劉 潤(rùn)，李貝貝，馬文冠，練繼建，陳廣思

（天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

1 研究背景

風(fēng)能作為一種無(wú)污染的清潔能源逐漸引起人們的重視，由于陸上可開(kāi)發(fā)的風(fēng)電資源有限，近些年來(lái)全球各國(guó)把眼光投向海上風(fēng)電資源。筒型基礎(chǔ)作為一種新型的海上風(fēng)電基礎(chǔ)型式，具有易于安裝、節(jié)約成本和可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景［1］。筒型基礎(chǔ)沉放過(guò)程中，土體在筒自重和負(fù)壓的共同作用下受到擾動(dòng)，土中孔隙水壓力發(fā)生劇烈變化，土體強(qiáng)度受到影響，這不僅會(huì)影響筒型基礎(chǔ)的承載能力，而且會(huì)對(duì)海底管線等周圍結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利影響。因此，需要對(duì)筒型基礎(chǔ)沉放過(guò)程的影響范圍開(kāi)展相應(yīng)的研究［2-3］。

目前，針對(duì)吸力式筒型基礎(chǔ)沉放過(guò)程中筒內(nèi)外土體超靜孔隙水壓力產(chǎn)生和分布的研究很少［4］，但筒型基礎(chǔ)的自重沉放過(guò)程可類比于傳統(tǒng)樁基礎(chǔ)的貫入過(guò)程［5］，因此可借鑒樁基礎(chǔ)相應(yīng)的研究方法及研究成果。朱向榮［6］通過(guò)分析沉樁過(guò)程中樁周土體孔隙水壓力的實(shí)測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)樁周土體超靜孔隙水壓力的分布隨距樁中心點(diǎn)的距離呈對(duì)數(shù)衰減，影響范圍約為30 倍樁徑。姚笑青等［7］從土壓力理論出發(fā)，將沉樁過(guò)程近似看作土體受水平擠壓而發(fā)生破壞的過(guò)程，進(jìn)而對(duì)孔隙水壓力的變化進(jìn)行了理論分析。

筒型基礎(chǔ)的負(fù)壓沉放過(guò)程與樁基礎(chǔ)的正壓貫入過(guò)程有很大區(qū)別，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)筒型基礎(chǔ)的負(fù)壓沉放過(guò)程進(jìn)行了大量的研究。Cao［8］通過(guò)離心模型試驗(yàn)，研究了沉箱沉放過(guò)程超靜孔隙水壓力的分布規(guī)律，結(jié)果表明適用于打入式樁的圓孔擴(kuò)張理論也同樣可用來(lái)描述吸力式沉箱在黏土中的超靜孔隙水壓力分布。Chen 等［9］采用離心機(jī)試驗(yàn)、大變形有限元和圓孔擴(kuò)張理論來(lái)研究不同筒型基礎(chǔ)的沉放方式對(duì)于筒外部土體徑向總壓力的影響。Lian 等［10］進(jìn)行了一系列室內(nèi)試驗(yàn)，研究了砂土中靜壓和負(fù)壓沉放過(guò)程中沉箱與飽和砂土相互作用的機(jī)理，并提出了計(jì)算沉放阻力與所需負(fù)壓的修正公式。丁紅巖等［11］通過(guò)大比尺模型試驗(yàn)研究了在粉質(zhì)黏土中復(fù)合筒型基礎(chǔ)沉放過(guò)程所需負(fù)壓。劉潤(rùn)、祁越等［12-13］通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)分別研究了在正壓和負(fù)壓作用下，筒型基礎(chǔ)在無(wú)黏性土中的沉放阻力。綜上所述，對(duì)于筒型基礎(chǔ)沉放過(guò)程的研究，更多的偏重于合理確定沉阻力和所需負(fù)壓，對(duì)于筒型基礎(chǔ)沉放過(guò)程的影響范圍研究很少。

本文針對(duì)我國(guó)海域粉質(zhì)黏土廣泛分布的特點(diǎn)，開(kāi)展了粉質(zhì)黏土中筒型基礎(chǔ)的沉放實(shí)驗(yàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)筒基內(nèi)、外土中孔隙水壓力和土體抗剪強(qiáng)度的變化，揭示了筒型基礎(chǔ)沉放過(guò)程對(duì)周圍土體的影響范圍與程度。

2 室內(nèi)模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c材料試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑殇撝茍A筒，為了便于觀察筒內(nèi)情況，其頂部安裝了可拆卸的法蘭盤，具體尺寸見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?/p>

現(xiàn)有地勘資料顯示，海洋表層黏性土不排水抗剪強(qiáng)度范圍為5 ～10 kPa，試驗(yàn)中一方面參考地勘資料，同時(shí)考慮對(duì)比正負(fù)壓下沉過(guò)程孔壓分布需要盡量減小筒型基礎(chǔ)初始貫入深度，最終確定制備表層土體強(qiáng)度為10 kPa 的黏土。試驗(yàn)土體取自天津港吹填區(qū)，為具有海相沉積特性的粉質(zhì)黏土。填土?xí)r，首先用自制的黏土攪拌裝置將土體加水?dāng)嚢铻榱魉軤顟B(tài)，然后分層填入1 m×1 m×1 m 的試驗(yàn)槽內(nèi)，靜置兩周后進(jìn)行了真空預(yù)壓固結(jié)，固結(jié)過(guò)程中使用微型十字板每隔1 h 測(cè)量一次土體不排水抗剪強(qiáng)度，直至土體強(qiáng)度達(dá)到10 kPa，此時(shí)測(cè)得的土體的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表2所示。

表2 土質(zhì)參數(shù)

2.2 測(cè)試方案

（1）筒內(nèi)外孔隙水壓力監(jiān)測(cè)：為了測(cè)量筒型基礎(chǔ)沉放過(guò)程中孔隙水壓力沿筒軸向及徑向的變化，填土階段即在土中預(yù)埋了數(shù)組孔壓傳感器，其中筒內(nèi)兩列，筒外三列，每列均為3 個(gè)，布置形式如圖1所示。

（2）土體強(qiáng)度測(cè)試：為了研究筒基沉放對(duì)鄰近土體強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)中使用了微型十字板測(cè)量筒基沉放前后土體的不排水抗剪強(qiáng)度。定義，L 為測(cè)點(diǎn)距筒基中心的距離，r0為筒基半徑，測(cè)點(diǎn)1 ～4 分別對(duì)應(yīng)λ取值為0、0.5、1.3 和2，測(cè)點(diǎn)布置示意如圖2所示。

圖1 孔壓計(jì)布置

圖2 測(cè)點(diǎn)布置

筒型基礎(chǔ)沉放前，測(cè)量距筒中心不同距離處土體的不排水抗剪強(qiáng)度Su0，取平均值作為筒基沉放前的土體強(qiáng)度，表3出了筒基沉放前黏土不排水抗剪強(qiáng)度值Su0，正壓與負(fù)壓沉放后土體強(qiáng)度以折減率形式在后文給出。

表3 筒基沉放前的不排水強(qiáng)度

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟此次試驗(yàn)地點(diǎn)位于天津大學(xué)巖土工程實(shí)驗(yàn)室，分別采用靜壓與負(fù)壓試驗(yàn)?zāi)M筒型基礎(chǔ)的沉放過(guò)程。

（1）靜壓沉放試驗(yàn)：模型筒首先依靠自身重量緩慢下沉，待筒體穩(wěn)定后，連接傳力架，采用伺服電機(jī)勻速加載，加載速率為0.5 mm/s，沉放總阻力通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量。靜壓試驗(yàn)裝置如圖3所示。試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)筒內(nèi)外孔隙水壓力的變化。Lian［10］研究結(jié)果表明，靜壓下沉速度對(duì)沉貫阻力基本沒(méi)有影響（1 cm/s 和2 cm/s），本文試驗(yàn)為了分析孔壓變化過(guò)程，需要盡可能減小筒型基礎(chǔ)下沉速度，因此選擇加載速度為0.5 mm/s。

（2）負(fù)壓沉放實(shí)驗(yàn)：模型筒首先在自重作用下緩慢下沉，待筒體穩(wěn)定后，連接真空泵與負(fù)壓罐對(duì)筒內(nèi)抽負(fù)壓，直至模型筒沉放就位，筒型基礎(chǔ)沉放深度使用位移計(jì)測(cè)量。負(fù)壓試驗(yàn)裝置如圖4所示。試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)筒內(nèi)外孔隙水壓力的變化。

圖3 靜壓沉放試驗(yàn)裝置

圖4 負(fù)壓沉放試驗(yàn)裝置

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）靜壓沉放試驗(yàn)結(jié)果：圖5為筒型基礎(chǔ)靜壓沉放試驗(yàn)得到的沉放總阻力和時(shí)間隨沉放深度的變化曲線，圖中F 為沉放總阻力，t 為時(shí)間，H 為沉放深度。

由圖5可知，筒型基礎(chǔ)的沉放阻力隨沉放深度的增加線性增長(zhǎng)。筒基在1.46 kN 的貫入力作用下共下沉19.2 cm，沉放就位后有超土塞現(xiàn)象，超土塞高度為0.8 cm。

筒內(nèi)、外孔隙水壓力的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6所示，圖中Δu 為超靜孔隙水壓力。

分析圖6可知，隨著筒型基礎(chǔ)靜壓下沉，筒內(nèi)外土中的超靜孔隙水壓力不斷增加，當(dāng)筒端的下沉深度達(dá)到測(cè)點(diǎn)深度時(shí)，測(cè)點(diǎn)的超靜孔隙水壓力達(dá)到峰值，而后下降。相同深度測(cè)點(diǎn)的孔隙水壓力變化表明，筒內(nèi)的超靜孔隙水壓力明顯大于筒外，這是由于筒內(nèi)土體受到的擠壓程度大于筒外。

圖5 沉放總阻力和時(shí)間隨沉放深度變化曲線

圖6 超靜孔隙水壓力變化曲線

土體中孔隙水壓力的變化必然導(dǎo)致有效應(yīng)力的改變從而影響土體的強(qiáng)度，定義ξ為筒型基礎(chǔ)沉放后鄰近土體的強(qiáng)度折減率，其中Sui為筒基沉放后土體不排水抗剪強(qiáng)度值。圖7給出了筒基靜壓沉放后不同位置土體的強(qiáng)度的平均折減率。

分析圖7發(fā)現(xiàn)，筒型基礎(chǔ)靜壓沉放對(duì)筒內(nèi)、外土體的強(qiáng)度產(chǎn)生了影響，且隨著距筒基中心點(diǎn)距離的增加土體的強(qiáng)度折減率提高，當(dāng)土體距筒體中心的距離等于2 r0時(shí)，土體不排水抗剪強(qiáng)度值Su基本不受影響。

圖7 靜壓沉放強(qiáng)度折減率隨間距變化規(guī)律

圖8 負(fù)壓和沉放位移隨時(shí)間變化曲線

（2）負(fù)壓沉放試驗(yàn)結(jié)果：圖8為筒型基礎(chǔ)負(fù)壓沉放試驗(yàn)得到的負(fù)壓和沉放深度隨時(shí)間變化曲線，圖中P 為負(fù)壓。由圖8可知，筒型基礎(chǔ)負(fù)壓沉放試驗(yàn)中，用真空泵持續(xù)抽負(fù)壓，直至筒頂蓋完全接觸土體，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程歷時(shí)1100 s。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)發(fā)現(xiàn)筒內(nèi)存在土塞，高度為4.8 cm。筒型基礎(chǔ)在自重作用下沉1.2 cm，在負(fù)壓作用下下沉14 cm?？梢悦黠@看出，負(fù)壓沉放方式土塞高度明顯大于正壓沉放方式，主要有兩方面原因，一方面在負(fù)壓作用下筒壁排開(kāi)的土體向筒內(nèi)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致負(fù)壓沉放方式的土塞高度明顯大于正壓沉放方式；另一方面由于試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽巛^小，試驗(yàn)過(guò)程中負(fù)壓施加加快，導(dǎo)致了筒內(nèi)土塞較高。

圖9 超靜孔隙水壓力隨時(shí)間變化

圖10 負(fù)壓沉放強(qiáng)度折減率隨間距變化規(guī)律

筒內(nèi)、外孔隙水壓力的監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示，因PO-7、PO-8 和PO-9 在試驗(yàn)過(guò)程中損壞，圖中未列出。

分析圖9可知，筒內(nèi)土中的超靜孔隙水壓力隨著負(fù)壓的施加而迅速下降，且越靠近土面，超靜孔隙水壓力下降幅度越大，說(shuō)明越靠近負(fù)壓源的土體中超靜孔隙水壓力受到的影響越大。在負(fù)壓沉放結(jié)束時(shí)，筒內(nèi)中心處距土面3 cm 處孔壓計(jì)PI-4 的測(cè)量值為-6 kPa，PI-1 的測(cè)量值為-5.5 kPa，即筒基中心點(diǎn)處的超靜孔隙水壓力絕對(duì)值最大。筒外土中超靜孔隙水壓力隨著筒型基礎(chǔ)的下沉略有提高，說(shuō)明負(fù)壓源對(duì)筒外超靜孔隙水壓力影響較小。

圖10給出了筒基負(fù)壓沉放后不同位置土體的強(qiáng)度折減率。分析圖11可知，筒型基礎(chǔ)負(fù)壓沉放對(duì)筒內(nèi)、外土體的強(qiáng)度產(chǎn)生了影響，隨著距筒基中心點(diǎn)位置的增長(zhǎng)而土體的強(qiáng)度折減率提高。當(dāng)土體距筒基中心的距離大于2 r0時(shí)，土體不排水抗剪強(qiáng)度值Su基本不受影響。

圖11 筒壁沉貫擠土效應(yīng)

3 筒型基礎(chǔ)沉放影響范圍研究

3.1 基本假定將環(huán)形筒壁看作緊密排列的等直徑圓柱體，筒壁沉放過(guò)程類似沉樁擠土過(guò)程，忽略圓柱體之間的相互作用，可將筒壁擠土過(guò)程看作圓孔擴(kuò)張問(wèn)題，如圖11所示。

圖11中a0為圓柱孔的初始半徑；au為擴(kuò)張后的終孔半徑；ap為塑性區(qū)半徑；up為塑性區(qū)外側(cè)邊界的徑向位移； pu為最終壓力；σr為徑向擠土應(yīng)力；σθ為切向擠土應(yīng)力；r 為計(jì)算點(diǎn)距筒壁中心點(diǎn)的距離； μ 為土的泊松比；E 為土體的彈性模量；c 為土的黏聚力；φ 為土的摩擦角。

3.2 靜壓沉放影響范圍理論推導(dǎo)考慮單元力系的平衡，可以得到平面應(yīng)變軸對(duì)稱問(wèn)題的平衡微分方程為［14-15］：

由應(yīng)力平衡條件與邊界條件可知，在彈性區(qū)和塑性區(qū)的交界處，有：

式中：q 為初始應(yīng)力，q=γ′HK0，其中γ′為土的有效容重；H 為距土面距離；K0為靜止土壓力系數(shù)。

為了確定最終壓力pu，可假定筒壁排開(kāi)的土體體積等于彈性區(qū)體積變化與塑性區(qū)體積變化之和，則有：

式中：au=0.5δ，δ為筒壁厚度；Δ為塑性區(qū)平均體積應(yīng)變，取值范圍為0～0.0054［16］；L1為筒裙高度。

展開(kāi)式（5），略去up的高階項(xiàng)和項(xiàng)得：

超靜孔隙水壓力以平均法向正應(yīng)力增量Δσo和八面體剪應(yīng)力增量Δτo計(jì)算，根據(jù)Henkel公式［17］，有：

式中：αf及β 為Henkel 孔隙水壓力系數(shù)（土完全飽和時(shí)β=1）。

圓形孔為平面應(yīng)變問(wèn)題，考慮到土體不可壓縮，可得：

式中： Ir為剛度指標(biāo)，

平均法向正應(yīng)力增量Δσo為：

八面體剪應(yīng)力增量Δτo為：

可以認(rèn)為當(dāng)Δu=0，得到靜壓沉放最大徑向影響范圍Rmax的表達(dá)式為：

其中：

3.3 負(fù)壓沉放影響范圍理論推導(dǎo)假定筒外土中水向筒滲流的方向以水平向?yàn)橹?，近似按平面?yīng)變軸對(duì)稱問(wèn)題研究，滲流方向指向孔內(nèi)，如圖12所示，R1為距圓孔中心距離； p1為外水壓力。

考慮滲流體積力的平衡微分方程為［18］：

式中pw為滲流體積力［19］：

圖12 滲流體積力

與靜壓沉放推導(dǎo)過(guò)程相同，可計(jì)算出孔內(nèi)的最終壓力：

其中：

超靜孔隙水壓力根據(jù)Henkel 公式［17］計(jì)算，同樣假定Δu=0時(shí)對(duì)應(yīng)的距離為負(fù)壓沉放的最大徑向影響范圍Rmax：

由于負(fù)壓沉放過(guò)程中，筒壁排開(kāi)土體部分進(jìn)入筒內(nèi)形成超土塞，筒壁對(duì)外側(cè)土體擠壓減弱，在計(jì)算中考慮對(duì)au的折減，即au=η( 0.5δ)，建議η 的取值范圍為0.6～0.8。

3.4 影響范圍由模型試驗(yàn)結(jié)果可知，筒型基礎(chǔ)靜壓和負(fù)壓沉放對(duì)筒外土體造成影響，為了進(jìn)一步分析影響規(guī)律，將筒外土面以下3 cm、10 cm 和17 cm 的孔壓計(jì)分別記為U-1、U-2、U-3，將超靜孔隙水壓力和距離進(jìn)行歸一化處理［20］，其中σ′vo為上覆有效應(yīng)力，并將歸一化后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制于半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系內(nèi)，如圖13所示，圖中實(shí)線部分為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合曲線。

圖13中試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線與橫軸的相交點(diǎn)，為筒基靜壓沉放產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力零點(diǎn)，得土面以下3 cm、10 cm、17 cm 的影響范圍分別為20.4 cm、21.6 cm、22 cm。圖14為試驗(yàn)數(shù)值和理論結(jié)果的比較圖，理論計(jì)算參數(shù)取值為：c=5 kPa，φ=13.2°，E=3.5 MPa，μ=0.5，γ′＝9 kN/m，Δ＝0.001，δ=0.006 m，αf=1.74，r0=0.1 m。

圖13 靜壓沉放的筒外側(cè)超靜孔隙水壓力分布

圖14 試驗(yàn)數(shù)值和理論結(jié)果的比較

圖15 負(fù)壓沉放筒外側(cè)超靜孔隙水壓力分布

圖16 試驗(yàn)數(shù)值和理論結(jié)果的比較

從圖14可知，理論結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，驗(yàn)證了式（12）的可靠性，Rmax與H 呈規(guī)則的線性關(guān)系?？傻玫酵不o壓沉放對(duì)周圍土體影響的最遠(yuǎn)距離約為2.2 r0，該距離隨土層深度的增加而略有增加。

圖15為負(fù)壓沉放筒外側(cè)超靜孔隙水壓力分布圖，圖中實(shí)線部分為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合曲線。圖中試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線與橫軸的相交點(diǎn)，為筒基負(fù)壓沉放產(chǎn)生的超靜孔隙水壓力零點(diǎn)，得土面以下3 cm、10 cm、17 cm 的影響范圍分別為16.2 cm、16.4 cm、16.1 cm。圖16為試驗(yàn)數(shù)值和理論結(jié)果的比較圖，理論計(jì)算參數(shù)取值為：c=5 kPa，φ=13.2°，E=3.5 MPa，μ=0.5，γ′=9 kN/m，Δ=0.005，δ=0.006 m，αf=1.74，r0=0.1 m，R1=0.2 m，p1=10 kPa。

從圖16可知，理論結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，驗(yàn)證了式（18）的可靠性，Rmax與H 呈規(guī)則的線性關(guān)系?？傻玫酵不?fù)壓沉放對(duì)周圍土體影響的最遠(yuǎn)距離約為1.6r0，該距離隨土層深度的增加而略有減小。

4 結(jié)論

筒型基礎(chǔ)安裝過(guò)程會(huì)擾動(dòng)周圍土體影響其承載能力，同時(shí)也會(huì)對(duì)周圍海底管線等鄰近結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生不利影響，因此研究筒型基礎(chǔ)安裝過(guò)程影響范圍和程度具有重要意義。本文通過(guò)室內(nèi)小比尺模型試驗(yàn)，以土體不排水抗剪強(qiáng)度和孔隙水壓力參數(shù)的變化為依據(jù)，研究并分析了粉質(zhì)黏土中筒型基礎(chǔ)靜壓與負(fù)壓沉放的影響范圍，同時(shí)通過(guò)理論推導(dǎo)給出了最大影響范圍的計(jì)算方法。具體結(jié)論如下：

（1）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，筒型基礎(chǔ)靜壓沉放過(guò)程中，當(dāng)筒端下沉深度達(dá)到測(cè)點(diǎn)深度時(shí)，測(cè)點(diǎn)的超靜孔隙水壓力達(dá)到峰值，而后下降；筒型基礎(chǔ)負(fù)壓沉放過(guò)程中，筒內(nèi)土中的超靜孔隙水壓力隨著負(fù)壓的施加而迅速下降，且越靠近土面，超靜孔隙水壓力下降幅度越大，筒外超靜孔隙水壓力隨著筒型基礎(chǔ)的下沉略有提高。

（2）理論推導(dǎo)最大影響范圍計(jì)算方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，即筒型基礎(chǔ)靜壓沉放對(duì)周圍土體影響的最遠(yuǎn)距離約為2.2 r0，該距離隨土層深度的增加而略有增加；負(fù)壓沉放對(duì)周圍土體影響的最遠(yuǎn)距離約為1.6 r0，該距離隨土層深度的增加而略有減小。

（3）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，筒型基礎(chǔ)靜壓和負(fù)壓沉放方法均對(duì)筒內(nèi)、外土體的強(qiáng)度產(chǎn)生了影響，且隨著距筒基中心點(diǎn)位置的增長(zhǎng)而土體的強(qiáng)度折減率提高，當(dāng)土體距筒體中心的距離等于2 r0時(shí)，土體不排水抗剪強(qiáng)度值Su基本不受影響。