謝立全 李曉波 馬士力

（同濟(jì)大學(xué)水利工程系，上海200092）

0 引 言

海洋平臺(tái)的研究與實(shí)際應(yīng)用是當(dāng)代海洋開發(fā)戰(zhàn)略的重要部分。早在1987 年，同濟(jì)大學(xué)朱百里就討論研究了海洋平臺(tái)的各類可行的形式并展望了海洋巖土工程的發(fā)展前景［1］。針對(duì)海洋平臺(tái)穩(wěn)定性的研究也越來越多，2008 年王琳琳，祁德慶在對(duì)海洋平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)分析上得出了一些結(jié)論［2］。2018年，張紀(jì)剛等從穩(wěn)定性角度出發(fā)，對(duì)鋁合金混凝土海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究［3］。由此可見近十年來國(guó)內(nèi)海洋平臺(tái)發(fā)展迅速。吸力錨基礎(chǔ)作為新興的一種海洋基礎(chǔ)形式，最早于20 世紀(jì)依據(jù)負(fù)壓錨的原理提出，將底部開口的大型圓柱薄壁結(jié)構(gòu)的上端封閉，通過在頂部架設(shè)一個(gè)排氣抽水孔，利用負(fù)壓貫入到設(shè)計(jì)深度，從而具有足夠的承載力支撐海底建筑物的穩(wěn)定性，之后成功在北海和墨西哥灣一帶進(jìn)行應(yīng)用［4］。對(duì)比其他基礎(chǔ)來說，吸力式基礎(chǔ)具有施工簡(jiǎn)便、造價(jià)低廉，并且可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)［5-6］，故具有廣泛的應(yīng)用前景。但是，要使吸力式基礎(chǔ)承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，關(guān)鍵取決于吸力式基礎(chǔ)能否沉貫到位。國(guó)內(nèi)外眾多工程實(shí)例已經(jīng)表明，吸力式基礎(chǔ)之所以失敗，大多是因?yàn)槌霖炦^程出現(xiàn)問題。Wang 等［7］最早于 1975 年分別在砂土、粉土和黏性土當(dāng)中開展了吸力式基礎(chǔ)的沉貫試驗(yàn)，證明了吸力式基礎(chǔ)的多種土質(zhì)適用性。朱斌等［8］通過大比尺模型試驗(yàn)研究了負(fù)壓與沉貫深度的關(guān)系。丁紅巖等［9-10］分別研究了不同土質(zhì)下土塞高度與基礎(chǔ)下沉深度關(guān)系。楊少麗等［11-12］研究了均質(zhì)粉土沉貫過程中桶內(nèi)土體的變化以及土塞發(fā)展與基礎(chǔ)高徑比的關(guān)系。余璐慶等［13］和國(guó)振等［14］分別研究了粉土和黏性土中基礎(chǔ)沉貫阻力和土塞的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由于筒形基礎(chǔ)在砂土地基貫入過程的復(fù)雜性，為了避免滲流造成的破壞，Senders［15］通過數(shù)值方法給出了臨界吸力計(jì)算公式。陳飛等［16］通過開展實(shí)驗(yàn)修正了Senders給出的臨界吸力公式，并研究了沉貫過程中的筒—土作用機(jī)理。李大勇等［17］則通過模型試驗(yàn)給出了最佳試驗(yàn)條件并展示了土塞和水塞的形成過程。Ibsen 等［18］、Erbrich 等［19］、Feld［20］、練繼建等［21］通過建立數(shù)值模型針對(duì)滲透破壞進(jìn)行分析，并以水力梯度為控制條件建立了臨界吸力計(jì)算公式，被廣泛應(yīng)用于施工和設(shè)計(jì)。Randolph 等［22］則通過開展砂土中筒形基礎(chǔ)沉貫的離心試驗(yàn)，認(rèn)為無需控制吸力大小。

吸力式基礎(chǔ)的安裝過程，包括定位觸底、重力貫入土體、抽水形成負(fù)壓最終貫入及結(jié)束安裝四個(gè)階段。其中負(fù)壓沉貫階段一直是研究關(guān)注的重點(diǎn)。由于復(fù)雜的深海波流環(huán)境和海床地形的影響，使得吸力式基礎(chǔ)的安裝難度較大，桶基在沉貫過程中容易發(fā)生傾斜，嚴(yán)重影響其深海中的施工效率，且桶基傾斜后的最終貫入深度和承載能力也明顯降低，影響錨泊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)錨泊能力。武科等［23］和 Aubeny C P 等［24］研究表明，荷載作用的偏心距對(duì)吸力式基礎(chǔ)承載力影響明顯，因此，桶體傾斜將加大荷載偏心的影響。工程實(shí)際施工過程中，筒形基礎(chǔ)在海流作用下容易在沉貫過程中發(fā)生傾斜，又由于海底地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜，難以監(jiān)測(cè)，因此這方面相對(duì)應(yīng)的研究成果比較有限。本文通過模型試驗(yàn)，探究了吸力式基礎(chǔ)在不同坡度海床上的貫入過程，并以此對(duì)照，找出吸力式基礎(chǔ)的傾斜機(jī)制與特性。

1 試驗(yàn)布置及方案確定

1.1 吸力桶模型與試驗(yàn)設(shè)備

本文采用的吸力桶為鋁質(zhì)圓桶，頂部采用板厚3 cm有機(jī)玻璃圓板將其密封。桶壁厚度為1 mm，桶高50 cm，桶內(nèi)徑50 cm，模型自重為23 kg，在吸力桶模型頂部布設(shè)有排水抽氣孔，可以傳遞負(fù)壓。另外通過自制的負(fù)壓加載控制裝置，可以準(zhǔn)確控制沉貫過程中的負(fù)壓加載，使其保持在一個(gè)穩(wěn)定值，減小試驗(yàn)誤差。

試驗(yàn)在剛性試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖渲羞M(jìn)行，吸力桶模型位于土槽中間位置，在桶內(nèi)負(fù)壓加載條件下被壓入土體。試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯料溆尚弯撟鳛楣潭蚣?，?cè)壁與底板為鋼化玻璃，結(jié)合吸力式基礎(chǔ)模型桶尺寸要求與試驗(yàn)條件，確定其長(zhǎng)度、寬度、高度分別為120 cm、100 cm、50 cm。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1 所示。模型箱模擬的邊界條件與實(shí)際工程環(huán)境會(huì)產(chǎn)生一定的差別，這種差別勢(shì)必會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成一定的影響，這種影響成為邊界效應(yīng)。對(duì)于靜力問題，要求模型箱側(cè)壁摩擦系數(shù)盡可能小、剛度盡可能大。減小側(cè)壁摩擦力可以通過涂抹凡士林、桂脂等潤(rùn)滑劑并粘貼乳膠膜來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于動(dòng)力問題，采用剛性模型箱，其側(cè)壁將會(huì)被激振，使試驗(yàn)結(jié)果造成影響。目前這類問題已得到解決，比如在模型箱壁內(nèi)加一層抑制振動(dòng)的襯［25-26］，在爆炸和沖擊荷載的模擬試驗(yàn)中也采用類似的處理方法；若采用疊環(huán)式或鉸接式等完全柔性的模型箱，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基底輸入振動(dòng)加速度的響應(yīng)，而在水平方向可以自由變形，從而使側(cè)壁約束非常小［27］。

圖1 傾斜中的吸力桶模型及負(fù)壓加載控制裝置Fig.1 Slopping suction bucket model and negative pressure loading control device

1.2 試驗(yàn)土體制備及參數(shù)測(cè)定

本試驗(yàn)過程中所采用的土體為加工過后的砂，試驗(yàn)中控制填土干密度為1.56 g/cm3，將其靜置達(dá)到飽和狀態(tài)后測(cè)得飽和密度為1.99 g/cm3，孔隙比為0.77，滲透系數(shù)為2.80×10-5m/s。之后用篩分試驗(yàn)法測(cè)得土體級(jí)配曲線如圖2所示。

圖2 土體級(jí)配曲線Fig.2 Grading curve of soil

1.3 試驗(yàn)布置

試驗(yàn)過程中試驗(yàn)布置裝置示意如圖3所示，水平地基分別在桶內(nèi)外不同高度共放置6個(gè)孔壓傳感器，傾斜地基共放置5個(gè)孔壓傳感器，且均布置于桶內(nèi)，監(jiān)測(cè)吸力桶在貫入過程中的孔壓變化情況。

圖3 試驗(yàn)布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of test layout

1.4 試驗(yàn)方案

本文試驗(yàn)的工況分水平地基和傾斜地基兩種情況，有關(guān)試驗(yàn)的具體參數(shù)如表1 所示，主要研究吸力桶的貫入機(jī)制和傾斜機(jī)理。

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Plan of test

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水平地基試驗(yàn)

圖4 給出了吸力式基礎(chǔ)在不同負(fù)壓下的貫入過程曲線，其四個(gè)工況的貫入速率分別為13.8 cm/min、18.9 cm/min、24.6 cm/min、29.2 cm/min。由圖中可得，負(fù)壓越大，貫入速率越大，極限貫入深度也越大。整個(gè)貫入過程可分為三個(gè)階段:第一階段是近似于直線的貫入階段，此時(shí)貫入速度較快；第二階段為平緩貫入階段，由于沉貫阻力的增加，貫入速度逐漸降低；第三階段為極限貫入階段，此時(shí)吸力桶達(dá)到在該負(fù)壓下的極限貫入深度。圖中對(duì)于負(fù)壓加載-10 kPa、-15 kPa、-20 kPa三個(gè)工況，由于試驗(yàn)土層厚度的限制，吸力桶尚未達(dá)到極限貫入深度。

圖4 不同負(fù)壓下的基礎(chǔ)貫入深度曲線Fig.4 The penetration depth curve of foundation under different negative pressure

圖5 為吸力式基礎(chǔ)在負(fù)壓-5 kPa 下貫入時(shí)孔壓歷時(shí)演變曲線。由圖可見，吸力式基礎(chǔ)外側(cè)孔壓隨著貫入深度的增大變化很小。然而，吸力式基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)的孔壓對(duì)基礎(chǔ)貫入深度的變化比較敏感，隨著貫入深度不斷增加，孔壓值也不斷增大，越接近土體表面孔壓值越大。對(duì)于負(fù)壓加載-10 kPa、-15 kPa、-20 kPa 其他三個(gè)工況，孔壓變化規(guī)律相同。對(duì)比4 個(gè)工況結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加載負(fù)壓的變化對(duì)桶體內(nèi)外的孔壓變化規(guī)律和幅值大小幾乎沒有影響。

圖5 負(fù)壓-5 kPa貫入時(shí)孔壓變化曲線Fig.5 The change curve of pore water pressure at the time of-5 kPa negative pressure penetration

2.2 傾斜地基試驗(yàn)

圖6 是不同貫入負(fù)壓下吸力式基礎(chǔ)兩側(cè)貫入過程曲線圖。從圖中可以看出，在海床傾斜狀態(tài)下，吸力式基礎(chǔ)貫入時(shí)兩側(cè)貫入量增長(zhǎng)不同步。左側(cè)（斜坡下側(cè)）高于右側(cè)（斜坡上側(cè)），也就是說，貫入過程中吸力桶向左側(cè)（斜坡下側(cè)）傾斜，其最大傾斜度為達(dá)3%，如圖7 所示。對(duì)比4 種工況發(fā)現(xiàn)，隨著貫入負(fù)壓的增加，兩側(cè)貫入量差值越小，傾斜度越小。說明在海床傾斜狀態(tài)下，吸力式基礎(chǔ)貫入時(shí)應(yīng)采取較大負(fù)壓，防止基礎(chǔ)產(chǎn)生傾斜?？梢钥闯觯?dāng)吸力式基礎(chǔ)發(fā)生傾斜時(shí)，負(fù)壓也會(huì)對(duì)吸力式基礎(chǔ)傾斜時(shí)產(chǎn)生一定的糾偏作用，只是糾偏效果非常有限。

圖8 為貫入負(fù)壓-5 kPa 時(shí)孔壓變化規(guī)律圖。當(dāng)吸力桶左側(cè)貫入到2 cm 時(shí)，5#和6#孔隙水壓力開始出現(xiàn)正壓增大，當(dāng)左側(cè)貫入深度達(dá)到2.6 cm時(shí)出現(xiàn)峰值，之后又迅速向負(fù)壓增加。在-5 kPa的負(fù)壓荷載左右兩側(cè)的貫入深度曲線圖8a 中，得到當(dāng)右側(cè)貫入深度達(dá)到1 cm 時(shí)，左側(cè)此時(shí)的貫入深度在2 cm（傾斜2%），當(dāng)右側(cè)達(dá)到1.25 cm時(shí)，左側(cè)貫入深度達(dá)到2.6 cm（傾斜2.7%），在極短時(shí)間內(nèi)吸力桶發(fā)生傾斜。從中可見，在吸力桶傾斜度達(dá)到一定程度時(shí)（這里為2%），孔壓開始往正壓增加，隨著傾斜程度加劇孔壓不斷向正壓增加。當(dāng)吸力桶傾斜接近該加載條件極限傾斜度時(shí)（這里為3%），孔壓停止向正壓增加，并轉(zhuǎn)向朝負(fù)壓增加。之后，吸力桶的傾斜狀態(tài)變化不大。負(fù)壓貫入-10 kPa，-15 kPa 兩個(gè)工況變化規(guī)律與以上相似。圖9 給出了貫入負(fù)壓為-20 kPa 時(shí)孔壓的變化規(guī)律，對(duì)比前面可以看出，該工況下孔壓沒出現(xiàn)拐點(diǎn)和上升傾向，根據(jù)圖7 的傾斜度可知該工況傾斜度最小，僅有1.1%。說明吸力式基礎(chǔ)桶體內(nèi)孔壓出現(xiàn)拐點(diǎn)和上升點(diǎn)時(shí)，基礎(chǔ)傾斜明顯增大，需及時(shí)糾偏。同時(shí)說明當(dāng)負(fù)壓增大后，對(duì)土體的傾斜度有一定抑制作用。

圖6 不同貫入負(fù)壓下的桶體兩側(cè)貫入深度Fig.6 The depth of penetration on both sides of the barrel under different penetration negative pressure

圖7 不同負(fù)壓貫入時(shí)的傾斜度Fig.7 Slope of different negative pressure penetration

圖8 負(fù)壓-5 kPa貫入時(shí)孔壓變化曲線Fig.8 The change curve of pore water pressure at the time of-5 kPa negative pressure penetration

圖9 負(fù)壓-20 kPa貫入時(shí)孔壓變化曲線Fig.9 The change curve of pore water pressure at the time of-20 kPa negative pressure penetration

3 結(jié) 論

本文在自行研制的試驗(yàn)平臺(tái)上做了一系列吸力桶模型在不同地基下的貫入試驗(yàn)?；谠谠囼?yàn)過程中所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探究了吸力式基礎(chǔ)在負(fù)壓下的貫入過程曲線以及發(fā)生傾斜時(shí)的傾斜機(jī)制，主要結(jié)論如下:

（1）吸力式基礎(chǔ)在水平地基中垂直貫入時(shí)，在負(fù)壓貫入階段其貫入深度關(guān)系曲線呈現(xiàn)三個(gè)階段，即線性增加階段、緩慢收斂階段以及極限階段。其極限貫入深度隨著負(fù)壓的增大而增大。

（2）吸力式基礎(chǔ)在負(fù)壓垂直貫入到土體中，外側(cè)的孔壓變化很小，內(nèi)側(cè)孔壓隨著貫入深度增加不斷增大，豎直方向上距土體表面越近則孔壓越大；當(dāng)負(fù)壓大小變化時(shí)，桶體內(nèi)外側(cè)的孔壓變化規(guī)律和幅值大小變化不大。

（3）吸力式基礎(chǔ)在傾斜地基狀態(tài)下貫入時(shí)會(huì)產(chǎn)生傾斜現(xiàn)象，對(duì)比水平狀態(tài)，可知傾斜發(fā)生原因即為地基的傾斜。同時(shí)，貫入時(shí)的負(fù)壓越大貫入完成時(shí)的桶體傾斜度越小，表明在相同傾斜程度的地基上，貫入負(fù)壓越大，桶體發(fā)生傾斜的程度越小，故當(dāng)吸力式基礎(chǔ)在非水平的海床上貫入時(shí)則建議使用較大負(fù)壓貫入，以避免產(chǎn)生較大傾斜。

（4）吸力式基礎(chǔ)桶體內(nèi)孔壓出現(xiàn)反向變化和峰值時(shí)，基礎(chǔ)傾斜度開始增加，隨著孔壓往正壓方向的增加，基礎(chǔ)傾斜度不斷增大，當(dāng)孔壓繼續(xù)轉(zhuǎn)向往負(fù)壓方向增加時(shí)，基礎(chǔ)傾斜度變化不大，則可以通過孔壓的變化來判斷施工過程中基礎(chǔ)的傾斜狀態(tài)和傾斜程度。