天津滨海新区软黏土吸附力预测方法

张 京 京

(中铁十八局集团有限公司， 天津 300350)

吸附力是海洋工程和港口工程中系泊力或上拔阻力的重要组成部分。例如，平板锚常用于半潜式及张力腿平台中，凭借锚板在海泥中所提供的吸附力稳定平台[1]；坐底式平台沉垫也依靠吸附力稳定平台基础[2-3]。饱和黏土地基中的沉箱、自升式钻井船桩靴等结构物上拔时，基础底部常常出现负孔压，阻碍结构物拔出[4-5]。预测吸附力的方法具有重要工程意义[6-7]。

吸附力主要由三部分组成，即拉拔过程中发展的基底吸力、土与结构物间的粘附力以及结构物侧壁与土体间的侧摩阻力[8-10]。目前对于上拔阻力的预测常采用地基极限承载力反向破坏的方法计算[11-15]，难以体现吸附力产生和作用机理。

通过一系列沉箱模型上拔试验，研究上拔阻力与基底孔压的发展变化规律，为潜坐式结构物吸附力预测提供依据。

1 试验概况

以平底方形沉箱模型试验为例，测定箱体安装和上拔过程中的上拔力和孔压，分析箱底负孔压对吸附力的贡献，确定粘着力的作用。

1.1 沉箱上拔试验设施及条件

沉箱底面为边长30 cm的正方形，高60 cm，底部设置9个孔压传感器，间距10 cm。沉箱模型及孔压传感器布置如图1所示。

(a) 传感器布置 (b) 沉箱

图1沉箱模型及孔压传感器布置图

沉箱模型的上拔试验分为三组，通过沉箱配重方法调节箱体自重分别为60 kg、90 kg、120 kg，研究沉箱不同固结压力对上拔阻力的影响，上拔速率为25 mm/min。沉箱安装和上拔过程中，对上拔力和孔压进行实时监测。

1.2 土质参数

试验淤泥质黏土取自天津市滨海新区，含水率约为57%，十字板不排水强度随着深度逐渐增加，表面强度约为1.38 kPa，增长率为4.2 kPa/m，十字板不排水强度如图2所示。

Su=1.38+0.042h

图2十字板不排水强度

2 侧壁摩阻力试验

沉箱模型可能会沉入地基中一定深度，为了准确衡量侧壁摩阻力的作用，采用与模型相同材质钢板确定了侧壁摩擦系数。

钢板材质、厚度、拔出速率与沉箱模型相同，高60 cm，宽30 cm，厚1.5 cm，质量16.08 kg，竖直压入土中40 cm，静置24 h后，以25 mm/min的速度拔出，反算确定摩擦系数α为0.68。

3 沉箱上拔试验结果及分析

3.1 吸附力试验结果

对沉箱进行受力分析，总上拔力M由箱体自重G和吸附力F组成。其中，吸附力F包括三部分，基底吸力uS可根据孔压传感器监测结果确定，箱体与土体间的侧摩阻力f采用钢板摩擦系数计算确定，土与结构物间的粘着力CaA测定困难但又不容忽视[12-13]，采用反算方法得出。吸附力计算公式：

F=uS+f+CaS=F0+CaS

(1)

式中：u为负孔压，kPa；f为侧壁摩阻力，kPa；Ca为粘着力，kPa；S为沉箱底面积，m2；F0=uS+f，kPa。

吸附力F等于总上拔力减去重力，F0为沉箱侧壁摩擦力和箱底吸力之和。三组试验侧壁摩擦力、底部吸力、计算值F0和吸附力F随上拔位移的关系曲线如图3所示。摩擦力随着箱体上拔位移的增加，侧壁与土体接触面积逐渐减小，侧摩阻力减小；上拔过程中，箱底负孔压逐渐发展，底部吸力逐渐增加。图3中粘着力CaS为F和F0之间对应水平坐标距离，F0在整个过程中均小于总吸附力F，表明从上拔开始时刻粘着力即存在，且在上拔过程中随着负孔压的发展逐渐增长，箱底与土体脱离时刻粘着力达到最大值，此时总吸附力也达到最大值。

粘着力即不同物质接触部分之间所产生的引力，不易直接测得。试验中沉箱底面与土体脱离时刻，粘着力达到最大值，反推此时粘着力Ca，吸附力计算结果见表1。

表1 粘着力计算结果

注：箱底面积0.09m2。

由表1可知，反算粘着力Ca为2.1 kPa～3.0 kPa，约为1.3倍十字板不排水强度，粘附力可用十字板不排水强度估算。邱长林等[16]的室内粘着力试验表明，滨海新区淤泥质黏土在含水率约为50%时，粘着力约为1～2倍不排水强度，模型试验结果与室内试验结果比较接近。

图3上拔过程中沉箱受力分析

3.2 孔压系数确定

Skempton引入经验系数A计算孔压变化量[17]，计算公式：

Δu=B[Δσ3+A(Δσ1-Δσ3)]

(2)

当土体完全饱和时B=1，变形为弹性时A=1/3，然而对于土体则不是常数，孔压系数A取决于偏差应力增量所引起的体积变化且变化范围很大，主要与土的类型、状态、过去所受的应力历史和应力状况以及加载过程所产生的应变量等因素有关，在三轴试验过程中A值是变化的[17]。

假定沉箱底面压强均匀分布，下部土体主应力方向为水平向和竖向，将上拔过程中地基土等效为围压不变仅竖向卸荷的应力状态。上拔时，箱底卸荷应力记为Δσ1=(M-f)/S，因此Skempton公式计算孔压增量Δu=AΔσ1=A(M-f)/S。实测孔压增量用箱底孔压传感器测量值取平均。当Skempton孔压计算值与实测孔压平均值峰值相等时，确定Skempton孔压系数A(见表2)。孔压系数A与箱体入泥深度有关，入泥深度较大孔压系数A也越大。将入泥深度与沉箱尺寸进行归一化，入泥深度与孔压系数A关系曲线如图4所示。

用Skempton孔压公式计算上拔过程中的孔压增量Skempton计算孔压增量和实测孔压增量曲线如图5所示。结果表明，两者有较好的对应关系，孔压系数计算方法可行。

表2 孔压系数A

图4孔压系数A与归一化入泥深度的关系

4 吸附力预测方法

4.1 计算方法

根据模型试验结果，提出一种预测平底基础最大吸附力的计算方法，计算步骤如下：

(1) 根据入泥深度D/B与孔压系数A的关系曲线(见图4)确定孔压系数A，孔压变量：

图5 Skempton公式孔压预测

Δu=AΔσ1=A(G+u-S)

(3)

式中：u-为基底负孔压，表示为u-=Δu-u+，其中u+表示上拔前超静水压力，由于沉箱荷载作用在地基上未完全消散的而引起，可以根据比奥固结理论计算。u-=Δu-u+代入式3，整理可得孔压变量：

(4)

将式(4)带入u-=Δu-u+后，基底负孔压表示为：

(5)

(2) 粘着力Ca取1.3倍原位不排水抗剪强度；

(3) 模型试验表明，最大吸附力出现时即沉箱与土体脱离时刻，此时无侧壁摩擦力。因此，吸附力计算式如下：

F=u-S+CaS

(6)

4.2 工程实例

某潜坐式结构位置偏离设计坐标，安装后立刻拔出，入泥深度D=1.3 m，宽B=3 m，D/B=0.43，原位不排水抗剪强度5 kPa，沉箱自重52.6 t，基底平均压强(结构重量减去侧壁摩阻力)54 kPa，实测吸附力为103 kN。已知D/B，根据图11查得Skempton孔压系数A为0.47，由式(5)计算基底负孔压为-5.8 kPa，粘着力Ca取1.3倍不排水强度，由式(6)计算得出最大吸附力为110.7 kN，与实测误差约为7%。

5 结 论

以天津滨海新区软土为研究对象，通过三组沉箱上拔试验，研究了平底沉箱基础粘聚力的构成，并提出一种吸附力预测的简易方法。结论如下：

(1) 由于粘着力不易通过试验直接测得，根据试验反算方法更可信，天津滨海新区软土粘着力约为1.3倍原位不排水抗剪强度；

(2) 沉箱上拔时孔压增量与卸荷应力满足Skempton孔压计算公式，表明Skempton孔压计算公式适用于特定情况上拔问题，孔压系数A随着箱体下沉深度增加而增大，与归一化深度呈线性关系；

(3) 吸附力和粘着力在沉箱与土体脱离时达到最大值，此时吸附力由底部吸力和粘着力两部分组成；

(4) 提出吸附力最大值的预测方法，采用Skempton孔压公式计算孔压增量估算底部吸力，用1.3倍十字板不排水强度作为粘着强度，从而预测最大吸附力。