基于室内抗拔模型试验的黏性土中基础吸附力研究

张树德，潘池，吴国丰，李飒

（1.中海油上海分公司，上海 200030；2.天津大学建筑工程学院，天津 300350）

0 引言

在海洋工程中，移动式平台往往需要进行起浮或拔桩。在这一过程中，由于海底的不确定因素，经常出现超出估计的抗拔力，导致回收设备的费用超支，有时遭遇恶劣天气无法及时提升结构物甚至会对操作人员和设备造成威胁。国内外研究认为，这是因为在海底基础上拔过程中，黏土对基础底面将产生吸附作用，基础需要克服相应的吸附力才能顺利离开海底[1-4]。自上世纪70年代以来，国内外学者对于海洋工程中黏土抗拔力做了一系列的探讨。一般认为，在基础离底的过程中的力可以用下式表示[1，5-6]：

式中：Ft为土体的抗拔力（breakout force），国内学者一般称其为吸附力。为符合国内的习惯，本文将其称为吸附力；Pcr为结构物离底所需的总提升力；Ws为结构物浸没在底质中所排开的底质重量；Wb为结构物的水下自重。

关于吸附力，国内外学者进行了一系列探讨。Vesic[7]（1969）指出锚板在拉拔过程中，锚板上部孔隙水压力增加，锚板下部孔隙水压力减小，这种上下面孔隙水压力的不同导致了吸附力的产生，此超静孔压差值即为吸附力；冯国栋等[8]（1981）提出，海泥吸附力由地面黏着力、侧面摩阻力以及底面真空吸力三部分组成；韩丽华等[9]（2009）认为吸附力由土体与结构物底面间的黏着力、土体中产生的负孔隙水压力以及土体与结构物侧面产生的侧摩阻力三部分组成；Omid Kohan[10]（2014）探讨了桩靴在黏土深埋置情况下拔出的情况，认为吸附力是桩靴在不排水条件下基础底面产生的负超孔隙压力。

对于影响吸附力的因素，Sawicki等[11]（2003）认为，吸附力与结构物和海底土质连接处发展起来的应力有关；R.Chen等[12]（2011）利用离心机模型试验对沉垫在淤泥中吸附力进行了探讨，认为浅埋结构的吸附力与提升速率、裙板入泥深度、作用点偏心率有关；Xiaojun Li等[3]（2013）通过离心机模型试验探讨了沉垫的吸附力，认为吸附力与超孔隙水压力的分布有关，沉垫底部透水性、偏心提升、裙板长度都将影响吸附力。

吸附力的问题一直是困扰海洋工程设计计算的一个重要问题，到目前为止，对吸附力的定义、产生的机理以及相应的计算方法都没有明确的结论。在实际工程中，工程师也往往是根据当地的工程经验进行估算。由于吸附力产生的机理比较复杂，本文采用室内试验的方法，对不同底面形式的基础与黏土之间的相互作用力问题进行了研究，同时探讨了这种相互作用对吸附力的影响。

1 吸附力的计算方法

对于吸附力的计算，美国海军土木工程实验室（NCEL）于20世纪60年代在加州Hueneme港进行了一系列现场试验，测定了不同底面形状的海底结构物的吸附力。Muga（1967）根据现场试验结果提出了吸附力的经验公式[13]：

式中：Ft为理论计算所得吸附力；Fq为底质土体承载力；A为结构物底面积。

Lee（1973）根据Muga的试验结果，重新分析数据，提出新的吸附力公式[14]：

式中：D、B、L分别为结构物的埋深、宽度和长度；Su为底质不排水抗剪强度。

Byrne和Finn（1978）提出，采用汉森公式对吸附力进行计算，即[15]：

式中：c为地基土黏聚力；Nc为承载力系数；sc为基础形状系数；dc为基础深度系数；ic为荷载倾斜系数，同时，Byrne和Finn给出了Nc的推荐值为6.5~7.4。

金广泉等（1998）提出采用Skempton承载力公式计算吸附力，与传统的求解极限承载力问题近似，不过力的方向相反，即[1]：

由上面的论述可见，目前各种计算吸附力的方法可统一写为下面的形式：

在本文中将Nb定义为吸附力系数，其取值根据方法的不同而有所不同。

2 试验方案

2.1 试验用土

本次模型试验用土选用某海域水深200 m处现场获取的低液限粉质黏土，通过土工试验，测得基本物理性质见表1，颗粒级配曲线见图1。

表1 试验用土物理性质Table 1 Physical properities of the test soil

试验中粉质黏土的不排水剪切强度分别为Su=1 kPa，3 kPa，5 kPa，10 kPa，30 kPa。在配制土样时将粉质黏土充分搅拌，加适量水至充分饱和，布设塑料排水板，表面覆盖土工膜，利用真空泵抽真空进行排水固结，使其不排水强度达到试验要求。

图1 颗粒级配曲线Fig.1 Grading curve

2.2 试验装置

本次试验重力锚采用两种基础形式，分别是平底式和8键式，模型尺寸为B伊L伊H=0.2 m伊0.2 m伊0.1 m，重量为2.54 kg，根据-型按照15颐1比例进行制作。8键试验模型底面形式见图2。

图2 试验锚模型Fig.2 Model of the test anchor

模型试验在试验槽内进行，试验槽两侧为透明有机玻璃，可以观测结构物在土样中的状态。试验槽配备了加载系统、量测系统、计算机数据采集系统设备，可以对模型施加垂直拉力，并通过拉力传感器记录试验数据。拉力传感器为TJL-1S型拉力传感器，量程为0~30kg，综合精度（线性+滞后+重复性）为0.02。试验装置如图3所示。

图3 试验装置示意图Fig.3 Schematic diagram of the test device

将制备好的土样放入试验槽，对土体进行整平，利用微型十字板测量土体强度，确定其满足试验要求。模型安放在土体中间，在自重作用下下沉，由于自重作用下的下沉深度有限，因此本次测试结果得到的吸附力主要反映的是基础底面与土体之间的相互作用。通过钢绳将模型与传感器、加载系统相连，同时传感器连接数据采集系统。检测各设备处于正常工作状态后，开始试验。先启动加载系统，随着拉力逐渐增大，模型从土样中被上拔直至离开土样，同时，数据采集系统不断记录模型上拔过程中拉力与时间的关系。除去表层土体，将土体整平，利用十字板测量土体强度，在满足试验要求的条件下，重新安放模型，进行下一组试验。

2.3 试验内容

表2给出了本次试验的安排。从表中可以看到，由于模型重量有限，因此在自重作用下，锚体的入泥深度不超过2 cm。由于埋深较小，锚体拔出过程中，土体不同的破坏机理对吸附力的影响较小，可以忽略不计。此时可以近似认为，土体与基础之间的吸附力主要来源于基础底面与土体之间的相互作用力。

表2 模型试验安排Table 2 Arrangement of model tests

3 试验结果及分析

将试验所得的数据与Muga、Lee及Skempton计算公式得到的吸附力进行比较，计算结果见图4。

图4 吸附力与Su关系Fig.4 Relationship of suction force and Su

从试验结果可以看到，试验得到的数值随着土体的不排水强度的变化显示了先增大后减小的特征。同时可以看到，8键基础的吸附力小于平底基础，即平底基础与粉质黏土的相互作用更加强烈。图4显示，在相同的试验条件下，平底基础底部的吸附力总体高于8键锚，在不排水抗剪强度较小的情况下，表现得更加明显。

计算结果显示，计算吸附力的Skempton公式、Muga公式在黏土Su为1~5 kPa范围内计算结果与试验值吻合较好，当黏土Su超过5 kPa时Skempton公式、Muga公式计算结果与试验值差别很大，而Lee公式在黏土Su为1~5 kPa范围内计算结果与试验值差距最大，当Su达到10 kPa后与试验值较为接近。

根据测试结果以及公式（7）和公式（8），可以得到在埋深非常小的条件下，吸附力系数Nb与Su之间的近似关系，如图5表示。这一关系显示了基础底面与粉质黏土之间相互作用强弱与土体不排水强度之间的关系。

对于平底基础，Nb与Su的关系表示为：

对于8键基础，有：

由此可见，在不考虑土体破坏模式的影响下，基础底面与粉质黏土之间的相互作用，随着不排水抗剪强度的增加而减弱，也就是说土体强度越大，基础底面与粉质黏土之间的相互作用越小，这与实际工程中观察到的现象是一致的。

图5 Nb与Su关系Fig.5 Relationship of Nband Su

4 吸附力机理探讨

现有的吸附力的计算公式都是建立在地基承载力的基础之上，除了Byrne和Finn建议采用Hansen公式外，其余人均采用了Skempton的计算公式[16]。Skempton公式中Nc、Nq的确定方法采用了与Prandtl相同的方法，即[17]：

而上述公式是在假定基础底面与地基土之间无摩擦以及基础底面以下地基土无重量得到的，这与存在吸附力条件下的情况有明显差异，因此直接使用Skempton公式必然会造成较大的误差。Muga和Lee通过试验对Skempton公式进行了修正。

吸附力的产生与基础底面和土体之间的相互作用密切相关，如何合理评价这种作用是准确评价吸附力大小的关键问题。目前的研究倾向于认为吸附力与不排水条件下基础底面产生的负超孔隙压力直接相关。由于各方面的-因，建立拉拔条件下超孔隙水压力的计算模型难度较大。考虑到基础底面与黏土的相互作用，结合本次试验的结果，以及不排水抗剪强度的获得方法，将不排水剪切强度Su作为评价基础底面与土体之间相互作用的指标具有一定的可行性和代表性。

5 结语

吸附力的计算一直是海洋工程设计计算的一个难点，通过本次模型试验可以看到：

1）现有的吸附力的计算公式是建立在承载力理论之上，除了Byrne和Finn建议采用Hansen公式外，其余人均采用了Skempton的计算公式，并在此基础上通过试验对此进行了修正，可以采用吸附力系数晕b对各种公式进行统一描述。现有公式的晕b与承载力因数晕c，基础的底面形状，埋深等因素有关。

2）模型试验显示，在不考虑埋深的条件下，吸附力系数晕b随着不排水抗剪强度的增加而降低，与土体的不排水强度存在近似的指数关系。同时可以看到，8键基础的晕b小于平底基础。在相同的试验条件下，平底基础底部的吸附力总体高于8键基础，在不排水抗剪强度较小的情况下，表现得更加明显。

3）吸附力的大小与基础底面和黏土之间的相互作用密切相关，可以考虑采用黏土的不排水抗剪强度作为评价基础底面与黏土之间相互作用的指标，即建立晕b与Su之间的关系来评价吸附力。上述观点还需要大量的试验来进行验证。