斜坡单桶吸力式基础负压贯入与倾斜机制试验

谢立全 李晓波 马士力

（同济大学水利工程系，上海200092）

0 引 言

海洋平台的研究与实际应用是当代海洋开发战略的重要部分。早在1987 年，同济大学朱百里就讨论研究了海洋平台的各类可行的形式并展望了海洋岩土工程的发展前景［1］。针对海洋平台稳定性的研究也越来越多，2008 年王琳琳，祁德庆在对海洋平台动力响应分析上得出了一些结论［2］。2018年，张纪刚等从稳定性角度出发，对铝合金混凝土海洋平台结构进行了研究［3］。由此可见近十年来国内海洋平台发展迅速。吸力锚基础作为新兴的一种海洋基础形式，最早于20 世纪依据负压锚的原理提出，将底部开口的大型圆柱薄壁结构的上端封闭，通过在顶部架设一个排气抽水孔，利用负压贯入到设计深度，从而具有足够的承载力支撑海底建筑物的稳定性，之后成功在北海和墨西哥湾一带进行应用［4］。对比其他基础来说，吸力式基础具有施工简便、造价低廉，并且可重复利用等优点［5-6］，故具有广泛的应用前景。但是，要使吸力式基础承载力达到设计要求，关键取决于吸力式基础能否沉贯到位。国内外众多工程实例已经表明，吸力式基础之所以失败，大多是因为沉贯过程出现问题。Wang 等［7］最早于 1975 年分别在砂土、粉土和黏性土当中开展了吸力式基础的沉贯试验，证明了吸力式基础的多种土质适用性。朱斌等［8］通过大比尺模型试验研究了负压与沉贯深度的关系。丁红岩等［9-10］分别研究了不同土质下土塞高度与基础下沉深度关系。杨少丽等［11-12］研究了均质粉土沉贯过程中桶内土体的变化以及土塞发展与基础高径比的关系。余璐庆等［13］和国振等［14］分别研究了粉土和黏性土中基础沉贯阻力和土塞的对应关系。由于筒形基础在砂土地基贯入过程的复杂性，为了避免渗流造成的破坏，Senders［15］通过数值方法给出了临界吸力计算公式。陈飞等［16］通过开展实验修正了Senders给出的临界吸力公式，并研究了沉贯过程中的筒—土作用机理。李大勇等［17］则通过模型试验给出了最佳试验条件并展示了土塞和水塞的形成过程。Ibsen 等［18］、Erbrich 等［19］、Feld［20］、练继建等［21］通过建立数值模型针对渗透破坏进行分析，并以水力梯度为控制条件建立了临界吸力计算公式，被广泛应用于施工和设计。Randolph 等［22］则通过开展砂土中筒形基础沉贯的离心试验，认为无需控制吸力大小。

吸力式基础的安装过程，包括定位触底、重力贯入土体、抽水形成负压最终贯入及结束安装四个阶段。其中负压沉贯阶段一直是研究关注的重点。由于复杂的深海波流环境和海床地形的影响，使得吸力式基础的安装难度较大，桶基在沉贯过程中容易发生倾斜，严重影响其深海中的施工效率，且桶基倾斜后的最终贯入深度和承载能力也明显降低，影响锚泊系统的设计锚泊能力。武科等［23］和 Aubeny C P 等［24］研究表明，荷载作用的偏心距对吸力式基础承载力影响明显，因此，桶体倾斜将加大荷载偏心的影响。工程实际施工过程中，筒形基础在海流作用下容易在沉贯过程中发生倾斜，又由于海底地质环境比较复杂，难以监测，因此这方面相对应的研究成果比较有限。本文通过模型试验，探究了吸力式基础在不同坡度海床上的贯入过程，并以此对照，找出吸力式基础的倾斜机制与特性。

1 试验布置及方案确定

1.1 吸力桶模型与试验设备

本文采用的吸力桶为铝质圆桶，顶部采用板厚3 cm有机玻璃圆板将其密封。桶壁厚度为1 mm，桶高50 cm，桶内径50 cm，模型自重为23 kg，在吸力桶模型顶部布设有排水抽气孔，可以传递负压。另外通过自制的负压加载控制装置，可以准确控制沉贯过程中的负压加载，使其保持在一个稳定值，减小试验误差。

试验在刚性试验模型箱中进行，吸力桶模型位于土槽中间位置，在桶内负压加载条件下被压入土体。试验模型土箱由型钢作为固定框架，侧壁与底板为钢化玻璃，结合吸力式基础模型桶尺寸要求与试验条件，确定其长度、宽度、高度分别为120 cm、100 cm、50 cm。试验模型如图1 所示。模型箱模拟的边界条件与实际工程环境会产生一定的差别，这种差别势必会对试验结果造成一定的影响，这种影响成为边界效应。对于静力问题，要求模型箱侧壁摩擦系数尽可能小、刚度尽可能大。减小侧壁摩擦力可以通过涂抹凡士林、桂脂等润滑剂并粘贴乳胶膜来实现。对于动力问题，采用刚性模型箱，其侧壁将会被激振，使试验结果造成影响。目前这类问题已得到解决，比如在模型箱壁内加一层抑制振动的衬［25-26］，在爆炸和冲击荷载的模拟试验中也采用类似的处理方法；若采用叠环式或铰接式等完全柔性的模型箱，则可以实现对基底输入振动加速度的响应，而在水平方向可以自由变形，从而使侧壁约束非常小［27］。

图1 倾斜中的吸力桶模型及负压加载控制装置Fig.1 Slopping suction bucket model and negative pressure loading control device

1.2 试验土体制备及参数测定

本试验过程中所采用的土体为加工过后的砂，试验中控制填土干密度为1.56 g/cm3，将其静置达到饱和状态后测得饱和密度为1.99 g/cm3，孔隙比为0.77，渗透系数为2.80×10-5m/s。之后用筛分试验法测得土体级配曲线如图2所示。

图2 土体级配曲线Fig.2 Grading curve of soil

1.3 试验布置

试验过程中试验布置装置示意如图3所示，水平地基分别在桶内外不同高度共放置6个孔压传感器，倾斜地基共放置5个孔压传感器，且均布置于桶内，监测吸力桶在贯入过程中的孔压变化情况。

图3 试验布置示意图Fig.3 Schematic diagram of test layout

1.4 试验方案

本文试验的工况分水平地基和倾斜地基两种情况，有关试验的具体参数如表1 所示，主要研究吸力桶的贯入机制和倾斜机理。

表1 试验方案Table 1 Plan of test

2 试验结果与分析

2.1 水平地基试验

图4 给出了吸力式基础在不同负压下的贯入过程曲线，其四个工况的贯入速率分别为13.8 cm/min、18.9 cm/min、24.6 cm/min、29.2 cm/min。由图中可得，负压越大，贯入速率越大，极限贯入深度也越大。整个贯入过程可分为三个阶段:第一阶段是近似于直线的贯入阶段，此时贯入速度较快；第二阶段为平缓贯入阶段，由于沉贯阻力的增加，贯入速度逐渐降低；第三阶段为极限贯入阶段，此时吸力桶达到在该负压下的极限贯入深度。图中对于负压加载-10 kPa、-15 kPa、-20 kPa三个工况，由于试验土层厚度的限制，吸力桶尚未达到极限贯入深度。

图4 不同负压下的基础贯入深度曲线Fig.4 The penetration depth curve of foundation under different negative pressure

图5 为吸力式基础在负压-5 kPa 下贯入时孔压历时演变曲线。由图可见，吸力式基础外侧孔压随着贯入深度的增大变化很小。然而，吸力式基础内侧的孔压对基础贯入深度的变化比较敏感，随着贯入深度不断增加，孔压值也不断增大，越接近土体表面孔压值越大。对于负压加载-10 kPa、-15 kPa、-20 kPa 其他三个工况，孔压变化规律相同。对比4 个工况结果发现，加载负压的变化对桶体内外的孔压变化规律和幅值大小几乎没有影响。

图5 负压-5 kPa贯入时孔压变化曲线Fig.5 The change curve of pore water pressure at the time of-5 kPa negative pressure penetration

2.2 倾斜地基试验

图6 是不同贯入负压下吸力式基础两侧贯入过程曲线图。从图中可以看出，在海床倾斜状态下，吸力式基础贯入时两侧贯入量增长不同步。左侧（斜坡下侧）高于右侧（斜坡上侧），也就是说，贯入过程中吸力桶向左侧（斜坡下侧）倾斜，其最大倾斜度为达3%，如图7 所示。对比4 种工况发现，随着贯入负压的增加，两侧贯入量差值越小，倾斜度越小。说明在海床倾斜状态下，吸力式基础贯入时应采取较大负压，防止基础产生倾斜。可以看出，当吸力式基础发生倾斜时，负压也会对吸力式基础倾斜时产生一定的纠偏作用，只是纠偏效果非常有限。

图8 为贯入负压-5 kPa 时孔压变化规律图。当吸力桶左侧贯入到2 cm 时，5#和6#孔隙水压力开始出现正压增大，当左侧贯入深度达到2.6 cm时出现峰值，之后又迅速向负压增加。在-5 kPa的负压荷载左右两侧的贯入深度曲线图8a 中，得到当右侧贯入深度达到1 cm 时，左侧此时的贯入深度在2 cm（倾斜2%），当右侧达到1.25 cm时，左侧贯入深度达到2.6 cm（倾斜2.7%），在极短时间内吸力桶发生倾斜。从中可见，在吸力桶倾斜度达到一定程度时（这里为2%），孔压开始往正压增加，随着倾斜程度加剧孔压不断向正压增加。当吸力桶倾斜接近该加载条件极限倾斜度时（这里为3%），孔压停止向正压增加，并转向朝负压增加。之后，吸力桶的倾斜状态变化不大。负压贯入-10 kPa，-15 kPa 两个工况变化规律与以上相似。图9 给出了贯入负压为-20 kPa 时孔压的变化规律，对比前面可以看出，该工况下孔压没出现拐点和上升倾向，根据图7 的倾斜度可知该工况倾斜度最小，仅有1.1%。说明吸力式基础桶体内孔压出现拐点和上升点时，基础倾斜明显增大，需及时纠偏。同时说明当负压增大后，对土体的倾斜度有一定抑制作用。

图6 不同贯入负压下的桶体两侧贯入深度Fig.6 The depth of penetration on both sides of the barrel under different penetration negative pressure

图7 不同负压贯入时的倾斜度Fig.7 Slope of different negative pressure penetration

图8 负压-5 kPa贯入时孔压变化曲线Fig.8 The change curve of pore water pressure at the time of-5 kPa negative pressure penetration

图9 负压-20 kPa贯入时孔压变化曲线Fig.9 The change curve of pore water pressure at the time of-20 kPa negative pressure penetration

3 结 论

本文在自行研制的试验平台上做了一系列吸力桶模型在不同地基下的贯入试验。基于在试验过程中所得到的数据进行分析，探究了吸力式基础在负压下的贯入过程曲线以及发生倾斜时的倾斜机制，主要结论如下:

（1）吸力式基础在水平地基中垂直贯入时，在负压贯入阶段其贯入深度关系曲线呈现三个阶段，即线性增加阶段、缓慢收敛阶段以及极限阶段。其极限贯入深度随着负压的增大而增大。

（2）吸力式基础在负压垂直贯入到土体中，外侧的孔压变化很小，内侧孔压随着贯入深度增加不断增大，竖直方向上距土体表面越近则孔压越大；当负压大小变化时，桶体内外侧的孔压变化规律和幅值大小变化不大。

（3）吸力式基础在倾斜地基状态下贯入时会产生倾斜现象，对比水平状态，可知倾斜发生原因即为地基的倾斜。同时，贯入时的负压越大贯入完成时的桶体倾斜度越小，表明在相同倾斜程度的地基上，贯入负压越大，桶体发生倾斜的程度越小，故当吸力式基础在非水平的海床上贯入时则建议使用较大负压贯入，以避免产生较大倾斜。

（4）吸力式基础桶体内孔压出现反向变化和峰值时，基础倾斜度开始增加，随着孔压往正压方向的增加，基础倾斜度不断增大，当孔压继续转向往负压方向增加时，基础倾斜度变化不大，则可以通过孔压的变化来判断施工过程中基础的倾斜状态和倾斜程度。