丁紅巖 ,許云龍,張浦陽 ,樂叢歡
(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300350;2. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院,天津 300350)
筒型基礎(chǔ)是一種頂端封閉、下部開口的結(jié)構(gòu),像倒扣在土中的桶.其安裝快捷[1-2]、受力性能良好[3],具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和良好的經(jīng)濟(jì)效益[4-5],能實(shí)現(xiàn)零殘余回收利用,是一種環(huán)境友好型基礎(chǔ)[6],應(yīng)用前景廣闊.
負(fù)壓沉貫是筒型基礎(chǔ)安裝過程中的重要一環(huán),負(fù)壓的施加決定安裝的成敗,負(fù)壓過小無法下沉,過大會(huì)超過臨界負(fù)壓引起滲透破壞,造成安裝失?。〖t巖等[7-8]、國振等[9-10]、李大勇等[11-13]在粉質(zhì)黏土、砂土中研究了筒型基礎(chǔ)吸力沉貫階段克服沉貫阻力需要提供的負(fù)壓和下沉深度之間的關(guān)系.Feld[14]基于SEEP軟件,結(jié)合CPT方法,提出了考慮吸力引起的有效應(yīng)力退化影響的吸力公式.Houlsby等[15]在砂土中進(jìn)行了沉箱結(jié)構(gòu)的沉貫,給出了砂土中滲流力的計(jì)算公式.Tran等[16]研究發(fā)現(xiàn),土體內(nèi)外滲透系數(shù)之比由1變化到3,臨界吸力提升較多.Senders等[17]基于模型試驗(yàn)研究得到砂土中筒內(nèi)土塞臨界水力梯度靠近筒壁內(nèi)側(cè).Harireche等[18]研究得到管涌在沉放中對(duì)貫入剪力破壞機(jī)理起主導(dǎo)作用.Panagoulias[19]研究發(fā)現(xiàn)土體內(nèi)外滲透系數(shù)之比為2~3時(shí),F(xiàn)eld公式、Houlsby&Byrne公式、Senders&Randolph計(jì)算筒型基礎(chǔ)的臨界負(fù)壓接近實(shí)際,并對(duì)砂土中的臨界水力梯度進(jìn)行了定義.
復(fù)合筒型基礎(chǔ)[20]是在筒型基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上提出的,其內(nèi)部由分艙板分為7個(gè)艙,蜂窩狀的結(jié)構(gòu)[21]使基礎(chǔ)具有良好的拖航穩(wěn)性[22],安裝更快捷,在位后承載性能好,然而分艙板使得沙土中復(fù)合筒型基礎(chǔ)的滲流更加復(fù)雜.張浦陽等[23]和丁紅巖等[24]用ADINA研究了砂土中復(fù)合筒型基礎(chǔ)沉貫與調(diào)平階段的滲流,推導(dǎo)了臨界吸力公式.
如上所述,前人做了大量與筒型基礎(chǔ)沉貫負(fù)壓和臨界負(fù)壓有關(guān)的研究,針對(duì)復(fù)合筒型基礎(chǔ)的臨界負(fù)壓主要通過數(shù)值模擬展開探討,少有通過試驗(yàn)開展研究.復(fù)合筒型基礎(chǔ)相當(dāng)于是由6個(gè)環(huán)筒并聯(lián)在一起,其臨界負(fù)壓的計(jì)算更加復(fù)雜.因此筆者開展了室內(nèi)大比尺模型試驗(yàn),研究復(fù)合筒型基礎(chǔ)在砂土中不同沉放深度處的臨界負(fù)壓,為復(fù)合筒型基礎(chǔ)的沉貫提供依據(jù).
本次試驗(yàn)用土成分主要是砂土,內(nèi)部含有少量淤泥質(zhì)黏土.試驗(yàn)是在寬2m、高2m的土槽中進(jìn)行,土槽由鋼板焊接而成,內(nèi)部從下到上依次是石子、土工布、砂土.試驗(yàn)中土體的養(yǎng)護(hù)按照以下流程:第1步,通過箱體底部管路排出土體中的水,開挖沙土;第2步,逐層回填,每層沙土的厚度為5cm,每放置一層沙土,從模型箱底部3個(gè)入水口緩慢注水,以不發(fā)生滲透破壞為控制條件,逐漸排出砂土中的氣體,待排水固結(jié)后加入下一層沙土,至沙土高度為0.8m時(shí)停止;第3步,底部加水至水面超過沙面2cm后,從模型箱頂部注水,下部排水口排水,排水固結(jié)8h;第4步,頂部加水到試驗(yàn)所需水位.試驗(yàn)所用土體飽和密度為2200kg/m3,壓縮模量為28.6MPa,土的孔隙比、密實(shí)度、飽和度等參數(shù)見表1,取樣方法為在距土面0.2、0.4、0.6、0.8m的4個(gè)高度上取樣,每個(gè)高度在箱子中心和側(cè)壁分別取樣,土質(zhì)參數(shù)取所有測(cè)點(diǎn)的平均值.土的粒徑級(jí)配曲線見圖1.
圖1 試驗(yàn)砂土粒徑級(jí)配曲線Fig.1 Particle size distribution curve of test sand
表1 試驗(yàn)用土的土質(zhì)參數(shù)Tab.1 Soil Parameters of experimental soil
本次試驗(yàn)中所用的模型為復(fù)合筒型基礎(chǔ),主要由鋼筒和弧形過渡段組成,其原型為江蘇某海域6.45MW復(fù)合筒型基礎(chǔ),模型如圖2所示.模型筒型基礎(chǔ)的直徑1m,高0.28m,分艙板和筒壁為不銹鋼,厚1.5mm,分艙板將基礎(chǔ)分為7個(gè)艙,各艙分布如圖2所示.頂蓋為有機(jī)玻璃,厚0.01m,分艙板和頂蓋板用螺栓固定在一起.
圖2 復(fù)合筒型基礎(chǔ)Fig.2 Composite bucket foundation
試驗(yàn)用到的設(shè)備有智能真空泵、水汽轉(zhuǎn)換筒、穩(wěn)壓電源、威墾德3840動(dòng)態(tài)采集儀等.試驗(yàn)裝置如圖3所示,筒型基礎(chǔ)7個(gè)艙的抽水管路直接連到水汽轉(zhuǎn)換筒上,每個(gè)抽水管路上設(shè)置有球閥,對(duì)各艙單獨(dú)控制,保證沉放效果,循環(huán)加水裝置連接土槽,實(shí)時(shí)控制水位.弧形過渡段頂端安裝有傾角儀和拉線式位移傳感器,監(jiān)測(cè)沉放過程中的位移和傾角,每個(gè)艙上部連接兩條管路,一條用于抽水,一條連接氣壓計(jì).
圖3 加載示意圖Fig.3 Schematic diagram of experimental loading
本試驗(yàn)主要是研究復(fù)合筒型基礎(chǔ)的臨界負(fù)壓,試驗(yàn)流程如下:首先進(jìn)行自重沉貫,待筒內(nèi)形成密封空間、初始入泥深度穩(wěn)定以后,打開智能真空泵抽吸負(fù)壓,真空飽和缸內(nèi)部壓強(qiáng)降低,筒型基礎(chǔ)在壓強(qiáng)差的作用下抽水下沉.沉貫中控制傾角小于0.15°;沉貫到設(shè)計(jì)深度12cm后,調(diào)節(jié)基礎(chǔ)的傾角,使傾角在0.05°以內(nèi),限制筒型基礎(chǔ)的豎向位移,分別對(duì)筒型基礎(chǔ)的1艙、3艙、5艙3個(gè)邊艙抽負(fù)壓,以理論計(jì)算的上臨界負(fù)壓為初始值,以0.5kPa為等級(jí)進(jìn)行加壓,直到土體發(fā)生滲透破壞;打氣將復(fù)合筒型基礎(chǔ)頂升到泥面,將土槽內(nèi)水放出,重復(fù)制土過程.分別將基礎(chǔ)沉貫到20cm和28cm重復(fù)以上試驗(yàn)過程.
筒型基礎(chǔ)的沉貫過程主要分為自重下沉和吸力下沉兩個(gè)階段.吸力下沉階段筒型基礎(chǔ)筒頂蓋上下的壓強(qiáng)差提供驅(qū)動(dòng)力,吸力太小時(shí)無法克服筒型基礎(chǔ)沉放過程的側(cè)摩阻力、端阻力、浮力等,吸力過大時(shí),筒內(nèi)外的總水頭差變大,在某一高度處,滲徑近似不變,總水頭變大,水力梯度變大,超過臨界水力梯度時(shí)就會(huì)發(fā)生滲透破壞[8].沉放過程中需要的最小負(fù)壓稱為下臨界負(fù)壓,發(fā)生滲透破壞時(shí)最小的負(fù)壓稱為上臨界負(fù)壓.在上、下臨界負(fù)壓之間,筒型基礎(chǔ)可以順利下沉[12],負(fù)壓的大小也決定了沉放的快慢,一般上臨界負(fù)壓簡稱為臨界負(fù)壓.吸力會(huì)改變土體中的水力梯度,超過臨界水力梯度會(huì)發(fā)生滲透破壞,筒型基礎(chǔ)沉貫過程中筒體端部的水力梯度最大,由于筒端土體的約束,不易發(fā)生滲透破壞,滲透破壞的位置在筒體內(nèi)壁和土的交界位置處,大量的試驗(yàn)也表明水力出口處最容易出現(xiàn)滲透破壞[25-26].目前臨界吸力計(jì)算公式有Feld公式、Houlsby&Byrne(HB)公式、Senders&Randolph(SR)公式和Ibsen&Thilsted(IT)公式,具體如下.
1) Feld公式
Feld[14]運(yùn)用有限元軟件SEEP,提出了筒型基礎(chǔ)臨界吸力公式:
2) Houlsby&Byrne公式
Houlsby和Byrne[15]在Junaideen的基礎(chǔ)上,考慮筒型基礎(chǔ)內(nèi)外滲透系數(shù)的不同,提出了計(jì)算公式:
3) Senders&Randolph公式
Senders和Randolph[17]基于PLAXIS軟件,考慮負(fù)壓對(duì)筒內(nèi)部側(cè)摩阻力和端阻力的影響,得到計(jì)算公式:
4) Ibsen&Thilsted公式
Ibsen和Thilsted[27]在SR模型的基礎(chǔ)上,運(yùn)用FLAC3D程序,提出了砂土中筒型基礎(chǔ)的臨界吸力公式:
Feld公式、HB公式、SR公式、IT公式中都假設(shè)筒內(nèi)部土的滲透系數(shù)是均勻的.HB模型考慮吸力引起的筒壁內(nèi)端阻力和摩阻力的變化是線性的,而SR模型假設(shè)是非線性的.
本次試驗(yàn)開展前運(yùn)用Feld公式、HB公式、SR公式、IT公式對(duì)復(fù)合筒型基礎(chǔ)模型在沉貫深度為12cm、16cm、20cm、24cm、28cm的上臨界負(fù)壓值進(jìn)行了預(yù)估,見表2,可以發(fā)現(xiàn)同一深度處不同的臨界負(fù)壓公式計(jì)算出的臨界負(fù)壓值差異很大.
表2 筒型基礎(chǔ)不同深度處上臨界負(fù)壓Tab.2 Upper critical suction at different depths of bucket foundation
3.1.1 沉貫深度為12cm
首先將復(fù)合筒型基礎(chǔ)抽水沉放12cm,調(diào)整x、y方向的傾角在0.05°以內(nèi),給筒型基礎(chǔ)施加一個(gè)豎向約束,保證筒型基礎(chǔ)不會(huì)繼續(xù)下沉,分別對(duì)1艙、5艙抽負(fù)壓,通過氣壓計(jì)測(cè)量壓強(qiáng),試驗(yàn)編號(hào)為C12-1、C12-5.C12-1中“12”代表沉貫深度為12cm,“1”代表1艙,依此類推.由表2知,復(fù)合筒型基礎(chǔ)沉貫深度為12cm時(shí),臨界負(fù)壓在2.5kPa以上,故C12-1和C12-5分別以2.5kPa、3.5kPa作為初始負(fù)壓,并以0.5kPa為等級(jí)逐漸增加,試驗(yàn)過程中由真空泵施加負(fù)壓,真空泵內(nèi)負(fù)壓隨時(shí)間的施加準(zhǔn)則稱為加載制度,如圖4所示.
圖4 負(fù)壓加載制度(沉貫深度為12cm)Fig.4 Loading system of negative pressure(sinking depth is 12cm)
筒型基礎(chǔ)沉貫深度為12cm時(shí),測(cè)量得到1艙、5艙滲透破壞時(shí)的負(fù)壓分別為4867Pa、5295Pa,如圖5所示,滲透破壞壓強(qiáng)為5000Pa.發(fā)生滲透破壞時(shí),筒內(nèi)負(fù)壓瞬間降低,筒體外側(cè)出現(xiàn)裂縫,進(jìn)而出現(xiàn)下凹,凹陷的區(qū)域短時(shí)間內(nèi)迅速擴(kuò)大,艙內(nèi)水位迅速上升,如圖6所示.
圖5 復(fù)合筒型基礎(chǔ)內(nèi)部壓強(qiáng)變化曲線(沉貫深度為12cm)Fig.5 Internal pressure variation curve of composite bucket foundation(sinking depth is 12cm)
圖6 復(fù)合筒型基礎(chǔ)滲透破壞現(xiàn)象(沉貫深度為12cm)Fig.6 Seepage failure phenomenon of composite bucket foundation(sinking depth is 12cm)
3.1.2 沉貫深度為20cm
將復(fù)合筒型基礎(chǔ)負(fù)壓沉放到20cm后,調(diào)整x、y兩方向的傾角在0.05°以內(nèi),給復(fù)合筒型基礎(chǔ)施加豎向力,保證筒型基礎(chǔ)不會(huì)繼續(xù)下沉,分別對(duì)1艙、5艙抽負(fù)壓,通過氣壓計(jì)測(cè)量壓強(qiáng),試驗(yàn)編號(hào)為C20-1、C20-5.C20-1中“20”代表沉貫深度為20cm,“1”代表1艙,依此類推.由表2可以看出復(fù)合筒型基礎(chǔ)沉放20cm時(shí)的臨界負(fù)壓在4kPa以上,考慮到傳遞效率以及12cm深處的臨界負(fù)壓值,C20-1、C20-5以6kPa作為加載的起點(diǎn),打開真空飽和缸,待負(fù)壓穩(wěn)定以后,打開閥門,觀察艙內(nèi)負(fù)壓變化,待艙內(nèi)負(fù)壓穩(wěn)定以后,關(guān)閉閥門,以0.5kPa為加載等級(jí)進(jìn)行試驗(yàn),負(fù)壓加載制度見圖7.
圖7 負(fù)壓加載制度(沉貫深度為20cm)Fig.7 Loading system of negative pressure(sinking depth is 20cm)
1艙、5艙發(fā)生滲透破壞時(shí)的臨界負(fù)壓如圖8所示,分別是8671Pa、8739Pa,不同艙之間的臨界負(fù)壓差值很?。畯?fù)合筒型基礎(chǔ)沉貫深度為20cm時(shí)的臨界負(fù)壓值為8700Pa,發(fā)生滲透破壞的瞬間,艙內(nèi)壓強(qiáng)瞬間降低,水位迅速上升至筒頂蓋,筒外壁和土之間出現(xiàn)細(xì)微的裂縫,土體表面顆粒變粗,見圖9.
圖8 復(fù)合筒型基礎(chǔ)內(nèi)部壓強(qiáng)變化曲線(沉貫深度為20cm)Fig.8 Internal pressure variation curve of composite bucket foundation(sinking depth is 20cm)
圖9 復(fù)合筒型基礎(chǔ)滲透破壞現(xiàn)象(沉貫深度為20cm)Fig.9 Seepage failure phenomenon of composite bucket foundation(sinking depth is 20cm)
3.1.3 沉貫深度為28cm
將復(fù)合筒型基礎(chǔ)負(fù)壓沉貫到28cm后,保證x、y兩方向的傾角在0.05°以內(nèi),給復(fù)合筒型基礎(chǔ)施加豎向力,保證筒型基礎(chǔ)不會(huì)繼續(xù)下沉,分別對(duì)1艙、5艙抽負(fù)壓,試驗(yàn)編號(hào)為C28-1、C28-5.C28-1中“28”代表沉貫深度為28cm,“1”代表1艙,依此類推.由表2可知,筒型基礎(chǔ)沉貫深度為28cm時(shí)的臨界負(fù)壓為6kPa以上,C28-1和C8-5分別從6kPa、7kPa開始加載,以0.5kPa為增量加載,結(jié)果見圖10.由圖11可知1艙和5艙滲透破壞時(shí)的臨界負(fù)壓分別為11933Pa、12077Pa. 復(fù)合筒型基礎(chǔ)發(fā)生滲透破壞的瞬間,筒內(nèi)水位迅速上漲,筒外一定范圍有微裂縫產(chǎn)生,如圖12所示.
圖10 負(fù)壓加載制度(沉貫深度為28m)Fig.10 Loading system of negative pressure(sinking depth is 28cm)
圖11 復(fù)合筒型基礎(chǔ)內(nèi)部壓強(qiáng)變化曲線(沉貫深度為28cm)Fig.11 Internal pressure variation curve of composite bucket foundation(sinking depth is 28cm)
圖12 復(fù)合筒型基礎(chǔ)滲透破壞現(xiàn)象(沉貫深度為28cm)Fig.12 Seepage failure phenomenon of composite bucket foundation(sinking depth is 28cm)
針對(duì)筒型基礎(chǔ)臨界負(fù)壓,學(xué)者利用SEEP、FLAC3D等有限元軟件進(jìn)行分析,得到了臨界負(fù)壓的理論計(jì)算公式,但是針對(duì)帶分艙板的筒型基礎(chǔ)的臨界負(fù)壓的理論公式較少,采用試驗(yàn)方法來研究的更少.本章在砂土中用試驗(yàn)手段分別研究了筒型基礎(chǔ)沉貫深度為12cm、20cm、28cm的上臨界負(fù)壓,即h/D為0.12、0.20、0.28時(shí)的上臨界負(fù)壓.通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),筒型基礎(chǔ)沉貫中的臨界負(fù)壓大于理論值,即h/D為0.12、0.20、0.28的臨界負(fù)壓分別為5kPa、8.7kPa、12kPa,Koteras[28]在單筒沉貫試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)超過吸力極限值未發(fā)生管涌破壞的現(xiàn)象.
為研究加載等級(jí)對(duì)臨界負(fù)壓的影響,對(duì)沉貫深度為20cm時(shí)筒型基礎(chǔ)的臨界負(fù)壓進(jìn)一步研究.將筒型基礎(chǔ)沉貫到深度為20cm,調(diào)節(jié)傾角在0.05°以內(nèi),同時(shí)對(duì)7個(gè)艙抽負(fù)壓,從6.5kPa開始加載,加載等級(jí)2kPa,結(jié)果見圖13,筒型基礎(chǔ)發(fā)生滲透破壞時(shí)臨界負(fù)壓值為8.9kPa,對(duì)比圖8可知,加載速率對(duì)最大臨界負(fù)壓的影響較?。?/p>
圖13 沉貫深度為20cm的復(fù)合筒型基礎(chǔ)內(nèi)部壓強(qiáng)Fig.13 Internal pressure of composite bucket foundation with penetration depth of 20cm
為進(jìn)一步探究單艙抽負(fù)壓和7個(gè)艙同時(shí)抽負(fù)壓對(duì)臨界負(fù)壓值的影響,將筒型基礎(chǔ)沉貫到16cm,對(duì)7個(gè)艙同時(shí)施加負(fù)壓,從6.5kPa開始,以0.5kPa為加載等級(jí),結(jié)果見圖14.筒型基礎(chǔ)4艙首先發(fā)生滲透破壞,滲透破壞時(shí)的臨界負(fù)壓為6.7kPa,發(fā)生滲透破壞后停止施加負(fù)壓,各艙負(fù)壓如圖15所示,滲透破壞時(shí)1、3、4艙壓差別不大,2艙負(fù)壓小于其他艙是因?yàn)樨?fù)壓在管路上有所損失,負(fù)壓傳遞效率不一致.
圖14 負(fù)壓加載制度Fig.14 Loading system of negative pressure
圖15 復(fù)合筒型基礎(chǔ)內(nèi)部壓強(qiáng)變化曲線Fig.15 Internal pressure variation curve of composite bucket foundation
筒型基礎(chǔ)沉貫深度為12cm、16cm、20cm、28cm時(shí)的臨界負(fù)壓值分別為5kPa、6.7kPa、8.7kPa、12kPa,將試驗(yàn)所得結(jié)果無量綱化,S/γ′D分別為0.42、0.56、0.73、0.96,與理論公式進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果見圖16,可以看出,筒型基礎(chǔ)臨界負(fù)壓值在深度較小時(shí),接近SR公式,隨著深度的增加,筒型基礎(chǔ)的臨界負(fù)壓值不斷增加,超過SR公式的臨界負(fù)壓值也不會(huì)發(fā)生滲透破壞.h/D為0.12、0.20、0.24、0.28時(shí),筒型基礎(chǔ)的臨界負(fù)壓值分別是Feld公式的1.55倍、1.67倍、1.85倍、1.89倍.采用理論公式計(jì)算得到的上臨界負(fù)壓值偏保守,安全儲(chǔ)備較多.試驗(yàn)中得到的上臨界負(fù)壓值大于理論公式的原因主要是理論公
圖16 臨界負(fù)壓值對(duì)比Fig.16 Comparison of critical suction
式中沒有考慮施加吸力后筒內(nèi)發(fā)生向上的滲流造成的土體密實(shí)度發(fā)生改變,Senders和Randolph[17]開展筒型基礎(chǔ)沙土中沉貫試驗(yàn),基于CPT測(cè)試沉貫前后筒內(nèi)土體也發(fā)現(xiàn)土體變松,不同深度處的水力梯度不一樣,土體滲透系數(shù)沿深度發(fā)生變化;Koteras[28]在單筒負(fù)壓沉貫試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)吸力安裝后筒內(nèi)土塞的相對(duì)密實(shí)度顯著降低.從Feld公式可以看出,筒型基礎(chǔ)沉貫過程中的臨界負(fù)壓主要與土體有效重度γ′、基礎(chǔ)直徑D、貫入深度和直徑的比值h/D有關(guān),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得到公式(5),因加載速率不影響最大臨界負(fù)壓,公式中未考慮加載速率的影響.
本文基于理論分析和室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)復(fù)合筒型基礎(chǔ)的上臨界負(fù)壓做了研究,進(jìn)行了沉貫深度為12cm、20cm、28cm的模型試驗(yàn),通過無量綱化分析,得到臨界吸力隨深度的變化規(guī)律,并在16cm、20cm處進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,得到以下結(jié)論.
(1) 在砂土中,復(fù)合筒型基礎(chǔ)h/D為0.12、0.16、0.20、0.24時(shí)的臨界負(fù)壓分別是5kPa、6.7kPa、8.7kPa、12kPa,臨界負(fù)壓值比Feld公式、SR公式、HB公式、IT公式計(jì)算的值都大,是Feld公式的1.55倍、1.67倍、1.85倍、1.89倍,安全系數(shù)很大,SR臨界負(fù)壓的計(jì)算公式能夠用于指導(dǎo)復(fù)合筒型基礎(chǔ)的施工.
(2) 加載等級(jí)的大小對(duì)復(fù)合筒型基礎(chǔ)同一深度處臨界負(fù)壓的影響較小,分別對(duì)復(fù)合筒型基礎(chǔ)的單艙施加吸力與7個(gè)艙同時(shí)施加吸力對(duì)同一深度處臨界吸力影響較?。?/p>
(3) 復(fù)合筒型基礎(chǔ)相當(dāng)于是6個(gè)筒并聯(lián)在一起,邊艙和中艙之間相互作用,本文通過試驗(yàn)提出了臨界吸力公式,能為復(fù)合筒型基礎(chǔ)模型試驗(yàn)臨界負(fù)壓的預(yù)測(cè)提供依據(jù).