劉書(shū)杰 黃 熠 劉和興 張明賀 李 磊 鄭金龍

(1.中海石油(中國(guó))有限公司湛江分公司 2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)安全與海洋工程學(xué)院)

0 引 言

吸力樁的樁體是一個(gè)頂端封閉、底部開(kāi)口的鋼筒，又稱(chēng)筒形基礎(chǔ)，是一種常見(jiàn)的海洋工程基礎(chǔ)形式。多數(shù)筒形基礎(chǔ)采用負(fù)壓下沉安裝，合理的負(fù)壓能在保證地基穩(wěn)定的前提下大幅度減小筒體下沉阻力。吸力樁早期主要應(yīng)用于深海錨固及海底地質(zhì)勘測(cè)等水下工程，對(duì)其表層建井技術(shù)的應(yīng)用及研究較少。1980年，在歐洲北海的40 m水深海域處吸力樁首次安裝了單點(diǎn)系泊儲(chǔ)油裝置；1989年，挪威國(guó)家石油公司研制開(kāi)發(fā)了吸力樁式基礎(chǔ)的導(dǎo)管架平臺(tái)，并于1994年在挪威70 m水深海域成功運(yùn)用筒形基礎(chǔ)安裝了導(dǎo)管架平臺(tái)[1]；1994年7月，在中國(guó)渤海首次安裝了吸力錨為油輪系泊定位，并于1995年成功運(yùn)用了雙筒式吸力錨，第一次為“自強(qiáng)號(hào)”沉墊自升式平臺(tái)安裝吸力式阻滑樁；1999年在渤海海域成功安裝了自主建造的三筒吸力樁系纜平臺(tái)；2000年以后，挪威多次在北海進(jìn)行吸力樁建井實(shí)踐，并于2018年在澳大利亞海域成功實(shí)現(xiàn)了近1 500 m水深的吸力樁建井和回收作業(yè)；2020年，中石油成功利用吸力樁表層建井的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了天然氣水合物的第二次試采，證明了吸力樁建井的應(yīng)用前景。

2011年，T.SIVERTSEN等[2]提出新的海底建井基礎(chǔ)概念，給出了吸力樁的設(shè)計(jì)思想。2013年，閆澍旺等[3]通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組筒形基礎(chǔ)的承載力特性進(jìn)行了研究，包括長(zhǎng)徑比、水平承載力以及樁體內(nèi)部設(shè)置隔艙的承載力特性，給出了吸力樁基礎(chǔ)承載力的影響因素。2013年，李大勇等[4]提出在傳統(tǒng)吸力基礎(chǔ)上外加樁裙的復(fù)合基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，可顯著提高基礎(chǔ)水平承載力。丁紅巖等[5]針對(duì)海上風(fēng)電復(fù)合筒形基礎(chǔ)在粉質(zhì)黏土中的下沉進(jìn)行大尺寸試驗(yàn)，分析了沉貫過(guò)程中的土體壓力和孔隙水壓力，并給出了沉貫?zāi)Σ烈驍?shù)的取值，但計(jì)算方法較為復(fù)雜。W.MATHIS等[6]提出在挪威巴倫支海域進(jìn)行吸力樁建井技術(shù)，取得了針對(duì)淺層油氣藏開(kāi)發(fā)實(shí)踐的成功。KAN C.B.等[7]提出一種新型復(fù)合基礎(chǔ)來(lái)安裝表層導(dǎo)管，在常規(guī)表層導(dǎo)管外部附加一個(gè)大直徑的筒形基礎(chǔ)，并通過(guò)豎直模擬的方法證明了該種復(fù)合結(jié)構(gòu)可以提高海底井口的豎向承載力和抗彎性能。該方法并沒(méi)有改變表層導(dǎo)管的下入深度，設(shè)計(jì)過(guò)于保守，只是在井口附近外加大直徑筒形基礎(chǔ)，并依靠基礎(chǔ)自重下入海底淺層，這既增加了制作和安裝成本，也存在復(fù)合基礎(chǔ)下入受阻的風(fēng)險(xiǎn)，但這種思想與吸力樁方法建井原理相同。馬文冠等[8]針對(duì)粉土中筒形基礎(chǔ)的貫入阻力進(jìn)行研究，給出了計(jì)算方法，并針對(duì)不同筒端形式的減阻效果進(jìn)行分析，為吸力樁建井的減阻設(shè)計(jì)提供了參考。

本文基于上述研究，對(duì)深水吸力樁建井方法開(kāi)展沉貫過(guò)程承載力特性理論和試驗(yàn)研究，以期為深水吸力柱建井施工及后續(xù)承載力計(jì)算提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 吸力樁法建井

1.1 吸力樁筒形基礎(chǔ)

筒形基礎(chǔ)是一種圓筒形薄殼結(jié)構(gòu)，通常采用鋼質(zhì)單筒。筒形基礎(chǔ)入泥后，依靠土對(duì)其側(cè)壁的摩擦力及底部支撐力提供豎向承載力。傳統(tǒng)深水海底建井采用表層導(dǎo)管基礎(chǔ)，適用于多數(shù)土質(zhì)，下入深度一般大于60 m，用鋼量大，海上安裝用時(shí)長(zhǎng)。吸力樁基礎(chǔ)入泥淺，可節(jié)省導(dǎo)管鋼材，承載能力強(qiáng)。

吸力樁利用樁體自身重力沉入海底，再通過(guò)吸力泵抽出筒內(nèi)海水和空氣，制造內(nèi)外部壓力差，最終被貫入到設(shè)計(jì)深度。國(guó)內(nèi)外對(duì)于深水表層建井中表層導(dǎo)管的承載性能、筒形基礎(chǔ)的承載性能等都做了大量研究。將深水導(dǎo)管與筒形基礎(chǔ)進(jìn)行組合，形成一種新型復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用筒形基礎(chǔ)的承載特性給井口提供支撐的研究較少。由于外部筒形基礎(chǔ)的承載能力較強(qiáng)，從而增強(qiáng)了導(dǎo)管在豎直方向上的承載能力以及在井口伸出部分的抗彎性能。這種深水表層建井施工方式，大大縮短了導(dǎo)管下入深度，導(dǎo)管下入后不需要承載力恢復(fù)時(shí)間，提升了下導(dǎo)管效率，降低了鉆井費(fèi)用。

1.2 吸力樁建井過(guò)程

采用吸力樁方法下表層導(dǎo)管的過(guò)程如圖1所示，具體步驟如下。

圖1 吸力樁建井過(guò)程示意圖

(1)工程船將預(yù)制好的吸力樁基礎(chǔ)運(yùn)輸?shù)浇ň恢茫ㄟ^(guò)攬繩將吸力樁送入海底泥線(xiàn)以上位置，準(zhǔn)確調(diào)整下入位置，控制下入垂直度，為吸力樁入泥做準(zhǔn)備。

(2)海底淺層主要為松軟泥土，吸力樁下入初期阻力較小，吸力樁自身浮重為800 kN左右，可以依靠自身重力作為下入動(dòng)力，重力貫入深度大約3 m。此時(shí)為了確保下入垂直，應(yīng)保持纜繩處于受拉狀態(tài)。

(3)通過(guò)繩索將帶有抽吸功能的機(jī)器人下入海底泥線(xiàn)附近，將抽吸泵連接到抽吸口，逐漸抽出吸力樁內(nèi)部海水和空氣，此時(shí)由于吸力樁頂部?jī)?nèi)外的壓力差將吸力樁逐漸壓入海底地層，隨著吸力樁下入海底地層，內(nèi)部環(huán)空體積逐漸減少，吸力樁的下入阻力逐漸增加，所以抽吸排量與吸力樁的下入速度需要合理匹配才能保證吸力樁安全下入。

(4)吸力樁在抽吸泵的抽吸壓力下下入海底地層預(yù)定深度，若中途出現(xiàn)下入傾斜問(wèn)題可以通過(guò)抽吸泵加壓的方式使吸力樁上提一定距離重新下入，直至垂直下至目的位置。

(5)在吸力樁下入到位后，通過(guò)送入工具將表層導(dǎo)管?chē)娚浠蜚@入中心管，通過(guò)水泥漿固井的方式將表層導(dǎo)管與中心管進(jìn)行連接，但不依靠固井質(zhì)量來(lái)提供承載力，所以無(wú)需等待水泥漿固結(jié)時(shí)間。也可以在吸力樁下入之前把表層導(dǎo)管與吸力樁進(jìn)行提前固定，同時(shí)下入海底地層。

2 吸力樁法建井的承載力模型

2.1 吸力樁基本參數(shù)

吸力樁的主要參數(shù)為吸力樁的外徑D、長(zhǎng)度L、壁厚d、質(zhì)量G、浮重G1、中心管直徑D1、中心管厚度d1。環(huán)境條件為水深L3，海底地層土體的不排水抗剪強(qiáng)度Su隨海底泥線(xiàn)以下的深度h變化，即Su=p(h)。下入繩索的基本要求為滿(mǎn)足拉力大于G，下入深度大于L3。

結(jié)合海底淺層土體的CPT取樣研究分析，可以得到海底土體不排水抗剪強(qiáng)度隨海底泥線(xiàn)以下深度的變化關(guān)系，即已知Su=p(h)，在重力下入階段可以結(jié)合土體及下入深度等參數(shù)進(jìn)行吸力樁底部支撐力與側(cè)向摩阻力計(jì)算，并可研究其比例關(guān)系，由此進(jìn)一步對(duì)吸力樁與周?chē)馏w的側(cè)向摩阻力系數(shù)α和底部支撐力系數(shù)β進(jìn)行推算，以指導(dǎo)后續(xù)沉貫操作。

2.2 重力沉貫過(guò)程

對(duì)吸力樁重力沉貫過(guò)程進(jìn)行受力分析，如圖2所示。圖2中，l為吸力樁重力貫入過(guò)程中在土體中的安裝深度。

圖2 重力貫入階段受力分析

由受力平衡可得：

G1=T+f1+f2+f3+f4+N1+N2

(1)

式中：T為繩索豎直向上的拉力，kN；f1、f2、f3及f4分別為吸力樁外壁、吸力樁內(nèi)壁、中心管外壁、中心管內(nèi)壁與地層土體的軸向摩阻力，kN；N1、N2分別為地層土體對(duì)吸力樁和中心管下端面的底部支撐力，kN。

由于吸力樁依靠重力下入到位后繩索基本不提供豎直向上的拉力，所以T可以忽略不計(jì)，則式(1)變?yōu)椋?/p>

G1=f1+f2+f3+f4+N1+N2

(2)

由地層土體不排水抗剪強(qiáng)度、已知的CPT取樣、未知的吸力樁與土體的側(cè)向摩阻力系數(shù)α和底部支撐力系數(shù)β分別可得：

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

由于存在未知數(shù)α和β，所以采取上提吸力樁的方法測(cè)得上提拉力：

T=G1+F

(9)

式(9)中，已知G1，可求出總側(cè)向摩阻力F，從而進(jìn)一步求出α。總側(cè)向摩阻力F與總底部支撐力N的關(guān)系式為：

G1=F+N

(10)

總底部支撐力計(jì)算式為：

N=N1+N2

(11)

結(jié)合式(7)、式(8)及式(11)，可計(jì)算出底部支撐力系數(shù)β。

求得側(cè)向摩阻力系數(shù)α和底部支撐力系數(shù)β，可為后續(xù)承載力計(jì)算和合理下入深度設(shè)計(jì)提供理論參數(shù)支撐。

2.3 抽吸沉貫過(guò)程

在連接抽吸泵之前，吸力樁內(nèi)外連通，沒(méi)有壓力差。連接抽吸泵后吸力樁內(nèi)部海水被抽出(見(jiàn)圖3)，當(dāng)內(nèi)外壓差所提供的下壓力大于下入阻力時(shí)，吸力樁開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)。

圖3 抽吸貫入過(guò)程受力示意圖

下入初期需要較小的排水空間，吸力樁內(nèi)外壓力差為：

Δp=p1-p2

(12)

p1=ρgL3

(13)

式中：p1為吸力樁外部壓力，kPa;p2為吸力樁內(nèi)部壓力，kPa。

p2取最大值為大氣壓,最小值為真空條件，壓力為0，樁體內(nèi)外壓力差形成的下壓力為：

F1=ΔpS

(14)

式中：S為樁體端面面積，m2。

吸力樁所受各力關(guān)系為：

G1+F1>f1+f2+f3+f4+N1+N2

(15)

由此可以計(jì)算出吸力樁與中心管所受側(cè)向摩阻力f1、f2、f3及f4，以及地層土體對(duì)吸力樁與中心管的底部支撐力N1、N2，具體計(jì)算如式(16)～式(21)所示。

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

式中：l1為吸力樁抽吸貫入過(guò)程中在土體中的安裝深度，m。

結(jié)合水深、吸力樁尺寸及抽吸泵功率等參數(shù)可以計(jì)算吸力樁能否下入到預(yù)定深度。吸力樁下入預(yù)定深度后解脫抽吸泵，提高吸力樁內(nèi)壓，使得內(nèi)外壓力保持平衡，有助于提高豎向承載力。

吸力樁下入到位后，需要將表層導(dǎo)管通過(guò)噴射方法下入到吸力樁的中心管中，此時(shí)吸力樁中心管內(nèi)部土體被破壞，吸力樁承載力略有降低，但對(duì)整體承載力不造成影響，表層導(dǎo)管坐掛到吸力樁中心管上，注入水泥漿封固，但不依靠水泥漿提供承載力。此時(shí)吸力樁豎向承載力增加了表層導(dǎo)管和水泥漿的重力。

3 吸力樁法建井的試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)原理

吸力樁表層建井的下入過(guò)程需要進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究。試驗(yàn)場(chǎng)地在中國(guó)石油大學(xué)(北京)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)裝置示意圖

現(xiàn)場(chǎng)吸力樁下入需要外接抽吸泵，但很難模仿現(xiàn)場(chǎng)海水深度條件，所以采用頂部添加沙土逐漸加壓到深水條件所能提供的最大壓差。同時(shí)也可以增加模型初始頂部壓力來(lái)解決模型重力較小而使初始貫入深度不足的問(wèn)題。

吸力樁的主要特性參數(shù)為端面半徑r及長(zhǎng)度L，其中貫入動(dòng)力主要與端面面積πr2成正比，貫入阻力主要與側(cè)面面積2πrL成正比。由此得出吸力樁的長(zhǎng)徑比L/r是影響貫入過(guò)程的主要參數(shù)，所以可以將吸力樁進(jìn)行任意相似比例縮小，并不影響貫入規(guī)律。水合物試采的吸力樁實(shí)物直徑為6 m,長(zhǎng)度10 m,質(zhì)量約80 t，長(zhǎng)徑比約為3，故本試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谠O(shè)計(jì)長(zhǎng)徑比區(qū)間0～5進(jìn)行貫入特性研究，以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)要求。

設(shè)計(jì)模型的直徑約為20 cm，縮尺比約為30，所以質(zhì)量縮尺比約為27 000，由此得模型的質(zhì)量約為3 kg，本設(shè)計(jì)模型吸力樁質(zhì)量滿(mǎn)足縮尺比要求。

3.2 土樣制備

(1)深海淺層土的土質(zhì)松軟，以黏性土為主，試驗(yàn)選用的是渤海淺層黏性土，使用之前，先將土提前晾干并粉碎固結(jié)土塊，保證在試驗(yàn)時(shí)土質(zhì)均勻。

(2)去除雜質(zhì)，保持土樣均質(zhì)。將試驗(yàn)用土中的砂礫挑出，將膠結(jié)塊打碎，使土比較均勻。

(3)將試驗(yàn)黏土填入所用的容器。為了使試驗(yàn)土層達(dá)到飽和度要求且均勻，采用分層填入的方法，每填入0.2 m厚度的土樣，加水后振搗均勻，再填入下一厚度的土樣，直至黏性土層總厚度達(dá)到1 m，再向試驗(yàn)池加水，直至水淹沒(méi)土。

土樣配置完成后(見(jiàn)圖5)，測(cè)得深度為1 m的土體的不排水抗剪強(qiáng)度隨土體深度的變化關(guān)系如圖6所示。從圖6可見(jiàn)，紅色曲線(xiàn)為擬合關(guān)系線(xiàn)，近似為對(duì)數(shù)關(guān)系，測(cè)得淺層20 cm以?xún)?nèi)的土體抗剪強(qiáng)度較小，為計(jì)算方便，取值為1 kPa。

圖5 試驗(yàn)用土

圖6 海底淺層土體強(qiáng)度

3.3 試驗(yàn)過(guò)程

設(shè)計(jì)吸力樁尺寸(直徑×長(zhǎng)度)分別為：20 cm×35 cm、25 cm×25 cm、30 cm×15 cm、35 cm×10 cm共4種尺寸進(jìn)行模擬試驗(yàn)。圖7為吸力樁模型圖。

圖7 吸力樁模型示意圖

在吸力樁模型重力相近的條件下進(jìn)行模擬試驗(yàn)，尋找吸力樁下入過(guò)程中側(cè)向摩阻力和底部支撐力的大小關(guān)系，以及預(yù)測(cè)下入過(guò)程中的側(cè)向摩阻力系數(shù)和底部支撐力系數(shù)的估算值[9-12]。此處設(shè)計(jì)吸力樁模型的質(zhì)量約為3 kg。

將吸力樁上部添加質(zhì)量一定的重物，此試驗(yàn)選擇內(nèi)部添加一定體積的沙的水桶代替重物，優(yōu)點(diǎn)是方便調(diào)節(jié)重物的質(zhì)量，探索合適的配重，最終選擇配重質(zhì)量分別為2、3、4及5 kg。在相同配重下，分別測(cè)量不同直徑的吸力樁模型的重力貫入深度，并通過(guò)測(cè)力計(jì)上拔吸力樁模型的最大力來(lái)求解吸力樁與試驗(yàn)土體的側(cè)向摩阻力。試驗(yàn)裝置及過(guò)程示意圖如圖8所示。

圖8 吸力樁貫入及上拔試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)過(guò)程中，每一個(gè)模型進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量，不考慮群樁效應(yīng)的影響，樁體邊界效應(yīng)在1倍樁徑范圍內(nèi)最為顯著，大于3倍樁徑幾乎沒(méi)有影響。為了降低邊界效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，特別設(shè)計(jì)水池的尺寸大于3倍模型直徑，由于模型尺寸較小，試驗(yàn)過(guò)程靜置時(shí)間充足，所以在誤差允許范圍內(nèi)可以忽略邊界效應(yīng)的影響。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 模型下入深度及上拔力

不同直徑的吸力樁模型在不同外加載荷的作用下貫入深度如圖9所示。從圖9可見(jiàn)，隨著外加載荷的增加，相同直徑吸力樁模型下入深度逐漸增加，且相同加重塊條件下隨著模型直徑增加，下入深度逐漸降低，變化關(guān)系類(lèi)似指數(shù)關(guān)系[13-16]。

圖9 下入深度隨吸力樁模型直徑的變化關(guān)系

吸力樁模型在外加載荷作用下，貫入到極限深度后，將上部重物取下，利用電子測(cè)力計(jì)分別測(cè)量每組試驗(yàn)吸力樁緩慢上拔的初始最大值，上拔力隨吸力樁模型軸向外加載荷及其直徑變化關(guān)系分別如圖10和圖11所示。

圖10 上拔力隨吸力樁模型軸向外加載荷的變化關(guān)系

圖11 上拔力隨吸力樁模型直徑的變化關(guān)系

由圖10可見(jiàn)，隨著作用在吸力樁模型上部加重塊質(zhì)量的增加，相同直徑的吸力樁模型的上拔力呈指數(shù)關(guān)系增加，且處于緩慢增加階段[17-18]。

由圖11可見(jiàn)，相同加重塊質(zhì)量的吸力樁模型上拔力隨著吸力樁模型直徑的增加呈現(xiàn)類(lèi)似對(duì)數(shù)關(guān)系增加。

4.2 模型側(cè)向摩阻力和底部支撐力

通過(guò)式(9)～式(11)計(jì)算得出側(cè)向摩阻力和底部支撐力，如圖12和圖13所示。

圖12 吸力樁模型側(cè)向摩阻力隨軸向外加重塊質(zhì)量的變化關(guān)系

圖13 吸力樁模型底部支撐力隨軸向外加重塊質(zhì)量的變化關(guān)系

由圖12可見(jiàn)，相同直徑吸力樁模型側(cè)向摩阻力隨著加重塊質(zhì)量的增加呈類(lèi)似指數(shù)關(guān)系增加，在相同加重塊質(zhì)量條件下，直徑越小，模型側(cè)向摩阻力越大。

由圖13可見(jiàn)，相同直徑吸力樁模型底部支撐力隨著加重塊質(zhì)量的增加呈類(lèi)似對(duì)數(shù)關(guān)系增加，且在相同加重塊質(zhì)量條件下，直徑越大，吸力樁模型底部支撐力越大[19-21]。

下面探討不同模型條件下側(cè)向摩阻力與底部支撐力的比例關(guān)系。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同直徑吸力樁模型在不同外加軸向載荷的條件下的底部支撐力和側(cè)向摩阻力數(shù)值和比例關(guān)系，如表1所示。

表1 不同直徑吸力樁模型底部支撐力和側(cè)向摩阻力及其比例關(guān)系

根據(jù)表1，可得不同直徑吸力樁模型在不同工況下的側(cè)向摩阻力和底部支撐力的相對(duì)關(guān)系，如圖14所示。

圖14 側(cè)向摩阻力與底部支撐力比值隨吸力樁模型直徑的變化關(guān)系

因?yàn)槟Ｐ椭睆降脑黾?，?dǎo)致樁體下入深度降低，淺部土體抗剪強(qiáng)度較低，所以側(cè)向摩阻力占總承載力比例降低，底部支撐力占總承載力比例提高。由于本試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)組數(shù)較多，土體逐漸壓實(shí)，模型質(zhì)量較小，模型內(nèi)土塞明顯，所以出現(xiàn)底部支撐力阻力大于側(cè)向摩阻力的現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明，側(cè)向摩阻力與底部支撐力的比值與吸力樁直徑有關(guān)，且隨著直徑的增加其比值呈類(lèi)指數(shù)降低，外加載荷大小對(duì)比值影響不大。

4.3 承載力系數(shù)

關(guān)于土體的抗剪強(qiáng)度，此處結(jié)合圖6取保守值p(h)=0.001 MPa,吸力樁模型壁厚2 mm，中心管直徑6 cm, 壁厚2 mm。

結(jié)合式(3)、式(4)、式(18)及式(19)，根據(jù)吸力樁直徑、壁厚、土體性質(zhì)、側(cè)向摩阻力及下入深度等因素進(jìn)行不同直徑吸力樁模型側(cè)向摩阻力系數(shù)求解。

以20 cm直徑吸力樁模型為例計(jì)算側(cè)向摩阻力系數(shù)。吸力樁長(zhǎng)35 cm，壁厚2 mm，質(zhì)量3 kg；中心管直徑6 cm, 壁厚2 mm。在上部加重塊質(zhì)量5 kg條件下，下入深度17.4 cm，采取土體抗剪強(qiáng)度恒定取值為0.001 MPa,側(cè)向摩阻力為55.8 N，總側(cè)向摩阻力計(jì)算式為：

F=f1+f2+f3+f4=απ(D+D1)p(h)l+

απ(D+D1-d-d1)p(h)l=

απ(2D+2D1-d-d1)p(h)l

(22)

將數(shù)值代入式(22)，求得α=0.256。

同理，結(jié)合圖6不同深度的土體抗剪強(qiáng)度，求出不同條件下的側(cè)向摩阻力系數(shù)與外加載荷和吸力樁模型直徑的關(guān)系，如圖15和圖16所示。

圖15 側(cè)向摩阻力系數(shù)隨吸力樁模型外加重塊質(zhì)量的變化關(guān)系

圖16 側(cè)向摩阻力系數(shù)隨吸力樁模型直徑的變化關(guān)系

從圖15可以看出，隨著吸力樁模型外加重塊質(zhì)量的增加，側(cè)向摩阻力系數(shù)的計(jì)算值呈降低趨勢(shì)。隨著加重塊質(zhì)量的增加，模型下入地層深度增加，選取的地層承載力較大，所以導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏低，正常情況下需要針對(duì)不同深度土體強(qiáng)度進(jìn)行積分運(yùn)算，此處近似值與真實(shí)值相比偏低。

從圖16可見(jiàn)，在相同外加載荷條件下，吸力樁模型的側(cè)向摩阻力系數(shù)隨著吸力樁模型直徑的增加先增加后降低，呈類(lèi)似二次函數(shù)的拋物線(xiàn)關(guān)系，拋物線(xiàn)存在該系數(shù)的理論最大值，可以根據(jù)設(shè)計(jì)尺寸盡可能充分利用側(cè)向摩阻力來(lái)提高承載力。由于試驗(yàn)過(guò)程中存在測(cè)量時(shí)間的差距，存在側(cè)向摩阻力的時(shí)間效應(yīng)影響因素，且此模擬試驗(yàn)只是探索規(guī)律來(lái)指導(dǎo)工程實(shí)踐，所以可能存在由模型縮尺所帶來(lái)的規(guī)律性偏差，但該研究方法可以為后續(xù)研究提供經(jīng)驗(yàn)。

底部支撐力系數(shù)計(jì)算式為：

(23)

同理，可計(jì)算不同尺寸吸力樁模型底部支撐力系數(shù)。在求解底部阻力系數(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果假設(shè)模型底部的受力面積為底面壁厚部分面積，計(jì)算承載力與實(shí)際不符，這可能是由于土體內(nèi)部的相互作用導(dǎo)致樁體與內(nèi)部土體連接為一體，在上拔過(guò)程中不能提供有效承載力，但在下壓過(guò)程中，實(shí)際提供底部支撐的面積更接近于整個(gè)圓面。根據(jù)API標(biāo)準(zhǔn)，樁體底部承載力為土體不排水抗剪強(qiáng)度的9倍，但此處由于吸力樁直徑較大，不采用上述標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，提出新方法：求解β時(shí)假設(shè)底面受力為圓形。此假設(shè)在國(guó)外已經(jīng)有學(xué)者和相關(guān)石油公司提出，但在大型筒形基礎(chǔ)上的應(yīng)用還沒(méi)有理論研究，所以通過(guò)此模擬試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其合理性。相關(guān)計(jì)算式為：

(24)

在此試驗(yàn)中可得出更合理的β值。

同樣以20 cm直徑的吸力樁模型為例，由式(24)計(jì)算得β=0.335。

同理，結(jié)合圖6中不同深度的土體抗剪強(qiáng)度，求出在不同條件下的底部支撐力系數(shù)與外加載荷和吸力樁模型直徑的關(guān)系，如圖17和圖18所示。

圖17 底部支撐力系數(shù)隨吸力樁模型直徑的變化關(guān)系

圖18 底部支撐力系數(shù)隨吸力樁模型外加重塊質(zhì)量的變化關(guān)系

由圖17可見(jiàn)，相同加重塊質(zhì)量條件下吸力樁模型的底部支撐力系數(shù)不受吸力樁直徑影響，且在相同吸力樁模型尺寸條件下，隨著加重塊質(zhì)量的增加，底部支撐力系數(shù)降低。從圖18可見(jiàn)，對(duì)于不同直徑的吸力樁模型，底部支撐力系數(shù)隨加重塊質(zhì)量的增加呈相同的下降趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，得出的底部支撐力系數(shù)具有統(tǒng)一的變化關(guān)系，求解β方法的假設(shè)滿(mǎn)足要求。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)理論方法對(duì)模擬試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算，吸力樁建井的承載力由側(cè)向摩阻力和底部支撐力共同承擔(dān)，且底部支撐力與側(cè)向摩阻力的比值與吸力樁直徑有關(guān)。

(2)側(cè)向摩阻力系數(shù)和底部支撐力系數(shù)幾乎不受吸力樁尺寸的影響，但受到外加載荷的影響較大，體現(xiàn)在下入深度不同時(shí)，隨著外加載荷增加，吸力樁模型下入深度增加，側(cè)向摩阻力系數(shù)先增加后減少，底部支撐力系數(shù)降低。由于下入深度增加，底部支撐力占承載比例減小，所以計(jì)算得到的比例系數(shù)降低。

(3)本文提出的在重力沉貫進(jìn)行過(guò)程確定的承載力系數(shù)的取值范圍僅適用于試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缂安澈\層黏性土土層條件，承載力系數(shù)估算方法可以用于指導(dǎo)吸力樁建井施工以及后續(xù)的承載力計(jì)算。