吸力式桶型基礎(chǔ)水平靜力加載試驗承載特性與穩(wěn)定性分析

許建朋 陳旭光 姜育科

(1. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室， 南京 210098； 2. 河海大學 江蘇省巖土工程技術(shù)工程研究中心， 南京 210098)

由于全球能源危機、環(huán)境污染以及溫室效應的加劇，海上風能作為一種重要可再生、清潔能源逐漸受到人們的關(guān)注，海上風電得到大力發(fā)展．而在復雜海洋環(huán)境下，海上風電基礎(chǔ)的承載特性與穩(wěn)定性直接影響到海上風電整體的結(jié)構(gòu)安全．

吸力式桶型基礎(chǔ)[1]為上端封閉下端開口的筒體，可利用負壓原理下貫至海底土層．近年來，由于其成本較低、安裝方便、可回收利用的特點被廣泛應用于海上風電基礎(chǔ)．目前，國內(nèi)外學者對于吸力式桶型基礎(chǔ)已經(jīng)有一定程度的研究．Byrne[2]基于牛津大學研制的加載系統(tǒng)，研究了吸力式基礎(chǔ)在砂土中的承載力特性，采用水平和豎向的靜載和循環(huán)荷載等組合荷載，得到吸力式基礎(chǔ)的破壞包絡(luò)面．Chen[3]比較了吸力式沉箱在正常固結(jié)和超固結(jié)土中的一系列離心機模型試驗的結(jié)果，分析了其在靜載和循環(huán)荷載作用下的抗拔承載力．Randolph[4]論述了水平和豎向荷載條件下粘土中吸力基礎(chǔ)的分析技術(shù)和設(shè)計參數(shù)．討論了水平和豎向荷載之間的相互作用，并且考慮諸如土壤的強度各向異性和施加的載荷對吸力式沉箱的水平承載力的影響．朱斌等[5]對吸力式沉箱在飽和淤泥中的吸力安裝和橫向承載力進行大型模型試驗．試驗結(jié)果表明：滲流效應影響基礎(chǔ)在淤泥中的下沉，沉貫所需的吸力可以根據(jù)桶壁摩擦力和錐阻力很好地預測．李大勇等[6-8]對飽和細砂土中裙式吸力基礎(chǔ)的承載力特性開展模型試驗研究，試驗選取不同裙高的吸力基礎(chǔ)進行水平靜力加載試驗，分析了水平位移和土壓力的變化．王建華[9]通過模型試驗研究了桶形基礎(chǔ)在豎向靜載以及水平循環(huán)荷載共同作用下的承載特性，并與有限元計算結(jié)果相對比，發(fā)現(xiàn)豎向靜載決定了吸力錨失穩(wěn)時循環(huán)荷載的大小與次數(shù)．

由此可見，國內(nèi)外學者對吸力式桶型基礎(chǔ)已經(jīng)有了初步的研究，本文對吸力式桶型基礎(chǔ)進行水平靜載模型試驗，并且對試驗結(jié)果進行無量綱化處理，研究其承載特性以及穩(wěn)定性的變化規(guī)律．

1 吸力式桶型基礎(chǔ)模型試驗

1.1 吸力式桶型基礎(chǔ)模型

吸力式桶形基礎(chǔ)模型由主桶模型和加載桿固定端組成，加載桿固定端設(shè)置在主桶模型頂蓋中央，如圖1所示．模型的材料是圓鋼，并打磨光滑，下部敞開，上部頂蓋一側(cè)設(shè)有排水孔．本文模型試驗采用3個不同長徑比的吸力式桶形基礎(chǔ)模型，尺寸見表1．

表1 桶形基礎(chǔ)模型尺寸

圖1 吸力式桶形基礎(chǔ)模型

1.2 試驗地基

試驗所選地基為取自海灘的細砂土，顆粒級配如圖2所示，其物理力學參數(shù)見表2．為保證試驗過程中砂土地基的均質(zhì)性，采用分層裝填，同時采用滲流加靜置固結(jié)，可以加速砂土固結(jié)．每次裝填砂土10 cm，注水并使水位高于砂土，打開排水閥進行排水，利用滲流作用加速砂土固結(jié)．重復上述過程，最終完成40 cm高砂土地基的分層填筑．

圖2 砂土顆粒級配曲線

類型比重孔隙比滲透系數(shù)/(cm·s-1)細砂2．520．5740．002

1.3 水平靜力加載試驗方案

圖3為水平靜力加載模型試驗方案示意圖．

圖3 水平靜力加載模型試驗方案示意圖

吸力式桶形基礎(chǔ)模型及微型土壓力計埋入砂土中；2只LVDT位移傳感器沿水平方向布置在加載桿受力方向后側(cè)，分別標記LVDT1和LVDT2，LVDT1距離基礎(chǔ)模型頂蓋高90 cm，LVDT2距離基礎(chǔ)模型頂蓋高80 cm；靜力加載高度是50 cm．水平靜力加載模型試驗，用砝碼逐級加載，每級荷載為2 N，每級荷載作用下LVDT讀數(shù)沒有變化或者變化小于0.01 mm時，繼續(xù)施加下一級荷載，直至基礎(chǔ)模型失穩(wěn)破壞．重復試驗過程，直到完成3個不同長徑比的吸力式桶形基礎(chǔ)模型試驗．

2 水平靜力加載模型試驗位移試驗結(jié)果分析

將試驗結(jié)果均做無量綱化處理[10]：水平荷載的無量綱表達式為F/2πR3γ、其中F為水平靜力，R為吸力式桶形基礎(chǔ)模型半徑，γ為試驗砂土有效重度(由第二章土體參數(shù)算得9.46 kN/m3)；基礎(chǔ)水平位移的無量綱化表達式為s/D，s為LVDT所測基礎(chǔ)水平位移量，D為吸力式桶形基礎(chǔ)模型的直徑；基礎(chǔ)桶頂位移的無量綱化表達式為S/D，S為基礎(chǔ)桶頂水平位移量，D為吸力式桶形基礎(chǔ)模型的直徑；基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動點位置的無量綱化表達式為h/H，h為轉(zhuǎn)動點到桶形基礎(chǔ)頂面之間的距離，H為吸力式桶形基礎(chǔ)的長度(高度)．

2.1 水平靜載作用下吸力式桶形基礎(chǔ)的荷載位移關(guān)系

如圖4所示為無量綱化下基礎(chǔ)長徑比分別為0.5、0.75和1時，吸力式桶形基礎(chǔ)LVDT2處水平位移和水平荷載的關(guān)系曲線．

圖4 不同長徑比的吸力式桶形基礎(chǔ)水平荷載-位移曲線圖

由圖4可知：對于不同長徑比的吸力式桶形基礎(chǔ)水平荷載-水平位移關(guān)系曲線的趨勢基本相同，都可以分為3個階段(彈性變形階段、塑性變形階段和失穩(wěn)破壞階段)，分析過程基本一致，將基礎(chǔ)能承受的最大荷載定義為水平極限承載力．由圖可知：長徑比為0.5、0.75和1的吸力式桶形基礎(chǔ)水平極限承載力分別為0.6、0.79和1.64．

2.2 水平靜載作用下吸力式桶形基礎(chǔ)筒頂位移與荷載關(guān)系

水平荷載作用下，假定吸力式桶形基礎(chǔ)傾覆失穩(wěn)時的運動形式是繞著基礎(chǔ)中心軸上的某一點發(fā)生轉(zhuǎn)動[11]，水平靜力加載試驗中，2支LVDT位移傳感器沿水平方向布置在加載桿受力方向后側(cè)，可計算基礎(chǔ)桶頂水平位移隨荷載的變化關(guān)系．無量綱化下不同長徑比的吸力式桶形基礎(chǔ)桶頂位移隨水平荷載變化曲線圖如圖5所示．

圖5 不同長徑比吸力式桶形基礎(chǔ)桶頂隨水平荷載變化關(guān)系

從圖5可以看出，隨著水平荷載的增加，在相同荷載水平下長徑比大的基礎(chǔ)桶頂水平位移量小于長徑比小的位移量；達到極限水平荷載時，長徑比為0.5、0.75和1所對應的桶頂水平位移量分別約為0.029、0.038和0.05，說明隨著長徑比的增加，基礎(chǔ)能承受的變形量增大，基礎(chǔ)桶頂極限水平位移量增加；當達到極限水平承載力時，吸力式桶形基礎(chǔ)的水平位移一直增大，此時基礎(chǔ)失穩(wěn)破壞．

按照破壞時基礎(chǔ)最大水平位移量達到基礎(chǔ)寬度的3%～6%作為水平位移破壞的標準[10]，可知實驗結(jié)果基本與之吻合．

2.3 吸力式桶形基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動點變化規(guī)律

水平荷載作用下，假定吸力式桶形基礎(chǔ)傾覆失穩(wěn)時的運動形式是繞著基礎(chǔ)中心軸上的某一點發(fā)生轉(zhuǎn)動[12]，水平靜力加載試驗中，2支LVDT位移傳感器沿水平方向布置在加載桿受力方向后側(cè)，可計算轉(zhuǎn)動點的位置隨水平荷載的變化關(guān)系．

圖6所示為無量綱化下不同長徑比的吸力式桶形基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動點隨荷載變化曲線圖，其中負號表示轉(zhuǎn)動點在砂土表面以下．由圖6可以看出，隨著水平荷載的增大，基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動點會向下移動，最后會趨于一個穩(wěn)定的范圍．吸力式桶形基礎(chǔ)受到水平荷載作用時，主要的運動方式為轉(zhuǎn)動，也會發(fā)生平動；結(jié)合基礎(chǔ)荷載-位移曲線圖分析，基礎(chǔ)在彈性變形階段和塑性變形前期階段，由于基礎(chǔ)變形位移量相對較少，平動所占的比例相對較大，所以轉(zhuǎn)動點的位置變化較大；隨著塑性變形的發(fā)展到失穩(wěn)破壞階段，基礎(chǔ)的變形位移量逐漸增大，基礎(chǔ)主要以轉(zhuǎn)動為主，并逐漸成為完全轉(zhuǎn)動，所以轉(zhuǎn)動點的范圍趨于一個穩(wěn)定的范圍．

圖6 不同長徑比吸力式桶形基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動點隨荷載變化曲線圖

3 水平靜力加載模型試驗土壓力試驗結(jié)果分析

吸力式桶形基礎(chǔ)屬于埋深小的寬淺式基礎(chǔ)，基礎(chǔ)前后側(cè)受到的土壓力按主動土壓力和被動土壓力考慮[13-14]．所測得的被動土壓力是正值，測得的主動土壓力是負值．通過土壓力值的測量，得出被動土壓力區(qū)和主動土壓力區(qū)，并將相同埋深的基礎(chǔ)前后側(cè)土壓力值相減，得到土壓力的合力，土壓力合力為0處則為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動點位置[15]．

3.1 不同長徑比吸力式桶型基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動點位置

圖7～9分別為為長徑比0.5、0.75、1的吸力式桶形基礎(chǔ)土壓力合力分布圖．從圖7可知：長徑比為0.5的吸力式桶形基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動點位置在0.85倍桶高以下，在失穩(wěn)破壞時會稍微向上移動，轉(zhuǎn)動點位置的平均深度約為0.9倍桶高．從圖8可知：長徑比為0.75的吸力式桶形基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動點位置在0.7～0.9倍桶高之間，在失穩(wěn)破壞時會稍微向上移動，轉(zhuǎn)動點位置的平均深度約為0.8倍桶高．從圖9可知：長徑比為1的吸力式桶形基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動點位置0.6～0.65之間，轉(zhuǎn)動點平均位置約為0.62倍桶高．

圖7 長徑比0.5的吸力式桶形基礎(chǔ)土壓力合力分布圖

圖8 長徑比0.75的吸力式桶形基礎(chǔ)土壓力合力分布圖

圖9 長徑比1的吸力式桶形基礎(chǔ)土壓力合力分布圖

3.2 位移與土壓力得到的轉(zhuǎn)動點位置對比

將2.3節(jié)位移分析得出無量綱化下吸力式桶形基礎(chǔ)破壞時的轉(zhuǎn)動點位置和3.1節(jié)土壓力分析得到的數(shù)據(jù)匯總并對比，見表3．

表3 不同長徑比的吸力式桶形基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動點匯總

由表3可知，通過位移分析和土壓力分析得到的轉(zhuǎn)動點位置差別不大，基本吻合．綜合分析可知：水平靜載作用下，長徑比0.5的吸力式桶形基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動點位于基礎(chǔ)頂面以下0.78～0.95倍桶高之間，長徑比0.75的吸力式桶形基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動點位于基礎(chǔ)頂面以下0.65～0.9倍桶高之間，長徑比1的吸力式桶形基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)動點位于基礎(chǔ)頂面以下0.5～0.65倍桶高之間．隨著基礎(chǔ)長徑比的增大，基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動點的位置相對于桶高向上移動，但是都位于基礎(chǔ)頂面以下0.6～0.9倍桶高之間．

4 結(jié)論與建議

本文通過無量綱化方法對吸力式桶形基礎(chǔ)水平靜力加載模型試驗的結(jié)果進行詳細分析．主要得出以下結(jié)論：

1)吸力式桶形基礎(chǔ)在水平靜力加載過程中分為3個階段：彈性變形階段、塑性變形階段和失穩(wěn)破壞階段．吸力式桶形基礎(chǔ)的承載力和穩(wěn)定性隨長徑比的增大而增大．

2)不同長徑比的吸力式桶形基礎(chǔ)在水平靜力加載過程中彈性變形階段，桶頂水平位移量基本相同，均為0.004；桶頂極限水平位移量隨著長徑比的增大而略有增大；實驗結(jié)果基本吻合整體剛性短樁水平承載破壞特性．

3)通過位移和土壓力分析分別得到的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動點位置變化規(guī)律，兩者差別相對較?。浑S著基礎(chǔ)長徑比的增大，基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動點的位置相對于桶高向上移動，但是都位于基礎(chǔ)頂面以下0.6～0.9倍桶高之間．本文所得結(jié)論均為實驗室內(nèi)進行，還需要數(shù)值模擬或理論分析的驗證．

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