張愛霞,鄧海峰,王賢斯

(1.中國石油集團海洋工程有限公司,北京 100028;2.中國石油集團工程技術研究有限公司,天津 300451;3.中國石油集團海洋工程重點實驗室,天津 300451;4.中國石油集團海洋工程有限公司鉆井事業(yè)部,天津 300451)

0 引言

吸力樁廣泛應用于海上風電和海上油氣開發(fā)工程中,其結構形式如倒置的圓桶,依靠自身重力及在樁體內部抽水形成的負壓安裝至設計入泥深度［1］。貫入阻力和土塞高度是吸力樁安裝過程中需要考慮的兩個重要參數。一般情況下,吸力樁內部存在豎向或橫向加強結構［2］,以增強結構的剛度,確保貫入過程中樁身結構不會發(fā)生屈曲破壞。另一方面,加強結構的設置會對貫入阻力和土塞高度造成一定影響。

Houlsby等［3-7］開展了無內部加強結構吸力樁的貫入過程研究,系統(tǒng)地提出了貫入阻力和土塞高度分析方法。

內部橫向或豎向加強結構會改變樁身與土的接觸特性、弱化或提高土體強度、改變土體的流動形態(tài),進而影響貫入阻力和土塞高度。曲延大［8］指出加強結構會使實際產生的土塞高度具有不確定性,同時可能降低或提高貫入阻力。Andersen［6］針對內部單層橫向加強結構對土塞的影響提出了“通過土體強度和橫向加強結構尺寸判定土體流動狀態(tài),進而確定土塞高度”的分析思路。Jean-Louis C［9］針對內部含多層橫向加強結構的吸力樁,提出“考慮最下層加強結構對端阻力的貢獻,其余各層均扣除兩倍加強結構寬度的側壁摩阻力”的方法。Andersen［10］依托多項吸力樁安裝工程數據,指出目前的多種預測方法在考慮內部加強結構對貫入阻力和土塞高度影響方面均存在不足,預測結果與實際存在較大差異。同時,DNV規(guī)范對該問題也僅僅提出了參考建議,并未給出具體的做法。

綜上所述,現(xiàn)有研究成果還不足以準確地評估內部加強結構對貫入過程的影響。本文開展了含豎向和橫向加強結構吸力樁安裝貫入的縮尺物理模型試驗,探究了內部加強結構對貫入阻力和土塞高度的影響［11］,并對相關影響機理進行了分析。

1 物理模型試驗

1.1 試驗裝置

研發(fā)了1套吸力樁貫入模型試驗裝置,系統(tǒng)由5部分組成：土樣制備系統(tǒng)、土體強度測試裝置、吸力樁模型、吸力樁貫入系統(tǒng)、數據測量與采集系統(tǒng),模型箱的長、寬、高均為1m,如圖1所示。

圖1 物理模型試驗系統(tǒng)Fig.1 Physical modeling system

貫入過程中,采用拉線位移傳感器、負壓傳感器、激光位移傳感器分別測量吸力樁的貫入深度、內部負壓和土塞發(fā)展。拉線位移傳感器通過安裝在模型箱側壁的夾具加以固定后,再與吸力樁樁頭連接;負壓傳感器安裝在吸力樁的頂帽上;激光位移傳感器安裝在吸力樁的頂帽上,激光透過有機玻璃頂帽和樁內部的水,可直射在吸力樁內部的土體表面,進而監(jiān)測內部土體隆起變化。

1.2 試驗樁模型

參考典型深水吸力樁的結構尺寸,原型樁長15.5m,直徑6m,壁厚0.035m。吸力樁模型按照1∶25縮尺比例制作,其尺寸為高度0.62m,直徑0.24m,壁厚1mm。模型樁頂帽為有機玻璃材質,樁身為金屬材質。

設置2道垂直交叉的豎向加強結構,從下至上貫通吸力樁,厚度1mm,寬度10mm。設置2道橫向加強結構,最下層結構距離吸力樁底部20cm,間距20cm,厚度1mm,寬度10mm,如圖2所示。

圖2 吸力樁縮尺模型Fig.2 Scaled model of suction pile

1.3 試驗土樣制備

采用渤海灣典型的粉質黏土作為試驗用土,其物理指標如表1所示。

表1 粉質黏土的物理參數Table 1 Parameters of silty clay

對于試驗用土,將土體充分風干碾碎過篩后,利用攪拌機將土體和水混合攪拌30min,將土體制備成飽和泥漿。

在模型箱底部從下至上依次鋪入2cm厚粗砂、1cm厚細砂和1層土工布,然后加入泥漿,采用塑料膜密封土體和模型箱,然后通過模型箱底部的開孔進行真空預壓固結,歷時3d后,選取2個位置采用十字板剪切儀測試土體強度,結果如圖3所示。

圖3 土體強度沿深度分布Fig.3 Soil strength profile along depth

1.4 試驗方案

吸力樁初始入泥深度10cm,保證良好的密封性以完成負壓貫入。3種結構形式的吸力樁分別進行3次貫入試驗,每次貫入的平均速率不同,可用于分析貫入速率對貫入過程的影響(見表2)。

表2 試驗方案設計Table 2 Design of test scheme

2 物理模型試驗

2.1 試驗裝置

1)不同吸力樁結構貫入阻力分析

如圖4所示,3組無內部加強結構吸力樁貫入試驗的平均貫入速率分別為0.18,0.20,0.25cm/s,施加的最大負壓分別為-49,-53,-64kPa。3組含豎向加強結構吸力樁貫入試驗的平均貫入速率分別為0.13,0.14,0.18cm/s,施加的最大負壓分別為-67,-70,-76kPa。3組含橫向加強結構吸力樁貫入試驗的平均貫入速率分別為0.15,0.16,0.18cm/s,施加的最大負壓分別為-54,-59,-62kPa。

圖4 貫入阻力與貫入深度的關系Fig.4 The relationship between penetration resistance and depth

每組試驗最終貫入深度均為58cm,對于無加強結構和含豎向加強結構的吸力樁,表現(xiàn)出隨著貫入深度的增加,貫入阻力呈線性增加趨勢,且貫入速度越快,貫入阻力越大的規(guī)律,如圖4a,4b所示。含橫向加強結構吸力樁表現(xiàn)出貫入阻力先緩慢線性增加后快速增加的趨勢,如圖4c所示。

另外,由于表層土體的強度在短時間內出現(xiàn)了一定的恢復,導致負壓施加起始階段,貫入深度的增加有些延遲,延遲時間取決于自重貫入和負壓貫入的銜接時間。

整體來看,內部的豎向和橫向加強結構均會提高吸力樁的貫入阻力。依據試驗現(xiàn)象和承載力分析理論對其進行分析。

對于含豎向加強結構的吸力樁：①吸力樁起拔后,發(fā)現(xiàn)豎向加強結構與樁側壁間殘留大量土體,且土與樁側壁的接觸強度較大,土體變硬。此現(xiàn)象說明,吸力樁貫入過程中,豎向加強結構與樁側壁對其間土體產生了擠密壓實作用,提高了該部分土體強度,表現(xiàn)為貫入阻力增加,如圖5所示。②豎向加強結構的存在,增加了樁側壁與土體的接觸面積,直接導致貫入阻力的增加。

圖5 加強結構與樁側壁間的殘留土體Fig.5 Residual soil between stiffeners and the wall of suction pile

對于含橫向加強結構吸力樁：①吸力樁起拔后,發(fā)現(xiàn)橫向加強結構與樁側壁間殘留大量土體,且土體變軟,殘留土體厚度與加強結構寬度基本一致,且在貫入結束后,表層土體與樁側壁出現(xiàn)嚴重脫離。此現(xiàn)象說明,在貫入過程中,當土體通過底部第1層橫向加強結構時,土體與樁側壁發(fā)生脫離,土體短暫自立。隨著貫入深度的增加,土體自立高度達到某一極值時,又會與樁側壁再次接觸。當通過頂部橫向加強結構時,重復上述現(xiàn)象,導致貫入阻力減小,如圖6所示;②橫向加強結構增加了樁端部承載面積,導致貫入阻力增加。

圖6 不同吸力樁結構貫入阻力對比分析Fig.6 Comparison analysis of penetration resistance for different suction pile structures

2)不同吸力樁結構貫入阻力對比分析

由圖6a所示,在貫入速率為0.18cm/s情況下,與無內部加強結構吸力樁相比,豎向加強結構會顯著增加貫入阻力,且隨著貫入深度的增加,這種增強效應越明顯,后者的貫入阻力約為前者的1.5倍。貫入阻力的增加,一部分源于豎向加強結構的存在增加了樁側壁與土的接觸面積,直接導致側摩阻力增加,另外一部分源于貫入過程中豎向加強結構與樁側壁間存在殘留土體,且由于存在擠壓作用,使該部分土體強度增加,間接導致土體與樁身的接觸阻力增加。

如圖6b所示,在貫入速率為0.18cm/s情況下,與無內部加強結構吸力樁相比,橫向加強結構會顯著增加貫入阻力,且隨著貫入深度的增加,這種增強效應越明顯,貫入結束時,后者的貫入阻力約為前者的1.4倍。貫入阻力的增加,主要由于橫向加強結構增加了端部接觸面積,直接導致端阻力的增加。當土體通過第1層橫向加強結構時,貫入阻力快速增加,此時端阻力占主導作用,側摩阻力次之,貫入阻力和深度曲線中出現(xiàn)了明顯的拐點。隨著貫入深度的增加,側摩阻力逐步提高并占主導作用,而端阻力次之,當土體通過第2層橫向加強結構時,側摩阻力處于較大值,此時的端阻力仍占很小部分,因此貫入阻力與深度曲線無明顯變化。

由圖6c所示,在貫入速率為0.18cm/s情況下,初始貫入時,與含豎向加強結構吸力樁相比,含橫向加強結構吸力樁的貫入阻力明顯偏小。隨著貫入深度的增加,當底部第1層橫向加強結構通過土體時,貫入阻力快速增加。當貫入深度達到40cm時(此時頂部橫向加強結構尚未與土接觸),二者貫入阻力接近,直至貫入結束,貫入阻力基本相同。由此看出,在含2層橫向加強結構條件下,其貫入阻力已與含豎向加強結構吸力樁相當。據此進一步推斷,橫向加強結構對貫入阻力的影響要大于豎向加強結構,在實際工程中,要充分合理地考慮橫向加強結構對貫入阻力的增強效應。

2.2 土塞高度分析

貫入速率0.18cm/s條件下吸力樁頂板距樁內土體高度與貫入時間的關系如圖7所示,可以看出：①無內部加強結構吸力樁內部土塞發(fā)展最慢,含橫向加強結構吸力樁的土塞發(fā)展最快;②3種吸力樁結構的土塞發(fā)展規(guī)律基本一致,即貫入初期,土塞發(fā)展較慢,吸力樁貫入一半后,土塞發(fā)展速度變快。

圖7 吸力樁頂板到樁內土體距離與時間的關系Fig.7 The relationship between the distance from roof of suction pile to soil surface in the pile and time

每次試驗結束后,測量吸力樁最終貫入位移D,樁頂板與樁內土體距離R,已知吸力樁長度L,則土塞高度d=L-D-R,土塞高度如表3所示,由表3可以看出：①含豎向加強結構吸力樁的土塞稍大,相關文獻提出土塞高度取決于吸力樁側壁置換的土體體積,DNV規(guī)范指出“自重貫入期間,吸力樁側壁置換土體的一半形成土塞,負壓貫入時,吸力樁側壁置換的土體全部形成土塞”,基于此理論假設,豎向加強結構會增加土體置換的體積,使土塞高度增加。②含橫向加強結構吸力樁內部土塞高度最大。由于橫向加強結構使土體與樁內壁發(fā)脫離,導致土塞高度增加。

表3 不同吸力樁結構土塞高度Table 3 Soil plug height for different suction pile structures

2.3 起拔現(xiàn)象

吸力樁拔出后一般可重復使用,為此,貫入結束后,向吸力樁內施加氣壓進行起拔,當樁端泄氣時,停止施壓,據此判斷內部結構對起拔的影響。

試驗發(fā)現(xiàn),當樁端泄氣時,3組含豎向加強結構的吸力樁樁端與泥面距離在2～3cm,人力可輕松拔出;3組無內部加強結構的吸力樁樁端與泥面距離在5～8cm,需左右晃動后較費力拔出;3組含橫向加強結構的吸力樁樁端與泥面距離在17～22cm,晃動和起拔難度非常大,只能利用吊機完成全部起拔。

因此,若把吸力樁作為臨時基礎并有重復利用需求,設計時需要考慮起拔的難易程度,同時若考慮增強樁身結構剛度,基于試驗現(xiàn)象,推薦在吸力樁內部布置豎向加強結構,以提高起拔過程中吸力樁與土間的密封性,進而更利于起拔。

3 結語

1)對于有或無內部加強結構的吸力樁,貫入阻力均隨貫入深度的增加而增大,且貫入速率越快,貫入阻力越大。對于無內部加強結構和含內部豎向加強結構的吸力樁,貫入阻力與貫入深度基本呈線性關系;而對于含橫向加強結構的吸力樁,當土體穿過底部第1層加強結構時,貫入阻力明顯增加,貫入阻力和貫入深度曲線上存在明顯的拐點,而當土體穿過上部剩余加強結構時,由于側壁貫入阻力占主導地位,雖然加強結構在一定程度上提高了貫入阻力,但此后的貫入阻力和貫入深度基本呈線性關系。

2)豎向加強結構增加了吸力樁側壁與土的接觸面積,且在貫入過程中該結構對樁內側壁的土有擠壓作用,導致貫入阻力增加。與無加強結構的吸力樁相比,文中的含豎向加強結構吸力樁的貫入阻力約為前者的1.5倍,且貫入深度越大,這種增強效應越明顯。

3)橫向加強結構增加了樁端面積,直接增加了貫入阻力,但對土體也會產生擾動,且會降低樁內側壁與土體的接觸面積,進而減小貫入阻力,總體來看,樁端阻力增加量占主導地位。與無加強結構的吸力樁相比,文中的含橫向加強結構吸力樁的貫入阻力約為前者的1.4倍,且當土體穿過底部第1層加強結構時,貫入阻力的增加最為明顯。

4)含橫向加強結構吸力樁的土塞高度最大、含豎向加強結構吸力樁次之,無內部加強結構吸力樁最小。且全部吸力樁的土塞發(fā)展規(guī)律均表現(xiàn)出為貫入初期,土塞發(fā)展速率較慢,貫入深度達到一半后,土塞發(fā)展速率加快。

5)在吸力樁內部布置豎向加強結構更有利于起拔以完成重復使用,布置橫向加強結構會降低樁身與土之間的密封性,不利于起拔。若有重復利用需求,推薦在吸力樁內布置豎向加強結構。