張 偉，馬振杰

(天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院，天津 300350)

近年來(lái)，隨著深海油氣開(kāi)采的逐漸發(fā)展，傳統(tǒng)的重力式基礎(chǔ)和樁基導(dǎo)管架平臺(tái)已很難適應(yīng)深海施工需求，在此情況下，立柱式平臺(tái)、浮式平臺(tái)等新型結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)逐漸得到應(yīng)用。作為一種深海新型樁基礎(chǔ)，吸力樁安裝過(guò)程為：吸力樁借助自重作用沉至海底，然后通過(guò)抽氣孔利用真空氣泵在桶內(nèi)形成負(fù)壓，桶內(nèi)外的壓力差將吸力樁壓入土體。當(dāng)需要移除吸力樁時(shí)，只需要向桶內(nèi)充氣將吸力樁拔出即可。因此，吸力樁具有方便施工、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。

目前對(duì)吸力樁的研究，主要從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、離心機(jī)試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和數(shù)值仿真兩方面開(kāi)展，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)較為真實(shí)可靠，但時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本較高[1-5]。近年來(lái)，許多學(xué)者利用ABAQUS[6]、FLAC3D[7]、Z_SOIL[8]等大型有限元軟件對(duì)吸力樁的結(jié)構(gòu)參數(shù)等展開(kāi)了全面廣泛的研究。在傳統(tǒng)吸力樁的基礎(chǔ)上，李大勇等[9-12]提出了一種新型裙式吸力基礎(chǔ)，并通過(guò)模型試驗(yàn)和有限元軟件對(duì)吸力樁基礎(chǔ)的承載特性、沉貫特性等展開(kāi)了深入研究。在李大勇提出的裙式吸力基礎(chǔ)上，柳曉科等[13-14]提出了低裙式吸力樁基礎(chǔ)，并通過(guò)模型試驗(yàn)和PLAXIS有限元軟件對(duì)其真空沉貫特性和抗拔特性進(jìn)行了研究。

本文通過(guò)有限元軟件ABAQUS來(lái)模擬不同裙尺寸的吸力樁的水平承載特性，對(duì)吸力樁基礎(chǔ)展開(kāi)進(jìn)一步研究，分析裙結(jié)構(gòu)對(duì)吸力樁的水平承載特性，并采用極限平衡法對(duì)吸力樁水平極限承載力進(jìn)行理論推導(dǎo)。

1 吸力樁基礎(chǔ)分析模型

基于ABAQUS三維有限元軟件，根據(jù)文獻(xiàn)[15]數(shù)據(jù)建立三維有限元計(jì)算模型。吸力樁外徑D=5 m，長(zhǎng)徑比分別為L(zhǎng)/D=1.0、2.0、5.0，桶壁厚50 mm，承臺(tái)厚100 mm?？紤]到邊界效應(yīng)，土體在縱向和橫向的計(jì)算范圍取為6L和10D?？紤]到吸力樁結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，取吸力樁結(jié)構(gòu)和與計(jì)算區(qū)域的一半建立有限元計(jì)算模型。吸力樁周圍土體為軟黏土，采用基于Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，泊松比v=0.49，即假定土體不可壓縮，土體容重γ=18 kN/m3，不排水抗剪強(qiáng)度cu取10 kPa，摩擦角φ=0，不考慮地基中應(yīng)力對(duì)土體模量的影響，假定土體模量與土體不排水抗剪強(qiáng)度成正比，即E=500cu。考慮到吸力樁的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于海洋土地基的剛度，因此將吸力樁簡(jiǎn)化為彈性材料，彈性模量為E=2×105MPa，泊松比取0.3。為便于收斂，將吸力樁密度設(shè)置為土體密度。有限元計(jì)算模型及模型簡(jiǎn)圖如圖1和圖2所示。

圖1 三維有限元計(jì)算模型

對(duì)于吸力樁和土體，均采用C3D8單元建立有限元計(jì)算模型。吸力樁與土體之間設(shè)置接觸面，接觸面法向?yàn)橛步佑|，切向?yàn)镻enalty接觸。計(jì)算時(shí)假定吸力樁已貫入土體，樁底部與土體接觸面為水平。除初始分析步外，另設(shè)兩個(gè)分析步，第一步生成初始應(yīng)力場(chǎng)；第二步采用位移控制方法進(jìn)行水平位移的加載。

在樁頂位置采用位移控制方法施加水平位移，加載點(diǎn)的荷載-位移曲線如圖3所示，其加載過(guò)程可分為三個(gè)階段。在第三階段，荷載-位移關(guān)系曲線，荷載不再隨位移增大而增大，土體失穩(wěn)，此階段的荷載值可作為吸力樁的水平承載力。

圖3 吸力樁水平位移-荷載關(guān)系曲線

在加載點(diǎn)位置p/L=0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0處分別施加位移，并將得到的水平承載力進(jìn)行歸一化處理，得到不同長(zhǎng)徑比下水平承載力隨加載點(diǎn)位置變化的關(guān)系如圖4所示，其中Hmax為最大水平承載力。圖5給出了p/L分別為0、0.6、1.0時(shí)吸力樁的水平破壞機(jī)制。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本文數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)有限元分析數(shù)據(jù)差值大部分在10%以內(nèi)，水平破壞機(jī)制近似，即所得結(jié)論相同，證明本文數(shù)值模型可有效模擬吸力樁的水平受荷過(guò)程。

5-a p/L=0，文獻(xiàn)數(shù)據(jù) 5-b p/L=0.6，文獻(xiàn)數(shù)據(jù) 5-c p/L=1.0，文獻(xiàn)數(shù)據(jù)

裙式及低裙式吸力樁模型簡(jiǎn)圖如圖6所示，去掉裙結(jié)構(gòu)后，即為傳統(tǒng)吸力樁；當(dāng)裙頂與主桶頂部高差t為0時(shí)，即為裙式吸力樁基礎(chǔ)；當(dāng)t不為0時(shí)，即為低裙式吸力樁。圖中L為主桶高度，取為25 m；D為主桶直徑，取5 m；m為裙寬，p為加載點(diǎn)位置與主桶頂部之間的距離。h為裙高，本文規(guī)定當(dāng)h/L=0時(shí)表示只有裙結(jié)構(gòu)承臺(tái)，無(wú)裙壁。

圖6 裙式吸力樁模型簡(jiǎn)圖

不同尺寸的吸力樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型如表1所示。

表1 吸力樁尺寸表

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.1 加載點(diǎn)位置對(duì)水平承載力的影響

針對(duì)傳統(tǒng)吸力樁模型，采用控制位移法，在p/L=0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0的位置施加水平位移，得到不同加載點(diǎn)位置下的水平位移-荷載曲線如圖7所示。由圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)p/L=0.6時(shí)，吸力樁基礎(chǔ)極限承載力最大，p/L=0.4、0.8時(shí)的水平極限承載力接近，p/L=0.2、1.0時(shí)的水平極限承載力接近。

圖7 加載點(diǎn)位置對(duì)水平極限承載力的影響

根據(jù)已有研究顯示[16]，在水平受荷過(guò)程中，通常是加載反方向的吸力樁周圍被動(dòng)區(qū)土體屈服，進(jìn)而導(dǎo)致吸力樁失穩(wěn)，吸力樁周圍被動(dòng)區(qū)越大，則吸力樁越不容易失穩(wěn)，其水平極限承載能力越大。通過(guò)分析吸力樁失穩(wěn)時(shí)沿埋深方向中心線上各點(diǎn)的側(cè)移，得到側(cè)移量為0的點(diǎn)，認(rèn)為該點(diǎn)為吸力樁基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，進(jìn)一步確定樁體周圍被動(dòng)區(qū)的大小。圖8為傳統(tǒng)吸力樁基礎(chǔ)在水平荷載下的側(cè)移-埋深曲線，其中y為沿樁體埋深，u為某點(diǎn)的側(cè)移，負(fù)值代表沿加載反方向產(chǎn)生側(cè)移，正值代表沿加載方向產(chǎn)生側(cè)移。由圖可以看出，當(dāng)p/L=0.6時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)中心位置接近于地面，此時(shí)樁體后側(cè)被動(dòng)區(qū)域最大，水平極限承載能力也為最大。當(dāng)p/L分別為0.4、0.8時(shí)，樁體轉(zhuǎn)動(dòng)中心分別處于0.9、0.25附近，與樁底、樁頂?shù)木嚯x相接近，水平極限荷載相接近。

2.2 裙結(jié)構(gòu)對(duì)水平承載力的影響

圖9顯示了不同加載點(diǎn)位置下裙結(jié)構(gòu)對(duì)水平極限承載力的影響。當(dāng)加載點(diǎn)位置p/L=0、0.2、0.4時(shí)，隨著裙寬和裙高的增長(zhǎng)，水平極限承載力以近似線性的關(guān)系增長(zhǎng)，而隨著高差的增大，水平極限承載力有較小增長(zhǎng)而后趨于不變。當(dāng)加載點(diǎn)位置p/L=0.6、0.8、1.0時(shí)，裙結(jié)構(gòu)對(duì)水平極限承載力的影響較小。

9-a h/L=0.25，t/L=0 9-b m/R=2，t/L=0 9-c m/R=1.0，h/L=0.15

圖10顯示了p/L=0時(shí)水平荷載作用下不同類型吸力樁基礎(chǔ)的破壞機(jī)理，傳統(tǒng)吸力樁在繞樁身某點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受到樁側(cè)水平土抗力和樁端摩阻力的作用。相較于傳統(tǒng)吸力樁基礎(chǔ)，裙結(jié)構(gòu)的設(shè)置增大了吸力樁與土體的接觸面積，使得吸力樁還受到裙端摩阻力和裙前水平土抗力的作用。隨著裙結(jié)構(gòu)的下移，裙頂與土體相接觸，使得吸力樁在裙式吸力樁的基礎(chǔ)上還受到裙頂摩阻力的作用。當(dāng)裙結(jié)構(gòu)繼續(xù)下移，由于吸力樁與土體接觸面積未增加，水平極限承載力不再增長(zhǎng)。

10-a 傳統(tǒng)吸力樁 10-b 裙式吸力樁 10-c 低裙式吸力樁

由圖8可以看出，當(dāng)加載點(diǎn)位置處于p/L=0、0.2、0.4時(shí)，樁身上部位移較大，而當(dāng)加載點(diǎn)位置p/L=0.6、0.8、1.0時(shí)，樁身下部位移較大。由于裙結(jié)構(gòu)主要設(shè)置在靠近樁頂位置，因此當(dāng)位移主要集中在下部時(shí)，裙結(jié)構(gòu)對(duì)水平承載性能的影響較小。

3 吸力樁基礎(chǔ)水平承載力理論計(jì)算

采用極限平衡法對(duì)吸力樁水平極限承載力進(jìn)行理論分析，過(guò)程中存在以下假設(shè)：樁頭不受轉(zhuǎn)動(dòng)約束，能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)；不考慮樁的傾斜對(duì)水平承載力的影響；樁內(nèi)土體與樁體共同運(yùn)動(dòng)，不考慮吸力的影響。在水平受荷過(guò)程中，樁體繞樁身某一點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，主要受到樁前土壓力、樁底摩阻力、樁底反力和樁外側(cè)摩阻力的作用，其中樁前土壓力包括旋轉(zhuǎn)中心以上的樁前土壓力和旋轉(zhuǎn)中心以下的樁后土壓力，受力示意如圖11所示。

圖11 水平荷載作用下吸力樁受力示意圖

通過(guò)將樁體(包括樁內(nèi)土體)所受力系對(duì)水平方向進(jìn)行受力平衡分析，可得到樁體水平極限承載力如下

(1)

式中：T0=πR2cu，為樁底摩阻力，kN；T1=T2=π[(R+m)2-R2]cu，為裙端、裙頂摩阻力，T2只存在于低裙式吸力樁情形下；當(dāng)處于主桶部位時(shí)取M=D，當(dāng)處于裙結(jié)構(gòu)部位時(shí)取M=D+2m；l0為樁體旋轉(zhuǎn)中心至樁頂距離，m，可通過(guò)將力系對(duì)水平荷載作用點(diǎn)取矩進(jìn)行力矩平衡分析求得；pu(z)為深度z處的土抗力，kN/m2，采用Matlock法來(lái)確定，認(rèn)為土抗力可按式(2)與式(3)計(jì)算，并取其中的較小值作為土抗力。

pu(z)=9cu

(2)

(3)

式中：γ為土體重度，kN/m3；J為試驗(yàn)系數(shù)，對(duì)于軟粘土取0.5。

理論結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表2所示?？梢钥闯觯碚摻Y(jié)果與有限元結(jié)果相差較小，契合度較高。

表2 有限元結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

本文對(duì)飽和軟黏土中不同裙結(jié)構(gòu)的吸力樁的水平承載性能展開(kāi)了詳細(xì)研究，結(jié)論如下：

(1)在水平荷載作用下，吸力樁繞樁身某點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中受到樁前土抗力、樁端摩阻力的作用，裙式吸力樁還受到裙前土抗力、裙端摩阻力的作用，當(dāng)裙結(jié)構(gòu)下移之后還會(huì)受到樁頂摩阻力的作用。(2)加載點(diǎn)位置的變化，引起了轉(zhuǎn)動(dòng)中心的變化，由于主要是樁前土抗力抵抗樁體轉(zhuǎn)動(dòng)，所以當(dāng)加載點(diǎn)位置p/L=0.6時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)中心靠近樁頂，此時(shí)樁前土抗力最大，水平極限承載力最大。(3)裙結(jié)構(gòu)的設(shè)置主要增大了樁體與土體的接觸面積，裙高和裙寬對(duì)水平極限承載力的影響近似線性，而當(dāng)裙頂與土體接觸以后，裙結(jié)構(gòu)的下移不再對(duì)承載性能有影響。(4)基于極限平衡法對(duì)吸力樁水平極限承載力進(jìn)行了理論計(jì)算，對(duì)比結(jié)果顯示該式能夠用來(lái)計(jì)算不同裙結(jié)構(gòu)的吸力樁水平極限承載力。