山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟南 250061

與陸地資源開發(fā)不同，海洋環(huán)境和地質(zhì)條件較復(fù)雜，海洋資源開發(fā)首先必須克服海洋環(huán)境（海水、海浪、海流、風(fēng)暴、軟弱基礎(chǔ)等）對工程實踐帶來的各種潛在影響。海洋環(huán)境與地質(zhì)條件的復(fù)雜性增加了海上工程的建設(shè)難度和投資風(fēng)險，于是吸力式沉箱基礎(chǔ)作為一種新的基礎(chǔ)形式應(yīng)運而生，其具有施工工期短、節(jié)省原材料、造價低、運輸安裝方便、可重復(fù)使用、適用軟弱土質(zhì)等優(yōu)點，在海洋工程中有著廣闊的應(yīng)用空間。

海洋資源開采平臺的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不僅要承受其上部結(jié)構(gòu)的巨大自重與工作荷載帶來的長期作用，還要受到臺風(fēng)、颶風(fēng)、波浪、洋流、冰川、潮汐等的強烈影響，若其承載性能不足將直接導(dǎo)致海洋建筑物整體坍塌、失穩(wěn)破壞。為此，文章利用液化地層海洋沉箱結(jié)構(gòu)模型試驗裝置，通過室內(nèi)試驗，分別研究了水平荷載和豎向荷載作用下的沉箱基礎(chǔ)地基破壞模式，為確保海洋平臺結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗裝置與試驗方法

對吸力式沉箱基礎(chǔ)承載特性的研究一般采用室內(nèi)模型試驗、離心機試驗和現(xiàn)場試驗等方式。其中，室內(nèi)模型試驗是按照真實的構(gòu)件，依據(jù)比例、材料、尺寸、荷載相似的要求做成比較小的構(gòu)件來代替大型結(jié)構(gòu)試驗的一種試驗方式，具有成本相對較低、針對性強、數(shù)據(jù)準確、加載次數(shù)多、可反復(fù)觀察等優(yōu)點。現(xiàn)場試驗則受環(huán)境條件限制大、加載次數(shù)少，不能進行較完整的數(shù)據(jù)分析。因此，室內(nèi)模型試驗是目前較為常用的試驗方式。

1.1 黏土樣制備

制備飽和黏土所采用的裝置為真空抽吸法飽和黏土制樣裝置。該制樣裝置為雙層筒體結(jié)構(gòu)，由外壁、與外壁為一體結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁和密封蓋組成。與以往制備飽和黏土的泥漿加壓固結(jié)法相比較，該制樣裝置結(jié)構(gòu)較為輕巧，操作方便，單人即可完成制樣工作；抽吸效果好，制樣效率高，可極大地縮短制樣時間，重復(fù)利用度高；并且所制備試樣有較好的均勻性，飽和度高。制成飽和黏土樣后，試驗土樣基本物理力學(xué)指標采用室內(nèi)土工試驗方法進行測量，采用烘干法測定重塑土樣不同位置處的平均含水率，以確保該試驗土體的最優(yōu)含水率。

1.2 試驗裝置

模型試驗主要研究吸力式沉箱基礎(chǔ)地基在水平荷載和豎向荷載作用下的破壞模式，試驗主要分為兩部分：吸力式沉箱基礎(chǔ)的水平荷載模型試驗和豎向荷載模型試驗。

試驗所采用的設(shè)備為自行研制的小型模型試驗裝置（見圖1），其中模型槽是尺寸為800mm×800mm×800mm的鋼制箱，為方便制備和養(yǎng)護土體，模型槽上部無蓋，該模型槽對加載時土體的側(cè)向變形可以起到很好的約束作用。為有效避免在模型槽四周設(shè)置排水邊界會造成槽內(nèi)四周土體強度過大的問題，需在模型槽底部對稱設(shè)置排水孔，以保證同一深度處試驗土體強度的均勻性。

圖1 液化地層的吸力式沉箱結(jié)構(gòu)模型試驗裝置

實際工程中海洋沉箱基礎(chǔ)的制作材料為鋼材，與土體相比，其軸向剛度較大。為保證試驗準確性，海洋沉箱基礎(chǔ)模型為鋼材加工而成的頂端封閉的桶形結(jié)構(gòu)，其內(nèi)外壁光滑，下部敞開，桶蓋部位預(yù)留有抽水孔，用來排出空氣和水。海洋沉箱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)直徑為200mm、壁厚5mm、桶高200mm。

該設(shè)備能夠模擬水平荷載、豎向荷載、扭剪荷載單獨作用和共同作用下的海洋沉箱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與土的相互作用機理，通過液壓控制系統(tǒng)來控制施加荷載的大小，在吸力式沉箱基礎(chǔ)頂部施加水平荷載、豎向荷載、扭剪荷載，該加載方式在試驗過程中更容易保持荷載的穩(wěn)定性。

1.3 試驗過程

試驗是否準確有序進行對試驗結(jié)果的準確性具有很大影響，海洋吸力式沉箱基礎(chǔ)模型試驗過程如下：

（1）在模型槽中填充預(yù)置的飽和黏土可按照分層填土、鋪平、整體震動夯實等步驟來實施，為保證每層土都具有良好的均勻性，需要控制每次填土的質(zhì)量及夯實后的厚度。

（2）將海洋沉箱基礎(chǔ)模型放置于模型槽中，先讓其在自身重應(yīng)力的作用下不斷沉降，待其穩(wěn)定后，再通過負壓方式將海洋沉箱基礎(chǔ)模型壓入飽和黏土中。

（3）試驗加載方式通過液壓加載系統(tǒng)來實現(xiàn)荷載控制，從桶軸線頂部開始，逐級施加旋轉(zhuǎn)荷載，并且每一級加載的荷載大小要控制在沉箱基礎(chǔ)極限承載力的10%左右。每次加載后，待基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)變形量完全穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，該級荷載作用下的位移數(shù)據(jù)取值為位移量隨時間變化逐漸穩(wěn)定后的結(jié)果，并對每級荷載作用下的土壓力數(shù)據(jù)進行記錄。當被測點位移超過10mm或者模型整體失穩(wěn)時，認為該沉箱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)達到破壞模式，此時試驗終止。沉箱結(jié)構(gòu)荷載施加過程見圖2。

圖2 沉箱結(jié)構(gòu)荷載施加過程

2 試驗結(jié)果分析

2.1 水平荷載作用下的吸力式沉箱基礎(chǔ)地基破壞模式

試驗所得到的水平荷載作用下的地基破壞模式見圖3。由圖3可知，吸力式海洋沉箱基礎(chǔ)在水平動荷載作用下產(chǎn)生傾斜，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁后側(cè)與海床土分離，且頂部分離孔隙較大；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁前側(cè)擠壓海床土使土體產(chǎn)生隆起；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁海床土隨著基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)發(fā)生位移變化，但整體型式未改變。

圖3 試驗所得到的水平荷載作用下的地基破壞模式

產(chǎn)生該種破壞模式的原因主要有以下兩點：（1）與土壓力分析進行比較，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁土壓力從頂部至底部變化趨勢基本一致。海洋沉箱基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水平位移時，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)海床土整體型式未改變，只是在底部與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)銜接處產(chǎn)生較大土壓力。（2）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁頂部后側(cè)土壓力趨于0，這是由于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁后側(cè)與海床土分離，土壓力消散所致。

2.2 豎向荷載作用下的吸力式沉箱基礎(chǔ)地基破壞模式

試驗所得到的豎向荷載作用下的地基破壞模式見圖4。由圖4可知，吸力式海洋沉箱基礎(chǔ)在豎向動荷載作用下產(chǎn)生剪切變形，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁頂部與海洋土分離產(chǎn)生裂縫且裂縫較大；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁底部擠壓海洋土使基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)兩側(cè)土體產(chǎn)生隆起；基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁海床土隨著沉箱基礎(chǔ)發(fā)生位移變化，但整體型式未改變。

圖4 試驗所得到的豎向荷載作用下的地基破壞模式

產(chǎn)生該種破壞模式的原因主要有以下兩點：（1）與土壓力分析進行比較，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁土壓力從頂部至底部變化趨勢基本一致。這是由于海洋沉箱基礎(chǔ)產(chǎn)生豎向位移時，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)海洋土整體型式未改變，只是在底部與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)銜接處產(chǎn)生較大土壓力。（2）基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁土壓力頂部與底部相比較小，這是由于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁頂部與海床土分離，土壓力消散所致。

3 結(jié)論

通過室內(nèi)模型試驗，文章針對水平荷載和豎向荷載作用下的沉箱基礎(chǔ)地基破壞模式開展了試驗研究，得到了以下結(jié)論：

（1）海洋沉箱基礎(chǔ)在水平荷載作用下產(chǎn)生傾斜破壞，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁后側(cè)與海床土分離，且頂部分離孔隙較大，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁前側(cè)擠壓海床土致使土體產(chǎn)生隆起。

（2）海洋沉箱基礎(chǔ)在豎向荷載作用下產(chǎn)生剪切變形，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁頂部與海床土分離產(chǎn)生裂縫且裂縫較大，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)外壁底部擠壓海床土致使基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)兩側(cè)土體產(chǎn)生隆起。

（3）海洋沉箱基礎(chǔ)在水平荷載或豎向荷載作用下，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)壁海床土隨著沉箱基礎(chǔ)發(fā)生位移變化，但整體型式未改變。