海洋吸力式沉箱基础失稳破坏模式试验研究

山东大学土建与水利学院，山东 济南 250061

与陆地资源开发不同，海洋环境和地质条件较复杂，海洋资源开发首先必须克服海洋环境（海水、海浪、海流、风暴、软弱基础等）对工程实践带来的各种潜在影响。海洋环境与地质条件的复杂性增加了海上工程的建设难度和投资风险，于是吸力式沉箱基础作为一种新的基础形式应运而生，其具有施工工期短、节省原材料、造价低、运输安装方便、可重复使用、适用软弱土质等优点，在海洋工程中有着广阔的应用空间。

海洋资源开采平台的基础结构不仅要承受其上部结构的巨大自重与工作荷载带来的长期作用，还要受到台风、飓风、波浪、洋流、冰川、潮汐等的强烈影响，若其承载性能不足将直接导致海洋建筑物整体坍塌、失稳破坏。为此，文章利用液化地层海洋沉箱结构模型试验装置，通过室内试验，分别研究了水平荷载和竖向荷载作用下的沉箱基础地基破坏模式，为确保海洋平台结构的稳定性奠定了基础。

1 试验装置与试验方法

对吸力式沉箱基础承载特性的研究一般采用室内模型试验、离心机试验和现场试验等方式。其中，室内模型试验是按照真实的构件，依据比例、材料、尺寸、荷载相似的要求做成比较小的构件来代替大型结构试验的一种试验方式，具有成本相对较低、针对性强、数据准确、加载次数多、可反复观察等优点。现场试验则受环境条件限制大、加载次数少，不能进行较完整的数据分析。因此，室内模型试验是目前较为常用的试验方式。

1.1 黏土样制备

制备饱和黏土所采用的装置为真空抽吸法饱和黏土制样装置。该制样装置为双层筒体结构，由外壁、与外壁为一体结构的内壁和密封盖组成。与以往制备饱和黏土的泥浆加压固结法相比较，该制样装置结构较为轻巧，操作方便，单人即可完成制样工作；抽吸效果好，制样效率高，可极大地缩短制样时间，重复利用度高；并且所制备试样有较好的均匀性，饱和度高。制成饱和黏土样后，试验土样基本物理力学指标采用室内土工试验方法进行测量，采用烘干法测定重塑土样不同位置处的平均含水率，以确保该试验土体的最优含水率。

1.2 试验装置

模型试验主要研究吸力式沉箱基础地基在水平荷载和竖向荷载作用下的破坏模式，试验主要分为两部分：吸力式沉箱基础的水平荷载模型试验和竖向荷载模型试验。

试验所采用的设备为自行研制的小型模型试验装置（见图1），其中模型槽是尺寸为800mm×800mm×800mm的钢制箱，为方便制备和养护土体，模型槽上部无盖，该模型槽对加载时土体的侧向变形可以起到很好的约束作用。为有效避免在模型槽四周设置排水边界会造成槽内四周土体强度过大的问题，需在模型槽底部对称设置排水孔，以保证同一深度处试验土体强度的均匀性。

图1 液化地层的吸力式沉箱结构模型试验装置

实际工程中海洋沉箱基础的制作材料为钢材，与土体相比，其轴向刚度较大。为保证试验准确性，海洋沉箱基础模型为钢材加工而成的顶端封闭的桶形结构，其内外壁光滑，下部敞开，桶盖部位预留有抽水孔，用来排出空气和水。海洋沉箱基础结构直径为200mm、壁厚5mm、桶高200mm。

该设备能够模拟水平荷载、竖向荷载、扭剪荷载单独作用和共同作用下的海洋沉箱基础结构与土的相互作用机理，通过液压控制系统来控制施加荷载的大小，在吸力式沉箱基础顶部施加水平荷载、竖向荷载、扭剪荷载，该加载方式在试验过程中更容易保持荷载的稳定性。

1.3 试验过程

试验是否准确有序进行对试验结果的准确性具有很大影响，海洋吸力式沉箱基础模型试验过程如下：

（1）在模型槽中填充预置的饱和黏土可按照分层填土、铺平、整体震动夯实等步骤来实施，为保证每层土都具有良好的均匀性，需要控制每次填土的质量及夯实后的厚度。

（2）将海洋沉箱基础模型放置于模型槽中，先让其在自身重应力的作用下不断沉降，待其稳定后，再通过负压方式将海洋沉箱基础模型压入饱和黏土中。

（3）试验加载方式通过液压加载系统来实现荷载控制，从桶轴线顶部开始，逐级施加旋转荷载，并且每一级加载的荷载大小要控制在沉箱基础极限承载力的10%左右。每次加载后，待基础结构变形量完全稳定后记录数据，该级荷载作用下的位移数据取值为位移量随时间变化逐渐稳定后的结果，并对每级荷载作用下的土压力数据进行记录。当被测点位移超过10mm或者模型整体失稳时，认为该沉箱基础结构达到破坏模式，此时试验终止。沉箱结构荷载施加过程见图2。

图2 沉箱结构荷载施加过程

2 试验结果分析

2.1 水平荷载作用下的吸力式沉箱基础地基破坏模式

试验所得到的水平荷载作用下的地基破坏模式见图3。由图3可知，吸力式海洋沉箱基础在水平动荷载作用下产生倾斜，基础结构外壁后侧与海床土分离，且顶部分离孔隙较大；基础结构外壁前侧挤压海床土使土体产生隆起；基础结构内壁海床土随着基础结构发生位移变化，但整体型式未改变。

图3 试验所得到的水平荷载作用下的地基破坏模式

产生该种破坏模式的原因主要有以下两点：（1）与土压力分析进行比较，基础结构内壁土压力从顶部至底部变化趋势基本一致。海洋沉箱基础结构产生水平位移时，基础结构内海床土整体型式未改变，只是在底部与基础结构衔接处产生较大土压力。（2）基础结构外壁顶部后侧土压力趋于0，这是由于基础结构外壁后侧与海床土分离，土压力消散所致。

2.2 竖向荷载作用下的吸力式沉箱基础地基破坏模式

试验所得到的竖向荷载作用下的地基破坏模式见图4。由图4可知，吸力式海洋沉箱基础在竖向动荷载作用下产生剪切变形，基础结构外壁顶部与海洋土分离产生裂缝且裂缝较大；基础结构外壁底部挤压海洋土使基础结构两侧土体产生隆起；基础结构内壁海床土随着沉箱基础发生位移变化，但整体型式未改变。

图4 试验所得到的竖向荷载作用下的地基破坏模式

产生该种破坏模式的原因主要有以下两点：（1）与土压力分析进行比较，基础结构内壁土压力从顶部至底部变化趋势基本一致。这是由于海洋沉箱基础产生竖向位移时，基础结构内海洋土整体型式未改变，只是在底部与基础结构衔接处产生较大土压力。（2）基础结构外壁土压力顶部与底部相比较小，这是由于基础结构外壁顶部与海床土分离，土压力消散所致。

3 结论

通过室内模型试验，文章针对水平荷载和竖向荷载作用下的沉箱基础地基破坏模式开展了试验研究，得到了以下结论：

（1）海洋沉箱基础在水平荷载作用下产生倾斜破坏，基础结构外壁后侧与海床土分离，且顶部分离孔隙较大，基础结构外壁前侧挤压海床土致使土体产生隆起。

（2）海洋沉箱基础在竖向荷载作用下产生剪切变形，基础结构外壁顶部与海床土分离产生裂缝且裂缝较大，基础结构外壁底部挤压海床土致使基础结构两侧土体产生隆起。

（3）海洋沉箱基础在水平荷载或竖向荷载作用下，基础结构内壁海床土随着沉箱基础发生位移变化，但整体型式未改变。