徐光明，顧行文，任國(guó)峰，蔡正銀，黃英豪，茅加峰

(1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029;2.南京土壤儀器廠有限公司，江蘇 南京 210014)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)港口的需求不斷加大，而自然條件優(yōu)越的港址多已被開(kāi)發(fā)，因而不得不在自然條件較為不利的海岸區(qū)段擴(kuò)建老港和建造新港，經(jīng)常需要在深水軟土地基上修筑防波堤。對(duì)于低承載力的深厚軟泥土層地基，修建斜坡式防波堤或重力型直立式防波堤，都必須進(jìn)行地基加固處理，才能提高地基承載力來(lái)保證防波堤的安全穩(wěn)定。為了充分利用天然地基或盡量減少地基處理，近年創(chuàng)新性推出了多種新型結(jié)構(gòu)形式防波堤［1］，大多為自重輕且基礎(chǔ)部分與地基有充分多的接觸面，例如鋼筋混凝土薄壁箱筒型基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)［2］。結(jié)構(gòu)自重輕本身就能降低了對(duì)地基承載力的要求，而基礎(chǔ)部分與地基充分接觸則又可以將上部結(jié)構(gòu)傳遞來(lái)的豎向荷載和側(cè)向荷載分布到更大范圍的地基土體中。天津港南疆東部港區(qū)北圍埝工程和天津港南疆北防波堤延伸工程中就采用了166組箱筒型基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)，每組由上下6個(gè)直徑12 m圓筒、壁厚0.35 m連接成一個(gè)薄壁空間結(jié)構(gòu)，上部2只筒高8.3 m，構(gòu)成擋浪部分，通過(guò)0.5 m厚的蓋板與下部4只倒扣的筒相連接。下筒高9 m，與連接墻一起構(gòu)成基礎(chǔ)部分。當(dāng)基礎(chǔ)完全埋入地基土層時(shí)，下筒內(nèi)外壁及連接墻兩側(cè)與土相接觸的面積與基礎(chǔ)平面積(即蓋板面積)之比值，即接觸面積比，達(dá)到5.0。箱筒型基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)為陸地預(yù)制，浮運(yùn)至指定位置，采用負(fù)壓下沉工法安裝就位。由于所貫入的土層為淤泥和淤泥質(zhì)粘土，其不排水強(qiáng)度較低，均值約15 kPa，施工未遭遇大的困難。當(dāng)基礎(chǔ)下沉就位后，蓋板上所有通氣孔被密封，筒內(nèi)土體與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)側(cè)壁在相對(duì)位移時(shí)將受到真空吸力作用，功效如同負(fù)壓吸力桶基礎(chǔ)［2］。

在某港區(qū)的新防波堤工程中，因其地基含有深厚軟粘土層，計(jì)劃采用一種類(lèi)似箱筒型基礎(chǔ)但又不完全相同的新穎防波堤結(jié)構(gòu)，即鋼筋混凝土橢圓形桶式基礎(chǔ)防波堤。如圖1所示，每組結(jié)構(gòu)的上部由2只直徑8.9 m、高15.1 m、壁厚0.3 m的圓筒構(gòu)成擋浪部分，簡(jiǎn)稱上桶;每組結(jié)構(gòu)的下部基礎(chǔ)則為一只倒扣的橢圓形桶，簡(jiǎn)稱下桶，其長(zhǎng)軸30 m、短軸20 m、高9.18 m，壁厚0.4 m，上桶與下桶之間靠厚0.4 m的混凝土蓋板相連接。下桶內(nèi)腔設(shè)有4道厚0.3 m的內(nèi)隔板，以增強(qiáng)整體剛度，同時(shí)將桶體劃分成9個(gè)格室。這種結(jié)構(gòu)形式讓下桶基礎(chǔ)與地基土相接觸的面積大為增大，接觸面積比達(dá)到7.4。該防波堤地基由淤泥、粉質(zhì)粘土和粉砂組成，其中淤泥土層的不排水強(qiáng)度均值約19 kPa，橢圓形下桶要穿越淤泥層而后著底于粉質(zhì)粘土層上。為了掌握下桶基礎(chǔ)貫入下沉過(guò)程中可能遭遇到的貫沉阻力大小和變化特性，利用土工離心模型試驗(yàn)，對(duì)這種桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了貫入下沉試驗(yàn)?zāi)M，分析研究了橢圓形桶式基礎(chǔ)所遭遇的下沉阻力特性、結(jié)構(gòu)與土的摩擦特性、以及桶壁與內(nèi)隔板應(yīng)變分布狀況，為桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)防波堤的施工設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

圖1 橢圓形桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of breakwater with ellipse suction bucket as foundation

1 模型設(shè)計(jì)

在巖土工程中，土體自重引起的應(yīng)力通常占支配地位，而土的變形和強(qiáng)度特性又是隨應(yīng)力水平不同而表現(xiàn)不同，若在地面上1g(g為重力加速度，等于9.8 m/s2)條件下進(jìn)行常規(guī)小比尺的模型試驗(yàn)，設(shè)模型相似率為n，那么土和結(jié)構(gòu)物中的自重應(yīng)力水平就僅為原型自重應(yīng)力水平的1/n，與原型土體中的應(yīng)力水平相差甚遠(yuǎn)，這樣，模型土體的性狀不能代表原型土體的性狀。所以，開(kāi)展真正有價(jià)值的土工物理模型試驗(yàn)研究，必須滿足模型中的土體和其中的結(jié)構(gòu)物的應(yīng)力水平與原型相等這一前提條件。將1/n縮尺模型置于旋轉(zhuǎn)的土工離心機(jī)中，使其承受n倍重力加速度的離心加速度的作用(此受力環(huán)境稱n倍重力加速度的超重力場(chǎng))，這樣，模型土體和結(jié)構(gòu)物中的應(yīng)力水平就等同于原型中的應(yīng)力水平，模型與原型的土體性狀一致，模型與原型性狀相似。土工離心模型試驗(yàn)的相似性基本原則就是滿足模型與原型應(yīng)力的相似性［3］，而借助離心機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)為土工離心模型創(chuàng)造一個(gè)與原型應(yīng)力水平相同的應(yīng)力場(chǎng)，表1匯總了本次模型試驗(yàn)中主要物理量的相似比例關(guān)系。

表1 模型相似律Tab.1 Scaling law of similarity between prototype and model

1.1 模型設(shè)計(jì)

本模型試驗(yàn)在南京水利科學(xué)研究院中型土工離心機(jī)NHRI-50 gt上進(jìn)行，該離心機(jī)主要技術(shù)性能指標(biāo):1)有效旋轉(zhuǎn)半徑2.25 m;2)最大離心加速度250 g;3)模型箱凈空尺寸685 mm×350 mm×450 mm(長(zhǎng)×寬×高);4)容量50gt。

參照在該離心機(jī)所完成的箱筒型基礎(chǔ)防波堤離心模型試驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)［4-5］，根據(jù)該原型桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)防波堤斷面幾何尺寸，并結(jié)合考慮上述離心機(jī)及其模型箱尺寸等因素，選定模型幾何相似率n為80。

桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)是鋼筋混凝土預(yù)制件，在模型試驗(yàn)中用與其密度相近的鋁合金制作。桶身外圍周長(zhǎng)和高度仍按幾何相似比尺制作，但由于模型和原型的材料模量不同，因此，需對(duì)桶壁、蓋板和內(nèi)隔板截面作修正。桶式基礎(chǔ)防波堤是一種薄殼結(jié)構(gòu)，需要承受橫向波浪荷載的作用，故表現(xiàn)為抗彎構(gòu)件，因此，截面修正按等效抗彎剛度理論進(jìn)行，公式如下［3］:

式中:下標(biāo)m、p分別代表模型和原型，E為材料彈性模量，I為受彎構(gòu)件的截面慣性矩，n是模型相似率。式(1)表明原型截面抗彎剛度EpIp是模型截面抗彎剛度EmIm的n4倍，可以根據(jù)模型材料的模量E的大小，適當(dāng)調(diào)整截面慣性矩I的數(shù)值，即EmIm=EpIp/n4［5］。取原型鋼筋混凝土Ep和模型鋁合金Em分別為30 GPa和70 GPa，經(jīng)過(guò)計(jì)算，模型桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)的蓋板和外壁厚度應(yīng)為3.8 mm，實(shí)際選用厚度4 mm鋁合金板制作，內(nèi)隔板厚度應(yīng)為2.8 mm，實(shí)際選用厚度3 mm鋁合金板制作。

另外，在模型桶式基礎(chǔ)的蓋板上設(shè)置9個(gè)可開(kāi)啟可密封的氣孔與9個(gè)格室相聯(lián)系，在下沉過(guò)程中打開(kāi)這些氣孔，而在基礎(chǔ)就位后則密封這些氣孔，讓桶體與地基土體發(fā)揮聯(lián)合抵抗荷載的作用效果。

1.2 模型制備

原型地基土層自上而下依次為:淤泥層、粉質(zhì)粘土層、粉砂層。淤泥層和粉質(zhì)粘土層的平均層厚分別為9.13 m和4.26 m，容重分別為15.8 kN/m3和19.2 kN/m3，相應(yīng)的原位不排水強(qiáng)度值分別為19 kPa和60 kPa左右。粉砂層的容重為20.0 kN/m3，干密度達(dá)1.70 g/cm3，較為密實(shí)。

模型地基用原型擾動(dòng)土樣自下而上逐層重塑而成，如圖2所示，其中上層淤泥層厚約114 mm，中間粉粘土層厚約53 mm，下層粉砂層厚約36 mm。在用排水固結(jié)法制備淤泥層和粉質(zhì)粘土層時(shí)，粉砂層發(fā)揮排水層的作用，縮短制備時(shí)間。

具體制備過(guò)程如下，首先采用砂雨法制備粉砂層。將一種粉細(xì)砂土料自然風(fēng)干，然后借助多孔砂漏斗，將其成層撒落在模型箱內(nèi)，在由下而上制備過(guò)程中，始終保持落高相同，以控制模型地基土層上下密度均勻一致。選用的落高是根據(jù)設(shè)計(jì)干密度事先通過(guò)試驗(yàn)確定的。

圖2 模型布置示意(單位:mm)Fig.2 Model setup of soil ground(unit:mm)

圖3 地基淤泥層的強(qiáng)度剖面分布(模型LSM1)Fig.3 Profile of in-situ undrained strength of muddy clay(Model LSM1)

其次采用預(yù)壓排水固結(jié)法依次制備粉質(zhì)粘土層和淤泥層。將取自原型現(xiàn)場(chǎng)的粉質(zhì)粘土制成泥漿，緩慢注入模型箱內(nèi)，靜置一周后，自然沉積于粉砂層上，并逐漸形成具有一定強(qiáng)度的泥層。然后，將盛裝泥層的模型箱安裝到大型固結(jié)儀上。逐級(jí)加載固結(jié)。期間，即在土層固結(jié)過(guò)程中，使用袖珍貫入儀監(jiān)測(cè)其不排水強(qiáng)度的發(fā)展，直至滿足預(yù)先設(shè)定的強(qiáng)度值要求，這一過(guò)程通常需要2～4周。按同樣的程序制備淤泥層，由于土層厚達(dá)114 mm，這一過(guò)程通常需要5～7周。圖3是所制備的地基淤泥層(模型LSM1)的原位不排水強(qiáng)度剖面圖，圖中圓點(diǎn)代表袖珍貫入儀試驗(yàn)的強(qiáng)度實(shí)測(cè)值，虛線為實(shí)測(cè)點(diǎn)的擬合線，該層土原位強(qiáng)度均值接近目標(biāo)強(qiáng)度值19 kPa。

1.3 大行程作動(dòng)加載裝置

橢圓形桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程與箱筒型基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)的一樣，整個(gè)結(jié)構(gòu)在岸上預(yù)制組裝，再拖運(yùn)至目的地現(xiàn)場(chǎng)，首先利用自重作用讓其自然下沉入土，接著采用負(fù)壓下沉工法繼續(xù)促其下沉，直至基礎(chǔ)桶底著落在持力層上。負(fù)壓下沉工法就是通過(guò)抽水抽氣形成壓力差，產(chǎn)生向下推力讓其下沉，使下桶基礎(chǔ)完全嵌入地基土體中。

為了在高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境中進(jìn)行負(fù)壓下沉貫入過(guò)程的模擬，新研發(fā)了一種大行程作動(dòng)加載裝置，待模型下桶自重下沉后，再由該靜力作動(dòng)加載裝置給模型防波堤結(jié)構(gòu)施加下推作用力，促使模型桶體按一定速率貫入模型地基土層中。如圖2所示，大行程推力作動(dòng)裝置由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠絲杠推動(dòng)模型下桶基礎(chǔ)，推動(dòng)速率恒定。其速率由單片機(jī)控制，推進(jìn)速率設(shè)定范圍為0.02～8.00 mm/min，無(wú)級(jí)變速。本次試驗(yàn)時(shí)大行程作動(dòng)裝置的推進(jìn)速率設(shè)定為6.00 mm/min。

2 模型測(cè)量和試驗(yàn)程序

本次模型試驗(yàn)主要研究桶式基礎(chǔ)貫入下沉過(guò)程中的下沉總阻力隨下沉位移的變化，在大行程推力作動(dòng)裝置的推力作動(dòng)端安裝了一只S形荷重傳感器測(cè)量下推力(圖2)，其型號(hào)為CSF-3A，量程是10 kN。利用模型箱頂蓋安裝固定了兩只應(yīng)變式位移傳感器用于測(cè)量下桶基礎(chǔ)貫入位移量，其型號(hào)為YHD-150，量程是150 mm，傳感器的活動(dòng)觸點(diǎn)置于下桶蓋板面上。

試驗(yàn)主要步驟如下:首先，在制備好的模型地基土層中央放置下桶模型，下桶蓋板上的透氣孔均保持暢通狀態(tài)，并稍稍壓入淤泥土層幾毫米。其次，在模型箱上安裝大行程豎向荷載加載裝置和大量程位移傳感器。之后，整個(gè)模型移置于在離心機(jī)吊籃平臺(tái)中按設(shè)計(jì)加速度運(yùn)轉(zhuǎn)，恢復(fù)地基土體原有的自重應(yīng)力場(chǎng)。期間，下桶基礎(chǔ)在自重作用會(huì)自然沉入淤泥土層中，到達(dá)一定深度后保持穩(wěn)定。接著，啟動(dòng)豎向荷載加載裝置，按預(yù)先設(shè)定的等應(yīng)變加載速率讓推力作動(dòng)端向下行進(jìn)，當(dāng)它與下桶蓋板接觸后，給下桶緩緩施加豎向下沉作用力，促使桶體繼續(xù)向下貫入地基土層，直至桶底達(dá)到所設(shè)定標(biāo)高位置。

本次研究中共開(kāi)展了5組下沉模型試驗(yàn)，其中模型LSM1地基淤泥層原位不排水強(qiáng)度均值最接近原型地基強(qiáng)度條件(圖3)，故將其作為典型試驗(yàn)結(jié)果，按表1模型相似比換算至原型尺度予以分析，主要從下沉總阻力和側(cè)壁摩擦力以及壓應(yīng)變隨下沉位移的發(fā)展變化三方面進(jìn)行討論。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 受力分析

在對(duì)橢圓形下桶基礎(chǔ)的貫入試驗(yàn)結(jié)果分析之前，先簡(jiǎn)要分析一下原型所受到的下沉力和阻力，其中下沉力來(lái)自桶體自重和負(fù)壓合力，而阻力來(lái)自桶底的端阻力和入土段桶體的側(cè)壁阻力。在自重下沉階段，桶身自重大于端阻力和入土桶體的側(cè)壁阻力，當(dāng)作用力和阻力平衡時(shí)，桶體不再下沉。此時(shí)需要從下桶格室中向外抽水抽氣，讓格室與外部大氣間形成壓力差，從而產(chǎn)生負(fù)壓作用力，促使桶體繼續(xù)往下貫入，即進(jìn)入負(fù)壓下沉階段。由于淤泥滲透系數(shù)很小，這里的受力分析暫不考慮負(fù)壓過(guò)程中沿桶壁發(fā)生的滲流作用力，圖4即為該階段的豎向受力分析圖。圖中G'代表下桶在水下的自重力，單位是kN;Δpa為抽水抽氣在下桶格室與外界之間形成的壓力差;pu為桶體外壁和內(nèi)隔板底面的平均端阻應(yīng)力，它可以根據(jù)極限承載力公式計(jì)算獲得;f為桶體外壁和內(nèi)隔板的兩側(cè)與土體之間的平均側(cè)壁摩擦力，它們的單位都是kPa。這樣，下沉總作用力F為(G'+Δpa·Ai)，這里Ai為格室橫截面面積，負(fù)壓產(chǎn)生的下沉力即為Δpa·Ai，而下沉總阻力R則為(f·As+pu·Ab)，這里As為入土桶體外壁和內(nèi)隔板的兩側(cè)與土體相接觸的面積，Ab為桶體外壁和內(nèi)隔板底面面積，這其中側(cè)壁阻力為f·As，底端阻力為pu·Ab。由于下沉速率控制得較小，下沉過(guò)程緩慢，可以認(rèn)為下沉總作用力F和下沉總阻力R處于靜力平衡狀態(tài)，即數(shù)值相等。

離心模型試驗(yàn)中下桶的貫入下沉就位過(guò)程也是分自重下沉和外力下沉兩個(gè)階段，在模型被加速至設(shè)計(jì)加速度80 g期間，下桶在自重作用下沉入淤泥土層，到達(dá)一定深度后停止。根據(jù)位移傳感器讀數(shù)增量值，加上放置桶式基礎(chǔ)模型時(shí)的壓入量，就是自重作用產(chǎn)生的下沉量，約為62.5 mm，換算至原型的自重下沉量就是5000 mm。之后，啟動(dòng)大行程作動(dòng)加載裝置給下桶施加推力，這個(gè)外推力相當(dāng)于現(xiàn)場(chǎng)原型所施加的負(fù)壓作用力(Δpa·Ai)。在外推力作用下，模型桶體繼續(xù)向下貫穿淤泥土層，直至著底于粉質(zhì)粘土持力層。

圖4 原型貫入下沉過(guò)程中桶體豎向受力分析Fig.4 Vertical force analysis during the penetration of lower bucket into soil by vacuum method

3.2 貫入阻力特性

圖5為桶式基礎(chǔ)模型LSM1外力貫入下沉過(guò)程中下沉總阻力和應(yīng)變測(cè)量斷面內(nèi)力的發(fā)展變化曲線，縱坐標(biāo)為推力作用下新發(fā)生的貫入位移量。從下沉總阻力發(fā)展曲線可見(jiàn)，總阻力隨貫入位移量粗略呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。這是因?yàn)榇┰酵煌翆舆^(guò)程中，桶底端阻應(yīng)力pu變化不大，底端阻力項(xiàng)pu·Ab值也就基本不變，而在側(cè)壁阻力項(xiàng)f·As中，桶壁和隔板與土相接觸的面積As隨入土深度線性增大，若側(cè)壁摩擦力平均值f變化不大，則側(cè)壁阻力項(xiàng)f·As也就隨下推位移量線性增大，這樣，下沉總阻力R(即(f·As+pu·Ab))隨下推位移量增大而幾乎線性增長(zhǎng)。

但當(dāng)貫入位移量達(dá)到某一值時(shí)，圖5所示的下沉總阻力曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折，即下沉總阻力發(fā)展速率由先前較小值陡然增大，轉(zhuǎn)折點(diǎn)表明下桶底端已觸及粉質(zhì)粘土層以及下桶格室中的土體開(kāi)始與頂蓋接觸。由于粉質(zhì)粘土強(qiáng)度明顯高于淤泥土，桶底端阻應(yīng)力pu值明顯高于淤泥層的值，桶底端阻力項(xiàng)pu·Ab數(shù)值突增。與此同時(shí)，格室中的土體與頂蓋接觸，又額外增加土塞阻力項(xiàng)。

由于下桶基礎(chǔ)的持力層即為粉質(zhì)粘土層，桶體下沉過(guò)程應(yīng)該止于桶體下端著底于粉質(zhì)粘土層，因此，這個(gè)曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的下沉總阻力可以作為下桶基礎(chǔ)下沉到位時(shí)所需的臨界下沉總阻力Rcri。過(guò)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)，貫入深度增加一點(diǎn)點(diǎn)，下沉總阻力就增加很多。對(duì)于模型LSM1而言，它所預(yù)測(cè)的原型臨界下沉總阻力Rcri約40 MN。由于該模型地基土層強(qiáng)度條件與原型較為接近，因此，原型桶式基礎(chǔ)防波堤結(jié)構(gòu)臨界下沉總阻力Rcri估計(jì)在40 MN左右，即原型貫穿淤泥層著底就位所需施加的總下沉力約40 MN。

確定了下桶基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的臨界下沉總阻力值Rcri，就可以初步估算出現(xiàn)場(chǎng)負(fù)壓工法中所需要產(chǎn)生的壓力差Δpa，根據(jù)前面的受力分析(圖4)，可以按下式計(jì)算:

經(jīng)過(guò)計(jì)算，負(fù)壓工法中所需產(chǎn)生的壓力差Δpa約47 kPa。

需要說(shuō)明的是，在原型現(xiàn)場(chǎng)采用負(fù)壓工法將下桶貫入地基土層時(shí)，桶壁與周?chē)馏w之間會(huì)有滲流出現(xiàn)，而根據(jù)對(duì)石油平臺(tái)中的吸力桶基礎(chǔ)下沉和上拔試驗(yàn)研究結(jié)果［6-7］，滲流的存在將在一定程度上減小側(cè)壁阻力。在本次模型試驗(yàn)中，由于下桶是在外推力作用下貫入地基土層的，因此，試驗(yàn)結(jié)果未能反映滲流的減阻效應(yīng)。綜上所述，現(xiàn)場(chǎng)原型實(shí)際遭遇的臨界下沉總阻力應(yīng)該小于模型試驗(yàn)所預(yù)測(cè)的臨界下沉總阻力值，同樣，負(fù)壓工法中所需的壓力差也將小于所估算的壓力差。

3.3 側(cè)壁摩擦力特性

下面繼續(xù)探討下桶基礎(chǔ)在貫入下沉階段中桶壁和隔板與其周?chē)馏w間的摩擦特性。這里需要做一些變換，假設(shè)下沉總阻力中的底端阻力項(xiàng)pu·Ab在貫穿淤泥層過(guò)程中不變，設(shè)推進(jìn)下沉深度增量為ΔS，相應(yīng)的下沉總阻力增量為ΔR，該增量就全部為側(cè)壁阻力項(xiàng)f·As的增量，即等于f·ΔAs。設(shè)L為桶壁和隔板橫截面與土相接觸總邊長(zhǎng)，那么，桶壁和隔板與土相接觸的面積增量ΔAs=ΔS·L，由此得到下沉總阻力增量ΔR=f·ΔS·L。從下沉總阻力隨貫入下沉量變化曲線求得斜率k=ΔR/ΔS，由此就可推得側(cè)壁摩擦力f，即

利用式(3)可以求得下桶基礎(chǔ)在自重下沉階段和外力貫入下沉階段的側(cè)壁摩擦力平均值，分別為7.1 kPa和14.7 kPa，可見(jiàn)，自重下沉階段的摩擦力小于外力貫入下沉階段的摩擦力。同樣，利用式(3)可以求得下桶基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)貫穿整個(gè)土層的平均摩擦力，其值為10.7 kPa。

利用式(4)可以得到貫入下沉過(guò)程中的側(cè)壁摩擦力分布，如圖6所示。從側(cè)壁摩擦力分布曲線可知，在外力貫入下沉階段，隨著貫入位移的增加，側(cè)壁摩擦力呈逐漸遞增趨勢(shì)，數(shù)值由10 kPa慢慢增至22 kPa，之后曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折，轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的貫入深度與圖5曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)深度一致，這再次表明此時(shí)下桶端由淤泥層進(jìn)入粉質(zhì)粘土層并且桶內(nèi)土體已觸及蓋板頂。側(cè)壁摩擦力分布特征也從另一個(gè)角度反映了淤泥層內(nèi)下部土體強(qiáng)度高于上部土體強(qiáng)度分布規(guī)律(圖3)。

圖5 下桶貫入下沉過(guò)程中總阻力的發(fā)展變化(LSM1)Fig.5 Development of penetration resistance of lower bucket into muddy clay(LSM1)

圖6 下桶貫入下沉過(guò)程中側(cè)壁摩擦力的發(fā)展變化(LSM1)Fig.6 Development of wall friction of lower bucket into muddy clay(LSM1)

3.4 外壁和內(nèi)隔板壓應(yīng)變特性

彈性材料的結(jié)構(gòu)應(yīng)力可以通過(guò)粘貼應(yīng)變計(jì)測(cè)量其應(yīng)變，然后根據(jù)胡克定律計(jì)算獲取的。在下桶桶身距離桶底端50 mm(原型為4.0 m)橫截面位置處作為測(cè)量斷面，在外壁和內(nèi)壁上布置了5個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)粘貼一組全橋應(yīng)變測(cè)量單元，以測(cè)量斷面不同位置處的壓應(yīng)變，如圖7所示。下桶在外推力作用下貫入下沉過(guò)程中，有4個(gè)測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變測(cè)量單元自始至終都工作正常，圖8即為它們各測(cè)點(diǎn)處截面壓應(yīng)變發(fā)展變化曲線。由圖可知，這4個(gè)測(cè)點(diǎn)處截面壓應(yīng)變發(fā)展情形比較一致，即各點(diǎn)處壓應(yīng)變數(shù)值相差不多，隨桶體下沉位移同步發(fā)展。由此表明，桶體下沉過(guò)程很平穩(wěn)，桶體外壁和內(nèi)隔板截面壓應(yīng)變及壓應(yīng)力發(fā)展均勻。

圖7 內(nèi)力測(cè)量布置示意(單位:mm)Fig.7 Layout of strain measurement points on lower bucket(unit:mm)

制作模型桶體的鋁合金材料的彈性模量為70 GPa，根據(jù)4個(gè)測(cè)點(diǎn)處的平均壓應(yīng)變，換算成截面平均壓應(yīng)變和壓應(yīng)力，乘以桶體橫截面面積，即可推求出這個(gè)應(yīng)變測(cè)量斷面的總內(nèi)力，其結(jié)果已繪制于圖5中。由圖可知，下桶基礎(chǔ)在貫入下沉過(guò)程中，應(yīng)變測(cè)量點(diǎn)所在斷面上的總內(nèi)力也是隨著貫入位移量在不斷增大，當(dāng)總阻力曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折時(shí)，總內(nèi)力曲線也同樣出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。在兩曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，這個(gè)應(yīng)變測(cè)量斷面的總內(nèi)力計(jì)算值為27 MN，約為臨界總阻力(40 MN)的70%。

圖8 下桶貫入下沉過(guò)程中截面壓應(yīng)變發(fā)展變化(LSM1)Fig.8 Development of wall compressive strain of lower bucket into muddy clay(LSM1)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)離心模型試驗(yàn)對(duì)防波堤橢圓形桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在貫入下沉過(guò)程中總阻力特性和桶壁及內(nèi)隔板摩擦力特性進(jìn)行了研究，取得以下初步認(rèn)識(shí):

1)橢圓形下桶基礎(chǔ)在淤泥層貫入時(shí)，下沉總阻力隨貫入位移量粗略呈線性增長(zhǎng)，而當(dāng)桶底刺入粉質(zhì)粘土層過(guò)程中，增長(zhǎng)速率突變導(dǎo)致曲線出現(xiàn)的明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，據(jù)此預(yù)測(cè)了原型貫穿淤泥層著底就位所需施加的總下沉力約40 MN，由此還預(yù)估了負(fù)壓工法中所需的壓力差約47 kPa。

2)下桶基礎(chǔ)在貫入淤泥土層整個(gè)過(guò)程中，桶身摩擦力是逐漸遞增，淺層處較小，深層處較大，自重下沉階段的摩擦力小于外力貫入下沉階段的摩擦力，貫穿整個(gè)土層的平均摩擦力約為10.7 kPa。

3)下桶基礎(chǔ)貫入下沉過(guò)程中，桶外壁和內(nèi)隔板截面上的壓應(yīng)變同步發(fā)展，數(shù)值基本一致，表明結(jié)構(gòu)在貫入下沉過(guò)程中橫截面各點(diǎn)受力均勻，內(nèi)力增長(zhǎng)平穩(wěn)。

由于原型計(jì)劃采用負(fù)壓工法施工，而模型試驗(yàn)中采用作動(dòng)裝置的下推力來(lái)模擬負(fù)壓產(chǎn)生的下沉力，這樣，試驗(yàn)結(jié)果中并沒(méi)有反映原型基礎(chǔ)負(fù)壓下沉過(guò)程中桶壁滲流的影響。鑒于桶壁滲流的減阻效應(yīng)，因此，現(xiàn)場(chǎng)原型負(fù)壓工法貫入就位時(shí)所需要的總下沉力一定在本次模型試驗(yàn)所預(yù)測(cè)的臨界總阻力值以內(nèi)，同樣，所需的壓力差也將在相應(yīng)的預(yù)測(cè)值以內(nèi)。

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