， ，， (山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源問題日益突出，為開發(fā)新的清潔能源，越來越多的國家將能源開發(fā)方向轉(zhuǎn)向海洋。我國作為海上風(fēng)能大國，而海上風(fēng)能的開發(fā)相對落后，大力發(fā)展海洋風(fēng)電工程是開發(fā)海洋資源的基礎(chǔ)工作之一。

吸力基礎(chǔ)是一種底部敞開、頂部密封的薄壁鋼制圓桶結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于海洋工程中。受到風(fēng)、波浪等產(chǎn)生的水平荷載以及海上浮動式結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的拉拔荷載的作用[1]，在使用過程中，吸力基礎(chǔ)承受巨大的傾覆力矩，主要表現(xiàn)為“拉-拔”力[2]。因此，確定吸力基礎(chǔ)抗拔承載力是基礎(chǔ)設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。

粘性土中的吸力基礎(chǔ)抗拔承載力已有較多研究成果[3-8]，但對應(yīng)砂土中的吸力基礎(chǔ)承載性能研究仍需加強(qiáng)。Lehane[9]通過離心機(jī)試驗，對不同長徑比的吸力基礎(chǔ)分別注入水和硅油，分析基礎(chǔ)拔出時桶壁內(nèi)外側(cè)阻力，來確定吸力基礎(chǔ)拔出時所需最大吸力，并將試驗結(jié)果與有限元分析對比，結(jié)果相吻合。魯曉兵等[10]對飽和砂土中單桶吸力基礎(chǔ)施加豎向拉拔荷載，認(rèn)為隨加載速率的增加，極限荷載增加。Zhang等[11]通過模型試驗研究吸力基礎(chǔ)在拉拔過程中加載速率、拔出方式等因素對抗拔承載力的影響，分析了豎向承載力和豎向位移的關(guān)系，但對基礎(chǔ)內(nèi)部孔隙水壓力變化的分析不夠充分。黎冰[12-13]和鄭翔[14]等分析了荷載作用點(diǎn)、作用角度及長徑比對基礎(chǔ)抗拔承載力的影響，認(rèn)為當(dāng)荷載作用于基礎(chǔ)高度的2/3至3/4之間時，基礎(chǔ)的抗拔承載能力最強(qiáng)，并提出吸力式沉箱基礎(chǔ)破壞位移的公式，但忽略了基礎(chǔ)上拔過程中產(chǎn)生的吸力對承載性能的影響。文獻(xiàn)[15]初步探討了砂土中吸力式桶形基礎(chǔ)豎向承載性狀。

綜上所述，對于吸力基礎(chǔ)拔出時，基礎(chǔ)內(nèi)部負(fù)壓對抗拔承載力的影響研究相對較少。為此，通過開展吸力基礎(chǔ)豎向拉拔模型試驗，探討上拔速度和基礎(chǔ)長徑比對基礎(chǔ)豎向抗拔承載力的影響，分析基礎(chǔ)在上拔過程中桶內(nèi)負(fù)壓的變化規(guī)律，以便更好地研究吸力基礎(chǔ)在飽和細(xì)海砂中的抗拔承載性能。

1 模型試驗

1.1 試驗用砂及儀器設(shè)備

試驗所用土樣為青島黃海海域細(xì)海砂，細(xì)海砂的顆粒級配曲線及相關(guān)物理參數(shù)和試驗所用儀器設(shè)備與文獻(xiàn)[11]在拉拔模型試驗中所用參數(shù)和設(shè)備一致。為確保試驗結(jié)果的可靠性和可重復(fù)性，嚴(yán)格控制每次試驗條件，使其具有一致性，并且每個試驗工況至少重復(fù)3次。為此，每次試驗，將模型箱內(nèi)深度為1.5倍主桶長度范圍內(nèi)的砂土整體進(jìn)行松動，注入10 cm高度的水，隨后排水加速砂土固結(jié)以模擬砂土地基沉積過程，水位降至2 cm，重復(fù)上述兩次注水排水固結(jié)過程。排水固結(jié)完畢后刮平砂土表面，架設(shè)加載裝置及量測裝置，繼續(xù)靜止放置12 h后開始試驗。通過上述方法，試驗砂土地基相對密實(shí)度可達(dá)97%，從而提高基礎(chǔ)抗拔承載力。

1.2 吸力基礎(chǔ)模型

采用兩種不同長徑比的不銹鋼制桶形基礎(chǔ)模型，如圖1所示。模型I-S的長徑比為1∶1(桶高120 mm，直徑120 mm)，模型II-S的長徑比為2∶1(桶高240 mm，直徑120 mm)。循環(huán)加載系統(tǒng)見圖2。

圖1 吸力基礎(chǔ)模型Fig.1 Suction caisson models

2 試驗過程

吸力基礎(chǔ)首先在自重作用下(考慮配重)沉入砂土地基一定深度，使基礎(chǔ)內(nèi)部形成封閉環(huán)境。然后借助真空泵，通過水氣轉(zhuǎn)換桶，抽出吸力基礎(chǔ)內(nèi)的空氣。此時吸力基礎(chǔ)內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓吸力，基礎(chǔ)繼續(xù)下沉，直至安裝完成，靜置24 h后開始上拔試驗。

圖2 模型試驗裝置Fig.2 Model test set up

為比較上拔速度和基礎(chǔ)長徑比對吸力基礎(chǔ)抗拔承載力的影響，對兩種不同長徑比的基礎(chǔ)模型進(jìn)行多組不同速度的拉拔試驗。分別通過安裝于伺服作動器前端的壓力傳感器和負(fù)壓傳感器測得勻速上拔過程中基礎(chǔ)內(nèi)部拉力和負(fù)壓的大小。試驗結(jié)束后，首先通過模型箱底部的注水閥向模型箱內(nèi)注水，使模型箱內(nèi)水位升高，并均勻松動模型箱內(nèi)砂土，松動范圍為砂土表面以下1.5倍基礎(chǔ)高度。當(dāng)模型箱內(nèi)水位高于砂土表面10 cm時，停止注水。之后打開底部排水閥門，對模型箱內(nèi)砂土地基進(jìn)行排水固結(jié)，當(dāng)模型箱內(nèi)水位降至高于砂土表面2 cm時，停止排水，并將砂面刮平。

3 試驗結(jié)果與分析

吸力基礎(chǔ)上拔速度越大，桶內(nèi)土體中的孔隙水壓力越不容易消散，桶內(nèi)負(fù)壓越大，基礎(chǔ)抗拔承載力越高。通過改變基礎(chǔ)的上拔速度，得到基礎(chǔ)上拔位移與桶內(nèi)負(fù)壓、上拔力與桶內(nèi)負(fù)壓以及上拔位移與抗拔承載力之間的關(guān)系曲線，分別如圖3～5所示。

3.1 桶內(nèi)負(fù)壓的變化規(guī)律

圖3為基礎(chǔ)模型I-S和基礎(chǔ)模型II-S分別以0.2、2、5和10 mm/s的速度勻速上拔時桶內(nèi)負(fù)壓和上拔位移之間的關(guān)系曲線。

圖3 基礎(chǔ)上拔位移與內(nèi)部負(fù)壓的變化關(guān)系Fig.3 Uplift displacements versus negative pressure

由圖3可以看出，桶內(nèi)負(fù)壓在拉拔的初始階段就已經(jīng)產(chǎn)生，并急劇增加到最大值。隨著基礎(chǔ)拔出位移的增加，負(fù)壓逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定。當(dāng)吸力基礎(chǔ)拔出時，由于內(nèi)部土塞中孔隙水壓力消散較慢，土塞中的滲流速度小于基礎(chǔ)的拔出速度，因而在桶內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓。拔出后，桶內(nèi)土塞在自重、桶壁內(nèi)摩阻力和桶內(nèi)、外壓力的共同作用下達(dá)到了平衡狀態(tài)，桶內(nèi)負(fù)壓趨于穩(wěn)定。對于相同長徑比的基礎(chǔ)模型，桶內(nèi)負(fù)壓的最大值隨著基礎(chǔ)上拔速度的增加而增大，這是由于基礎(chǔ)上拔速度越大，土中孔隙水壓力越不能及時消散，孔隙水壓力的累積使得桶內(nèi)負(fù)壓增大。而基礎(chǔ)以較低速率向上運(yùn)動時，基礎(chǔ)內(nèi)部超孔隙水壓力能及時消散，不會累積。以相同速度上拔時，長徑比為2的基礎(chǔ)模型產(chǎn)生的最大負(fù)壓明顯大于長徑比為1的基礎(chǔ)模型。

圖4 基礎(chǔ)所受拉力和桶內(nèi)負(fù)壓變化關(guān)系曲線Fig.4 Pull strength versus negative pressure

圖4為基礎(chǔ)模型I-S和模型II-S以5 mm/s上拔時的拉力與桶內(nèi)負(fù)壓關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)抗拔承載力與桶內(nèi)負(fù)壓關(guān)系密切。桶內(nèi)負(fù)壓越大，基礎(chǔ)抗拔承載力越大。當(dāng)桶內(nèi)負(fù)壓趨于平穩(wěn)時，抗拔承載力基本不變。

3.2 上拔速度對抗拔承載力的影響

圖5為基礎(chǔ)模型I-S和基礎(chǔ)模型II-S分別以0.2、2、5和10 mm/s勻速上拔時拉力和上拔高度的關(guān)系曲線。取上拔高度-拉力曲線上最大值作為基礎(chǔ)抗拔承載力極值，其值和增長比例見表1。

由表1可知，模型I-S以0.2 mm/s勻速上拔時，抗拔承載力極值為32.04 N，以10 mm/s勻速上拔時，抗拔承載力極值為72.62 N，增長比例為127%；而模型II-S以0.2 mm/s勻速上拔時，抗拔承載力極值達(dá)到58.7 N，以10 mm/s勻速上拔時，抗拔承載力極值達(dá)到168 N，增長比例達(dá)到187%，明顯高于模型I-S的增長比例。

圖5 基礎(chǔ)上拔高度與所受拉力關(guān)系曲線Fig.5 Uplift height versus pull-out strength

表1 基礎(chǔ)極限抗拔承載力及增長比例Tab.1 Ultimate bearing capacity versus growth ration

3.3 長徑比對抗拔承載力的影響

如圖6所示，相同長徑比的基礎(chǔ)模型，隨著基礎(chǔ)上拔速度的增加，基礎(chǔ)抗拔承載力明顯增加；對于不同長徑比的模型，以相同速度上拔時，長徑比越大，抗拔承載力極值越大，當(dāng)上拔速度為2 mm/s時，模型II-S增長比例達(dá)到最大，隨著上拔速度繼續(xù)增加，增長比例有所減小；當(dāng)基礎(chǔ)上拔速度增加時，長徑比為2的基礎(chǔ)模型的抗拔承載力極值增加幅度更大。

圖7可以看出，吸力基礎(chǔ)達(dá)到極限抗拔承載力時對應(yīng)的豎向位移非定值，而是隨加載速率以及基礎(chǔ)長徑比的增加呈增大趨勢。對于長徑比為1的吸力基礎(chǔ)，極限狀態(tài)下，基礎(chǔ)上拔位移約在0.06～0.2倍基礎(chǔ)直徑范圍內(nèi)；對于長徑比為2的吸力基礎(chǔ)，極限狀態(tài)下，基礎(chǔ)上拔位移約為基礎(chǔ)直徑的0.18～0.26倍。

圖6 基礎(chǔ)上拔速度與抗拔極限承載力關(guān)系曲線Fig.6 Uplift speed versus pull-out bearing capacity

圖7 基礎(chǔ)上拔速度與豎向位移關(guān)系曲線Fig.7 Uplift speed versus uplift height

當(dāng)吸力基礎(chǔ)以低速度向上拔起時，基礎(chǔ)內(nèi)部土體處于部分排水狀態(tài)，桶內(nèi)部產(chǎn)生較小孔隙水壓力，此時基礎(chǔ)的抗拔力主要由基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)內(nèi)外壁與砂土的摩擦力以及負(fù)壓吸力提供。當(dāng)基礎(chǔ)以較大速度上拔時，基礎(chǔ)內(nèi)部的土體處于完全不排水狀態(tài)，會急劇產(chǎn)生較大負(fù)孔隙水壓力，負(fù)壓使得基礎(chǔ)內(nèi)部形成土塞，并與基礎(chǔ)一起拔出，此時基礎(chǔ)抗拔承載力主要由基礎(chǔ)自重、基礎(chǔ)內(nèi)外壁與砂土摩擦力、土塞重力以及反向端承載力提供。當(dāng)以相同速度上拔時，相比于長徑比為1的基礎(chǔ)，長徑比為2的基礎(chǔ)桶體長度大，排水路徑長、排水較慢，容易產(chǎn)生較大負(fù)孔隙水壓力且不容易消散。上拔過程中，基礎(chǔ)內(nèi)部容易形成較大的負(fù)壓，因而基礎(chǔ)抗拔承載力較大。

4 結(jié)論

通過對飽和細(xì)海砂中吸力基礎(chǔ)進(jìn)行抗拔試驗，分析了基礎(chǔ)在上拔過程中孔隙水壓力變化和抗拔承載力變化規(guī)律，研究表明：

1) 基礎(chǔ)內(nèi)部負(fù)孔隙水壓力在拉拔初始階段就開始產(chǎn)生，并急劇增長到最大值，隨著拔出位移的增加，桶內(nèi)負(fù)壓逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

2) 吸力基礎(chǔ)長徑比是影響基礎(chǔ)抗拔承載力的重要因素。相同速度上拔時，相比于長徑比為1的基礎(chǔ)，長徑比為2的吸力基礎(chǔ)產(chǎn)生的負(fù)壓大，基礎(chǔ)抗拔承載力大，土塞拔出高度高。

3) 對于長徑比不同的兩種基礎(chǔ)模型，當(dāng)上拔速度由0.2增加到10 mm/s時，基礎(chǔ)抗拔承載力會顯著增加，長徑比為2的吸力基礎(chǔ)，抗拔承載力增加幅度更大。

4) 吸力基礎(chǔ)達(dá)到極限抗拔承載力時對應(yīng)的豎向位移非定值，而是隨加載速率以及基礎(chǔ)長徑比的增加而增大。

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