朱 斌 ，應盼盼 ，邢月龍

（1. 浙江大學 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點實驗室，浙江 杭州 310058；2. 浙江大學 巖土工程研究所，浙江 杭州 310058；3. 中國能源建設集團 浙江省電力設計研究院，浙江 杭州 310012）

1 引 言

吸力式桶形基礎由1994年挪威土工所（NGI）研制成功以來受到了各國的極大關注。由于桶形基礎本身施工速度快、造價較為低廉和可重復利用等優(yōu)點以及在承載方面的優(yōu)勢，使它成為桿式結(jié)構最有潛力的基礎型式之一。吸力式桶形基礎是河網(wǎng)沼澤地區(qū)輸電桿塔及近海風電機組的理想基礎型式，由于風荷載和波浪荷載具有一定的復雜性，在兩個方向?qū)A頂面產(chǎn)生豎向力、扭矩、不同方向的水平力和傾覆彎矩共六向荷載[1]，通常簡化為平面內(nèi)的三向荷載，其中傾覆彎矩荷載最為關鍵。

國內(nèi)外多位學者分別開展了水平或豎向荷載作用下吸力式桶形基礎的理論和試驗研究，獲得了水平荷載作用下桶形基礎桶土之間的相互作用規(guī)律，并提出了相應的承載力分析方法。牛津大學研究團隊用線性剛度矩陣描述了桶形基礎在受力變形的力學特性，提出了比較1 g模型試驗和現(xiàn)場試驗的無量綱荷載和變形參數(shù)[2]，并利用三自由加載裝置開展了吸力式桶形基礎的小比例模型試驗，通過擬合試驗屈服曲線提出了單桶基礎承載力的簡化表達式[3]，還進行了一系列砂土和軟黏土現(xiàn)場試驗[4]，這些工作為解決復合承載力問題做了很有價值的嘗試。朱斌等[5－6]通過砂性土中傾覆荷載作用下桶形基礎的大比例模型試驗，獲得了桶土間相互作用和變形模式，并提出了基于變形控制的復合承載力分析計算方法。西澳大學Tran等[7]開展了大量吸力桶在砂土中的吸力沉貫離心模型試驗，探討了抽水速率、桶尺寸、負重對砂土中沉貫的影響。此外，在數(shù)值模擬方面也有一些成果，Sun等[8]基于三維有限元方法獲得了桶形基礎的水平承載力，并給出了工程實踐簡化公式。范慶來等[9]通過有限元數(shù)值分析方法，提出了能夠描述不同長徑比的單桶基礎在復合加載模式下的三維破壞包絡面。

盡管國內(nèi)外學者開展了上述卓有成效的嘗試，但可用的桶形基礎設計經(jīng)驗仍然不足，主要是因為室內(nèi)模型試驗和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)還不夠充分。目前關于桶形基礎的試驗研究大多集中于小比尺模型試驗、常重力試驗，加載方式相對單一，尤其關于軟黏土中的桶形基礎研究相對較少。本研究通過開展軟黏土地基中吸力式桶形基礎水平靜力與循環(huán)受荷離心模型試驗，對基礎進行了循環(huán)加載、維持加載以及靜力加載，為桶形基礎基礎設計提供理論指導和依據(jù)。

2 試驗方案

2.1 試驗設備

本次試驗利用浙江大學ZJU-400土工離心機完成。離心機有效旋轉(zhuǎn)半徑為 4.5 m，吊籃有效容積為1.5 m×1.2 m×1.5 m，容量為400 g·t，最大離心加速度為150 g。

2.2 地基土的制備和物理力學特性

模型箱尺寸（長×寬×高）為 0.65 m×0.65 m×0.5 m，底層鋪設0.02 m厚粗砂墊層，然后在粗砂層表面和模型箱內(nèi)壁放置透水土工布。將軟黏土樣加水調(diào)成含水率為 53.6%（2倍液限）的泥漿，放入攪拌器攪拌均勻并進行真空抽氣，均勻地澆灌在土工布內(nèi)上。靜置3 d后除去表面清水，放置一塊多孔板在軟土表面開始進行壓力固結(jié)，第一級壓力為5 kPa，第二級壓力為10 kPa，分別固結(jié)10 d。常重力條件下壓力固結(jié)完成后將模型放入離心機在30 g下固結(jié)，時間為3～4 h，最后0.5 h土面沉降減小值僅為總沉降值的0.5%，固結(jié)完成后軟黏土厚約0.34 m。軟黏土的參數(shù)見表1。

表1 軟黏土參數(shù)Table 1 Parameters of soft clay in tests

桶基沉貫成后將整個模型再次在離心機30 g條件下固結(jié)3 h，盡量消除沉貫過程對桶周土的擾動，并讓桶周軟黏土重新固結(jié)。

加載試驗完成后，在30 g條件下開展T-bar貫入試驗，測量軟黏土的不排水抗剪強度。T-bar探頭為西澳大利亞探頭，底端為圓柱體，長20 mm，直徑為5 mm。自行研制了貫入裝置，貫入速率為1.5 mm/s。T-bar貫入阻力與不排水抗剪強度之間的系數(shù)采用 Stewart等[10]推薦值，取 10.5，試驗結(jié)果如圖1所示。在桶群深度范圍內(nèi)各次加載試驗中土體的不排水抗剪強度差別不大。

圖1 不排水抗剪強度Fig.1 Undrained shear strength

2.3 吸力式桶形基礎模型

本次離心機試驗吸力式模型桶均采用鋁合金6061實心管加工而成，極限抗拉強度為124 MPa，受拉屈服強度為55.2 MPa，延伸率為25.0%，彈性系數(shù)為68.9 GPa，泊松比為0.330，疲勞強度為62.1 MPa。桶徑為100 mm，桶裙高度100 mm，桶壁厚2 mm，模型試驗離心加速度n = 30 g，桶形基礎示意圖如圖2所示。

圖2 吸力式桶形基礎示意圖（單位：mm）Fig.2 Sketch of suction caisson foundation(unit: mm)

2.4 試驗布置

各激光計的布置如圖 3(a)所示，水平加載電機與加載頭之間通過連接軸力計測量水平荷載。循環(huán)加載裝置由浙江大學離心機實驗室自主研發(fā)，能實現(xiàn)力反饋控制和位移控制，其最大出力為2 500 N，最大位移為0.05 m，最大加載頻率為5 Hz，水平循環(huán)荷載采用位移控制和力控制兩種方式。靜力加載電機加載速度為15 mm/s，用于位移維持加載試驗和靜力加載試驗。水平加載位置在桶蓋上 10D（D為桶徑，D = 100 mm）處。在桶體兩側(cè)和桶蓋上方一定距離處各布置了一只豎向激光計和水平向激光計測量相應變形，水平加載圖見圖4。

2.5 試驗安排

本次模型試驗針對軟黏土地基開展了4組不同加載方式的試驗，分別是位移控制循環(huán)加載、位移維持循環(huán)加載、力控制循環(huán)加載和靜力加載試驗，加載安排見表2。

3 試驗結(jié)果

3.1 荷載-位移曲線

圖3 試驗布置圖（單位：mm）Fig.3 Sketch of test arrangement(unit: mm)

圖4 水平加載圖Fig.4 Diagram of lateral loading

表2 試驗加載安排Table 2 Outline of tests carried out

圖5 彎矩-轉(zhuǎn)角曲線Fig.5 Moment-rotation curves for all tests

本文試驗結(jié)果均針對原型尺寸給出。圖5分別為位移控制循環(huán)加載、位移維持加載和力控制循環(huán)加載試驗的峰值和谷值荷載-位移曲線及靜力加載荷載-位移曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當桶形基礎轉(zhuǎn)角達到一定值后，曲線出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折，如果將荷載-位移曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折時對應的彎矩作為極限抗彎承載力，則該桶形基礎的極限抗彎承載力約為 0.4 MN·m。同時也可以發(fā)現(xiàn)，位移維持加載的峰值荷載-位移曲線與單調(diào)靜力加載的荷載-位移曲線較為一致，位移維持加載及位移循環(huán)加載的谷值荷載-位移曲線對應的承載力較峰值荷載-位移曲線對應的承載力明顯偏小，僅為后者的60%～70%。因此，在工程設計中如考慮荷載的維持效應，建議將靜力承載力折減為60%～70%作為桶基的維持承載力。

位移控制循環(huán)加載試驗彎矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖 6所示。桶基累積位移隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，但前一次的循環(huán)加載并沒有影響基礎的剛度，桶基僅表現(xiàn)出了位移的累積。在最后一級的靜力加載中，所獲得的極限抗彎承載力與圖5所獲得值相近。力控制循環(huán)加載試驗的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖7所示。類似于圖6曲線，桶基在前三級循環(huán)內(nèi)并未發(fā)生明顯的剛度弱化。結(jié)合圖8觀察到，前三級循環(huán)加載中累積轉(zhuǎn)角增長有限，但第4級循環(huán)荷載作用時，累積循環(huán)轉(zhuǎn)角出現(xiàn)了近線性增長，表明此時桶周土體已經(jīng)出現(xiàn)明顯弱化。也就是說，但最大循環(huán)傾覆彎矩與極限抗彎承載力比值小于0.6時，桶形基礎在循環(huán)過程中轉(zhuǎn)角的累積難以持續(xù)增長，并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖6 位移控制循環(huán)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線Fig.6 Moment-rotation curves for displacement controlled cyclic test

圖7 力控制循環(huán)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線Fig.7 Curves of moment-rotation for load controlled cyclic test

圖8 力控制峰值轉(zhuǎn)角-循環(huán)次數(shù)曲線Fig.8 Peak rotation of caisson for load controlled cyclic test

3.2 桶形基礎變形

如圖2所示桶體上方兩側(cè)的豎向位移以及連接桿上一點的水平位移分別定義為 y1、y2、x1，那么荷載下桶體瞬時轉(zhuǎn)動中心的位置可得[5－6]

式中：x0為轉(zhuǎn)動中心到桶中心線的水平距離；z0為其在桶蓋下的深度；l為兩側(cè)豎向激光計到中心的距離；h0為水平激光計作用點到桶蓋的距離。本文試驗計算的轉(zhuǎn)動中心位置如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn)當桶形基礎達到極限承載力時其轉(zhuǎn)動中心位置約在桶蓋正下方0.8倍桶裙高度處，與砂性土中的試驗結(jié)果一致[5－6]。

圖9 轉(zhuǎn)動中心Fig.9 Rotation centre

3.3 峰值剛度曲線

位移控制和力控制循環(huán)峰值荷載-位移曲線對應的無量綱剛度的弱化趨勢一致，存在一個弱化因子閾值t = 0.15。

4 結(jié) 論

（1）當桶形基礎達到極限承載力時其轉(zhuǎn)動中心位置約在桶蓋正下方0.8倍桶裙高度處，這與砂性土中的試驗結(jié)果一致。

（2）當循環(huán)傾覆彎矩幅值與極限抗彎承載力比值小于0.6時，桶形基礎在循環(huán)過程中轉(zhuǎn)角的累積難以持續(xù)增長，并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖10 峰值荷載-位移曲線對應的無量綱剛度Fig. 10 Normalized stiffness of peak value of moment-rotation curves

（3）循環(huán)荷載作用下，桶周土體發(fā)生弱化現(xiàn)象，本文桶形基礎循環(huán)弱化因子閾值t約為0.15。

建議考慮桶形基礎傾覆彎矩荷載的維持加載效應時，基礎的極限抗彎承載力為單調(diào)靜力加載時的60%～70%。

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