許建朋 陳旭光 姜育科

(1. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210098； 2. 河海大學(xué) 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心， 南京 210098)

由于全球能源危機(jī)、環(huán)境污染以及溫室效應(yīng)的加劇，海上風(fēng)能作為一種重要可再生、清潔能源逐漸受到人們的關(guān)注，海上風(fēng)電得到大力發(fā)展．而在復(fù)雜海洋環(huán)境下，海上風(fēng)電基礎(chǔ)的承載特性與穩(wěn)定性直接影響到海上風(fēng)電整體的結(jié)構(gòu)安全．

吸力式桶型基礎(chǔ)[1]為上端封閉下端開口的筒體，可利用負(fù)壓原理下貫至海底土層．近年來，由于其成本較低、安裝方便、可回收利用的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)電基礎(chǔ)．目前，國內(nèi)外學(xué)者對于吸力式桶型基礎(chǔ)已經(jīng)有一定程度的研究．Byrne[2]基于牛津大學(xué)研制的加載系統(tǒng)，研究了吸力式基礎(chǔ)在砂土中的承載力特性，采用水平和豎向的靜載和循環(huán)荷載等組合荷載，得到吸力式基礎(chǔ)的破壞包絡(luò)面．Chen[3]比較了吸力式沉箱在正常固結(jié)和超固結(jié)土中的一系列離心機(jī)模型試驗(yàn)的結(jié)果，分析了其在靜載和循環(huán)荷載作用下的抗拔承載力．Randolph[4]論述了水平和豎向荷載條件下粘土中吸力基礎(chǔ)的分析技術(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)．討論了水平和豎向荷載之間的相互作用，并且考慮諸如土壤的強(qiáng)度各向異性和施加的載荷對吸力式沉箱的水平承載力的影響．朱斌等[5]對吸力式沉箱在飽和淤泥中的吸力安裝和橫向承載力進(jìn)行大型模型試驗(yàn)．試驗(yàn)結(jié)果表明：滲流效應(yīng)影響基礎(chǔ)在淤泥中的下沉，沉貫所需的吸力可以根據(jù)桶壁摩擦力和錐阻力很好地預(yù)測．李大勇等[6-8]對飽和細(xì)砂土中裙式吸力基礎(chǔ)的承載力特性開展模型試驗(yàn)研究，試驗(yàn)選取不同裙高的吸力基礎(chǔ)進(jìn)行水平靜力加載試驗(yàn)，分析了水平位移和土壓力的變化．王建華[9]通過模型試驗(yàn)研究了桶形基礎(chǔ)在豎向靜載以及水平循環(huán)荷載共同作用下的承載特性，并與有限元計(jì)算結(jié)果相對比，發(fā)現(xiàn)豎向靜載決定了吸力錨失穩(wěn)時(shí)循環(huán)荷載的大小與次數(shù)．

由此可見，國內(nèi)外學(xué)者對吸力式桶型基礎(chǔ)已經(jīng)有了初步的研究，本文對吸力式桶型基礎(chǔ)進(jìn)行水平靜載模型試驗(yàn)，并且對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行無量綱化處理，研究其承載特性以及穩(wěn)定性的變化規(guī)律．

1 吸力式桶型基礎(chǔ)模型試驗(yàn)

1.1 吸力式桶型基礎(chǔ)模型

吸力式桶形基礎(chǔ)模型由主桶模型和加載桿固定端組成，加載桿固定端設(shè)置在主桶模型頂蓋中央，如圖1所示．模型的材料是圓鋼，并打磨光滑，下部敞開，上部頂蓋一側(cè)設(shè)有排水孔．本文模型試驗(yàn)采用3個(gè)不同長徑比的吸力式桶形基礎(chǔ)模型，尺寸見表1．

表1 桶形基礎(chǔ)模型尺寸

圖1 吸力式桶形基礎(chǔ)模型

1.2 試驗(yàn)地基

試驗(yàn)所選地基為取自海灘的細(xì)砂土，顆粒級(jí)配如圖2所示，其物理力學(xué)參數(shù)見表2．為保證試驗(yàn)過程中砂土地基的均質(zhì)性，采用分層裝填，同時(shí)采用滲流加靜置固結(jié)，可以加速砂土固結(jié)．每次裝填砂土10 cm，注水并使水位高于砂土，打開排水閥進(jìn)行排水，利用滲流作用加速砂土固結(jié)．重復(fù)上述過程，最終完成40 cm高砂土地基的分層填筑．

圖2 砂土顆粒級(jí)配曲線

類型比重孔隙比滲透系數(shù)/(cm·s-1)細(xì)砂2．520．5740．002

1.3 水平靜力加載試驗(yàn)方案

圖3為水平靜力加載模型試驗(yàn)方案示意圖．

圖3 水平靜力加載模型試驗(yàn)方案示意圖

吸力式桶形基礎(chǔ)模型及微型土壓力計(jì)埋入砂土中；2只LVDT位移傳感器沿水平方向布置在加載桿受力方向后側(cè)，分別標(biāo)記LVDT1和LVDT2，LVDT1距離基礎(chǔ)模型頂蓋高90 cm，LVDT2距離基礎(chǔ)模型頂蓋高80 cm；靜力加載高度是50 cm．水平靜力加載模型試驗(yàn)，用砝碼逐級(jí)加載，每級(jí)荷載為2 N，每級(jí)荷載作用下LVDT讀數(shù)沒有變化或者變化小于0.01 mm時(shí)，繼續(xù)施加下一級(jí)荷載，直至基礎(chǔ)模型失穩(wěn)破壞．重復(fù)試驗(yàn)過程，直到完成3個(gè)不同長徑比的吸力式桶形基礎(chǔ)模型試驗(yàn)．

2 水平靜力加載模型試驗(yàn)位移試驗(yàn)結(jié)果分析

將試驗(yàn)結(jié)果均做無量綱化處理[10]：水平荷載的無量綱表達(dá)式為F/2πR3γ、其中F為水平靜力，R為吸力式桶形基礎(chǔ)模型半徑，γ為試驗(yàn)砂土有效重度(由第二章土體參數(shù)算得9.46 kN/m3)；基礎(chǔ)水平位移的無量綱化表達(dá)式為s/D，s為LVDT所測基礎(chǔ)水平位移量，D為吸力式桶形基礎(chǔ)模型的直徑；基礎(chǔ)桶頂位移的無量綱化表達(dá)式為S/D，S為基礎(chǔ)桶頂水平位移量，D為吸力式桶形基礎(chǔ)模型的直徑；基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置的無量綱化表達(dá)式為h/H，h為轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)到桶形基礎(chǔ)頂面之間的距離，H為吸力式桶形基礎(chǔ)的長度(高度)．

2.1 水平靜載作用下吸力式桶形基礎(chǔ)的荷載位移關(guān)系

如圖4所示為無量綱化下基礎(chǔ)長徑比分別為0.5、0.75和1時(shí)，吸力式桶形基礎(chǔ)LVDT2處水平位移和水平荷載的關(guān)系曲線．

圖4 不同長徑比的吸力式桶形基礎(chǔ)水平荷載-位移曲線圖

由圖4可知：對于不同長徑比的吸力式桶形基礎(chǔ)水平荷載-水平位移關(guān)系曲線的趨勢基本相同，都可以分為3個(gè)階段(彈性變形階段、塑性變形階段和失穩(wěn)破壞階段)，分析過程基本一致，將基礎(chǔ)能承受的最大荷載定義為水平極限承載力．由圖可知：長徑比為0.5、0.75和1的吸力式桶形基礎(chǔ)水平極限承載力分別為0.6、0.79和1.64．

2.2 水平靜載作用下吸力式桶形基礎(chǔ)筒頂位移與荷載關(guān)系

水平荷載作用下，假定吸力式桶形基礎(chǔ)傾覆失穩(wěn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)形式是繞著基礎(chǔ)中心軸上的某一點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)[11]，水平靜力加載試驗(yàn)中，2支LVDT位移傳感器沿水平方向布置在加載桿受力方向后側(cè)，可計(jì)算基礎(chǔ)桶頂水平位移隨荷載的變化關(guān)系．無量綱化下不同長徑比的吸力式桶形基礎(chǔ)桶頂位移隨水平荷載變化曲線圖如圖5所示．

圖5 不同長徑比吸力式桶形基礎(chǔ)桶頂隨水平荷載變化關(guān)系

從圖5可以看出，隨著水平荷載的增加，在相同荷載水平下長徑比大的基礎(chǔ)桶頂水平位移量小于長徑比小的位移量；達(dá)到極限水平荷載時(shí)，長徑比為0.5、0.75和1所對應(yīng)的桶頂水平位移量分別約為0.029、0.038和0.05，說明隨著長徑比的增加，基礎(chǔ)能承受的變形量增大，基礎(chǔ)桶頂極限水平位移量增加；當(dāng)達(dá)到極限水平承載力時(shí)，吸力式桶形基礎(chǔ)的水平位移一直增大，此時(shí)基礎(chǔ)失穩(wěn)破壞．

按照破壞時(shí)基礎(chǔ)最大水平位移量達(dá)到基礎(chǔ)寬度的3%～6%作為水平位移破壞的標(biāo)準(zhǔn)[10]，可知實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本與之吻合．

2.3 吸力式桶形基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)變化規(guī)律

水平荷載作用下，假定吸力式桶形基礎(chǔ)傾覆失穩(wěn)時(shí)的運(yùn)動(dòng)形式是繞著基礎(chǔ)中心軸上的某一點(diǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)[12]，水平靜力加載試驗(yàn)中，2支LVDT位移傳感器沿水平方向布置在加載桿受力方向后側(cè)，可計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的位置隨水平荷載的變化關(guān)系．

圖6所示為無量綱化下不同長徑比的吸力式桶形基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)隨荷載變化曲線圖，其中負(fù)號(hào)表示轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)在砂土表面以下．由圖6可以看出，隨著水平荷載的增大，基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)會(huì)向下移動(dòng)，最后會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)定的范圍．吸力式桶形基礎(chǔ)受到水平荷載作用時(shí)，主要的運(yùn)動(dòng)方式為轉(zhuǎn)動(dòng)，也會(huì)發(fā)生平動(dòng)；結(jié)合基礎(chǔ)荷載-位移曲線圖分析，基礎(chǔ)在彈性變形階段和塑性變形前期階段，由于基礎(chǔ)變形位移量相對較少，平動(dòng)所占的比例相對較大，所以轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的位置變化較大；隨著塑性變形的發(fā)展到失穩(wěn)破壞階段，基礎(chǔ)的變形位移量逐漸增大，基礎(chǔ)主要以轉(zhuǎn)動(dòng)為主，并逐漸成為完全轉(zhuǎn)動(dòng)，所以轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的范圍趨于一個(gè)穩(wěn)定的范圍．

圖6 不同長徑比吸力式桶形基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)隨荷載變化曲線圖

3 水平靜力加載模型試驗(yàn)土壓力試驗(yàn)結(jié)果分析

吸力式桶形基礎(chǔ)屬于埋深小的寬淺式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)前后側(cè)受到的土壓力按主動(dòng)土壓力和被動(dòng)土壓力考慮[13-14]．所測得的被動(dòng)土壓力是正值，測得的主動(dòng)土壓力是負(fù)值．通過土壓力值的測量，得出被動(dòng)土壓力區(qū)和主動(dòng)土壓力區(qū)，并將相同埋深的基礎(chǔ)前后側(cè)土壓力值相減，得到土壓力的合力，土壓力合力為0處則為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置[15]．

3.1 不同長徑比吸力式桶型基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置

圖7～9分別為為長徑比0.5、0.75、1的吸力式桶形基礎(chǔ)土壓力合力分布圖．從圖7可知：長徑比為0.5的吸力式桶形基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置在0.85倍桶高以下，在失穩(wěn)破壞時(shí)會(huì)稍微向上移動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置的平均深度約為0.9倍桶高．從圖8可知：長徑比為0.75的吸力式桶形基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置在0.7～0.9倍桶高之間，在失穩(wěn)破壞時(shí)會(huì)稍微向上移動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置的平均深度約為0.8倍桶高．從圖9可知：長徑比為1的吸力式桶形基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置0.6～0.65之間，轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)平均位置約為0.62倍桶高．

圖7 長徑比0.5的吸力式桶形基礎(chǔ)土壓力合力分布圖

圖8 長徑比0.75的吸力式桶形基礎(chǔ)土壓力合力分布圖

圖9 長徑比1的吸力式桶形基礎(chǔ)土壓力合力分布圖

3.2 位移與土壓力得到的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置對比

將2.3節(jié)位移分析得出無量綱化下吸力式桶形基礎(chǔ)破壞時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置和3.1節(jié)土壓力分析得到的數(shù)據(jù)匯總并對比，見表3．

表3 不同長徑比的吸力式桶形基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)匯總

由表3可知，通過位移分析和土壓力分析得到的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置差別不大，基本吻合．綜合分析可知：水平靜載作用下，長徑比0.5的吸力式桶形基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位于基礎(chǔ)頂面以下0.78～0.95倍桶高之間，長徑比0.75的吸力式桶形基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位于基礎(chǔ)頂面以下0.65～0.9倍桶高之間，長徑比1的吸力式桶形基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位于基礎(chǔ)頂面以下0.5～0.65倍桶高之間．隨著基礎(chǔ)長徑比的增大，基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的位置相對于桶高向上移動(dòng)，但是都位于基礎(chǔ)頂面以下0.6～0.9倍桶高之間．

4 結(jié)論與建議

本文通過無量綱化方法對吸力式桶形基礎(chǔ)水平靜力加載模型試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析．主要得出以下結(jié)論：

1)吸力式桶形基礎(chǔ)在水平靜力加載過程中分為3個(gè)階段：彈性變形階段、塑性變形階段和失穩(wěn)破壞階段．吸力式桶形基礎(chǔ)的承載力和穩(wěn)定性隨長徑比的增大而增大．

2)不同長徑比的吸力式桶形基礎(chǔ)在水平靜力加載過程中彈性變形階段，桶頂水平位移量基本相同，均為0.004；桶頂極限水平位移量隨著長徑比的增大而略有增大；實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合整體剛性短樁水平承載破壞特性．

3)通過位移和土壓力分析分別得到的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)位置變化規(guī)律，兩者差別相對較?。浑S著基礎(chǔ)長徑比的增大，基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)的位置相對于桶高向上移動(dòng)，但是都位于基礎(chǔ)頂面以下0.6～0.9倍桶高之間．本文所得結(jié)論均為實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，還需要數(shù)值模擬或理論分析的驗(yàn)證．

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