樁頂板到樁內(nèi)土體距離與時(shí)間的關(guān)系Fig.7 The relationship between the distance from roof of suction pile to soil surface in the pile and time

每次試驗(yàn)結(jié)束后,測(cè)量吸力樁最終貫入位移D,樁頂板與樁內(nèi)土體距離R,已知吸力樁長度L,則土塞高度d=L-D-R,土塞高度如表3所示,由表3可以看出：①含豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁的土塞稍大,相關(guān)文獻(xiàn)提出土塞高度取決于吸力樁側(cè)壁置換的土體體積,DNV規(guī)范指出“自重貫入期間,吸力樁側(cè)壁置換土體的一半形成土塞,負(fù)壓貫入時(shí),吸力樁側(cè)壁置換的土體全部形成土塞”,基于此理論假設(shè),豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)會(huì)增加土體置換的體積,使土塞高度增加。②含橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁內(nèi)部土塞高度最大。由于橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)使土體與樁內(nèi)壁發(fā)脫離,導(dǎo)致土塞高度增加。

表3 不同吸力樁結(jié)構(gòu)土塞高度Table 3 Soil plug height for different suction pile structures

2.3 起拔現(xiàn)象

吸力樁拔出后一般可重復(fù)使用,為此,貫入結(jié)束后,向吸力樁內(nèi)施加氣壓進(jìn)行起拔,當(dāng)樁端泄氣時(shí),停止施壓,據(jù)此判斷內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)起拔的影響。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)樁端泄氣時(shí),3組含豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的吸力樁樁端與泥面距離在2～3cm,人力可輕松拔出;3組無內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的吸力樁樁端與泥面距離在5～8cm,需左右晃動(dòng)后較費(fèi)力拔出;3組含橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的吸力樁樁端與泥面距離在17～22cm,晃動(dòng)和起拔難度非常大,只能利用吊機(jī)完成全部起拔。

因此,若把吸力樁作為臨時(shí)基礎(chǔ)并有重復(fù)利用需求,設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮起拔的難易程度,同時(shí)若考慮增強(qiáng)樁身結(jié)構(gòu)剛度,基于試驗(yàn)現(xiàn)象,推薦在吸力樁內(nèi)部布置豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu),以提高起拔過程中吸力樁與土間的密封性,進(jìn)而更利于起拔。

3 結(jié)語

1)對(duì)于有或無內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的吸力樁,貫入阻力均隨貫入深度的增加而增大,且貫入速率越快,貫入阻力越大。對(duì)于無內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和含內(nèi)部豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的吸力樁,貫入阻力與貫入深度基本呈線性關(guān)系;而對(duì)于含橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的吸力樁,當(dāng)土體穿過底部第1層加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí),貫入阻力明顯增加,貫入阻力和貫入深度曲線上存在明顯的拐點(diǎn),而當(dāng)土體穿過上部剩余加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí),由于側(cè)壁貫入阻力占主導(dǎo)地位,雖然加強(qiáng)結(jié)構(gòu)在一定程度上提高了貫入阻力,但此后的貫入阻力和貫入深度基本呈線性關(guān)系。

2)豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)增加了吸力樁側(cè)壁與土的接觸面積,且在貫入過程中該結(jié)構(gòu)對(duì)樁內(nèi)側(cè)壁的土有擠壓作用,導(dǎo)致貫入阻力增加。與無加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的吸力樁相比,文中的含豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁的貫入阻力約為前者的1.5倍,且貫入深度越大,這種增強(qiáng)效應(yīng)越明顯。

3)橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)增加了樁端面積,直接增加了貫入阻力,但對(duì)土體也會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng),且會(huì)降低樁內(nèi)側(cè)壁與土體的接觸面積,進(jìn)而減小貫入阻力,總體來看,樁端阻力增加量占主導(dǎo)地位。與無加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的吸力樁相比,文中的含橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁的貫入阻力約為前者的1.4倍,且當(dāng)土體穿過底部第1層加強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí),貫入阻力的增加最為明顯。

4)含橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁的土塞高度最大、含豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁次之,無內(nèi)部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)吸力樁最小。且全部吸力樁的土塞發(fā)展規(guī)律均表現(xiàn)出為貫入初期,土塞發(fā)展速率較慢,貫入深度達(dá)到一半后,土塞發(fā)展速率加快。

5)在吸力樁內(nèi)部布置豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)更有利于起拔以完成重復(fù)使用,布置橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)會(huì)降低樁身與土之間的密封性,不利于起拔。若有重復(fù)利用需求,推薦在吸力樁內(nèi)布置豎向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。