黏土中桶形基础负压下沉阻力及土塞发展试验

黏土中桶形基础负压下沉阻力及土塞发展试验闫澍旺;霍知亮;楚剑;郭伟【摘要】桶形基础负压下沉时下沉阻力和土塞发展是桶形基础施工中的两个关键性问题.针对此问题,进行了不同土体中桶形基础下沉特性的模型试验,测量试验过程中土塞隆起高度、桶体下沉位移及施加负压值的大小.试验结果表明,当施加的负压大于所需负压时桶体才会下沉,并且土塞是阻碍桶体下沉的最主要原因.在负压下沉过程中,土塞隆起参数分别为74%,和105%,,并且当反向地基承载力破坏发生时,更多土体将会进入桶内.在实际工程中,桶内土塞的发展应作为负压下沉时施工控制的关键技术指标,并且需要对其进行实时监控,避免施工上的困难和对桶体稳定性的影响.%Penetration resistance and soil plug development are two critical issues in construction during suction cais-son penetration.Aiming at these problems,model tests were carried out to study the behavior of suction caisson penetration in different types of soils.The height of soilplug,displacement of suction caisson and applied suction pressure are measured during the model tests.The model tests show that the caisson began to install when the applied suction was greater than the required underpressure,and the soil plug is one of the key factors that interrupted the penetration process of caisson.During the process of suction penetration,the soil plug parameters were 74%,and 105%, respectively,and more volume of soil would enter the caisson when the reverse bearing failure occurs.In prac-tical construction,the development of soil plug inside caisson should be used as a key technical index during suction penetration construction.Moreover,to avoid difficulties in construction and instabilityof suction caisson,real-time monitoring should be carried out on soil plug heave.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2016(049)010【总页数】7页(P1027-1033)【关键词】桶形基础;负压下沉;土塞;允许负压;反向地基承载力【作者】闫澍旺;霍知亮;楚剑;郭伟【作者单位】天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300072;爱荷华州立大学土木建筑与环境工程学院,艾姆斯 IA50011;南洋理工大学土木与环境工程学院,新加坡 639798【正文语种】中文【中图分类】TU47桶形基础是一种底端开口、顶端封闭的倒扣大直径圆桶，在原位安装时，首先依靠桶体自重和压载，使其部分插入土中，从而形成密封环境；然后连接潜水泵通过桶顶上预留的抽水口进行抽水，在桶内外压差的作用下将桶体逐步压入至海床内预定深度而完成安装[1-4]．桶形基础负压下沉时土体阻力的变化和土塞的形成发展是影响桶体沉贯进行和最终下沉深度的两个关键性问题[5]．在黏土地基中，Andersen等[6]和Dyvik等[7]对带裙的基础和锚在不同类型的平台和不同类型的载荷条件下的设计原则进行了描述，提出了沉贯阻力和承载力的计算方法．Houlsby等[8]采用解析方法，基于地基承载力原理和力的平衡原理，得出桶形基础分别在自重和吸力作用下的沉贯解析计算公式．Guo等[9]利用室内模型试验，进行吸力锚在黏土中的沉贯试验，表明在吸力沉贯过程中，负压作用对模型锚内部土体的影响很大，而对外部土体的影响很小，并且由压力沉贯向吸力沉贯转换后，土体阻力会先降低，再随着沉贯的进行逐渐增大，随后超过由压贯方式产生的土体阻力．此外，当桶形基础进行负压下沉时，若施加的负压过大，将导致桶内泥面过度隆起，从而与桶体顶盖内表面提前接触，导致负压吸力无法进一步施加，桶体无法下沉至设计深度，即出现“土塞现象”(soil plug)．1980年Grom Field在北海进行吸力锚安装时就出现“土塞现象”[10-11]．我国在渤海地区进行的几次吸力式基础下沉工程中，土塞高度大约为10～30,cm．土塞的存在，给桶形基础的施工和安装带来极大的困难，延长了海上施工作业的时间，同时过大的土塞会阻止桶形基础下沉就位，影响桶形基础竖向承载力的发挥，也将会导致其承受过大的波浪横向荷载，影响桶形基础的稳定性，同时海底水流对桶体周围土体的冲刷作用也会增强，缩短桶形基础的使用寿命、危及其安全使用[12]，因此必须将土塞高度控制在一定的量值之下．不同研究文献中，都对土塞现象进行了分析和探讨．在DNV-RP-E303[13]和API-RP-2SK[14]规范中，认为桶形基础负压下沉时，若施加的负压小于允许负压值，土塞隆起的体积等于桶壁下沉所置换的土体体积．在Whittle等[15]、Rauch 等[16]、Villalobos等[17]的研究中，也得出此结论．Andersen等[18]根据黏土中吸力锚的离心试验，表明锚壁下沉深度超过最终下沉深度的一半时，土体隆起的体积大于桶壁下沉过程中置换土体的体积．Zhou等[19-20]的研究则表明，土体隆起的体积小于桶壁下沉过程中置换土体的体积，其值约为50%,～65%,．桶形基础在负压下沉过程中，土塞隆起量不仅与土体的性质、桶体尺寸有关，更与所施加的负压大小密切相关．通过桶形基础负压下沉模型试验，对不同强度的黏土地基中桶体负压下沉时沉贯阻力和土塞的产生和发展特性进行研究，为桶形基础的施工和设计提供一定的试验依据．桶形基础下沉示意如图1所示，其中z为泥面以下深度，t为桶壁厚度，Di、Do 和D分别为桶形基础内径、外径和平均直径，H0为桶形基础的总高度，H为桶入土深度，Hp为桶内土塞高出泥面的高度，Hw为水深．设水的容重和土的浮容重分别为γw和γ′．桶形基础下沉过程中受到外部驱动力为F，桶的有效重量为．桶体在受到竖直向下作用力的同时，土体将产生抗力作用，即桶内外壁摩阻力Qin、Qout和桶底抗力Qtip．1.1 自重下沉桶形基础下沉过程依据下沉方式(即外部驱动力)的不同可分为自重下沉和负压下沉．在自重下沉阶段，驱动力仅为桶形基础的自重(包括配重)，所以F＝0．桶形基础自重下沉过程中，阻碍桶体下沉的抗力为侧壁摩阻力Qin＋Qout及桶底抗力Qtip．此时桶形基础竖向力的平衡方程为式中：M为桶形基础的质量；a为桶体下沉过程中的加速度，在下沉过程中由于下沉深度，即土体强度的不同，加速度a值随着下沉深度的变化而变化．当桶形基础在黏土地基中进行下沉时，侧壁摩阻力通过摩阻力因数乘以土体不排水抗剪强度计算得出，即式中：Hp为土塞高度；ai、ao分别为桶内、外壁摩阻力因数；su,ave为桶壁埋深H范围内土体不排水抗剪强度平均值．如果土体不排水抗剪强度随深度线性增加时，su＝su0＋kz，su,ave可计算为su,ave＝su0＋kH/2(见图1)．桶壁底部承载力的计算可根据承载力公式得出，即式中：Nc、Nq为承载力系数；su,tip为桶壁底部土体的不排水抗剪强度，su,tip ＝su0＋kH．依据式(1)～(4)，在桶形基础自重下沉过程中，竖向力的平衡方程为对于不排水条件，承载力系数Nq＝1，并假定ao＝ai＝a、D＝(Di＋Do)/2，则方程(5)可简化为1.2 负压下沉当桶形基础完成自重下沉阶段时，桶体由于下沉到泥面以下一定深度，桶内形成密封状态，此时桶内施加负压使其进入负压下沉阶段．设所施加的负压值为s，则桶内的绝对压强为pa＋γwHw－s(其中pa为大气压强)．由于施加负压的作用，在桶形基础顶部产生压力差，此时桶形基础受到额外的竖向荷载为负压值乘以桶盖内有效截面积．桶形基础在黏土地基负压下沉过程的计算中，忽略负压对桶壁摩阻力的影响，因此桶壁摩阻力的计算与自重下沉中的计算相同，即式(2)和式(3)．Houlsby等[8]指出，由于施加负压的作用，将减小沉贯时桶裙底边的端阻力，所以其底部承载力的边载项需要减去负压值，即此时桶形基础竖向力的平衡方程为根据前文分析，式(8)可简化成如果桶形基础负压下沉过程中，桶形基础以常速率下沉，负压和桶体自重组成的驱动力与土体抗力相平衡，此时桶形基础竖向力的平衡方程为桶形基础通过负压下沉达到预设深度时，DNV规范[13]和API规范[14]对于所需要的负压值sreq的计算方法基本相同，其大小为式中Ain为桶盖内有效面积．把式(10)和式(11)联立，可得为避免施加过大的负压导致桶底土体发生反向地基承载力破坏[21]，参照承载力理论，桶形基础负压下沉的允许负压值sallow为式中：Fs为安全系数，通常最小取1.5[21]．在DNV规范[13]中，采用su,ave折减到2/3的方法，来体现1.5的安全系数．为土体反向承载力系数．依据Hansen 的承载力理论，考虑基础形状修正系数sc＝1.2，以及埋深zi与直径D的比值所确定的深度修正系数，取＝6.2～9.0[22]，其计算公式为2.1 试验装置桶形基础室内模型试验装置(见图2)由4部分组成：数据采集系统、桶形基础模型、土壤固结系统以及轴向加载装置．其中试验箱为高1.4,m，直径1,m的圆柱形不锈钢桶．在制备试验土体时，为加速泥浆的固结，在桶底铺设过滤层，过滤层由两层土工布中间夹砂石组成．通过活塞压缩固结箱内的空气，泥浆中的水分通过桶底土工织物过滤层和排水管排出，从而使孔隙水压力消散，固结桶内土体．制备好试验土体后即可进行桶形基础负压下沉试验．2.2 桶形基础模型试验所用桶形基础模型长径比为2.375，内部为钢制桶壁，外侧用混凝土覆盖．桶裙底部为了负压下沉的需要，被打磨成坡度为1∶2的楔形体(被打磨的部分为混凝土桶壁，内部钢制桶壁未被打磨，其厚度为6.5,mm)．在桶形基础顶盖部位安装可拆卸的玻璃钢，在负压下沉试验中，通过激光测量桶内土体(即土塞)情况．桶形基础模型示意和尺寸如图3和表1所示．2.3 试验编号对桶形基础模型进行负压下沉试验时，每组试验按照字母数字代码表示，其释义为：桶形基础模型C(caisson model)，固结压力PC(preconsolidated pressure)，负压下沉方式IS(installation by suction)或者ISLP(suction with lower suction pressure)．所以C-106-IS即代表固结压力为106,kPa的黏土中进行负压下沉试验．2.4 试验土质情况由于高岭土是比较典型的海洋地基土，在许多海洋工程的基础承载特性研究中，高岭土被广泛地作为室内模型试验和原型试验的地基土体[23-25]．试验选择固结系数较高、低压缩性的高岭土，其基本物理力学指标如表2所示．对于试验土壤，首先把干的高岭土粉末和水在搅拌器中混合充分均匀搅拌约60,min，制成含水量为81.3%,的高岭土泥浆，然后放入固结箱中，并在不同的试验设计压力(41,kPa和106,kPa)下固结大约10,d，测定不同深度下土体的含水量和不排水抗剪强度，如图4所示．3.1 试验结果桶形基础模型的桶盖上预留了两个空气阀，一个连接施加负压装置(真空泵)，另一个连接压力传感器，测量桶形基础下沉过程中所施加的负压值．在桶体下沉过程中，采用3组滑轮限制桶体的水平位移，保证桶体垂直下沉，并通过激光传感器测量桶体下沉过程中土塞及桶体的位移，负压下沉试验照片和结果如图5和表3所示．在不同固结压力的黏土中，桶形基础在不同负压下的下沉深度百分比在45.4%,～64.3%,之间，土塞是阻碍桶体下沉的最主要原因．从图6所示的不同负压Ps下桶形基础下沉深度结果来看，负压越高桶体下沉过程越快，但较高的负压使土体更容易充满桶内空腔，使得下沉深度变小．以编号为C-41-IS的下沉试验结果为例，在下沉试验开始阶段，桶形基础在设计负压呈现常速率快速下沉．之后由于土塞充满桶内空间，在0.5,min时停止下沉，下沉深度为17.24,cm．3.2 土体下沉阻力利用式(12)和式(13)计算桶形基础下沉所需负压值sreq和容许负压值sallow，并与试验结果进行对比．在固结压力为41,kPa的土体中进行模型桶的负压下沉试验，其结果如图7所示．从图中可以看出，当施加的负压超过计算得出的所需负压时，桶形基础模型产生下沉．C-41-IS和C-41-ISLP负压下沉试验中，在下沉深度为7.5,cm之内只需自重即可下沉，此后才需要施加负压使桶体继续下沉．定义负压下沉试验中，施加的负压值s与允许负压值sallow比值的最大值为(s/sallow)max，(s/sallow)max小于1则表明所施加的负压值并未超过允许负压值，大于1则表明所施加的负压值超过允许负压值．在C-41-IS负压下沉试验中，施加的负压值较大，最大值分别为－84,kPa，超过允许负压值，其下沉深度也较小，土塞隆起高度较大，(s/sallow)max为3.25．在C-41-ISLP负压下沉试验中，所施加的负压值最大为-20,kPa，接近但未超出允许负压值，与C-41-IS试验相比，模型桶的下沉深度较大，桶内土塞高度也较低．(s/sallow)max为0.98．C-106-IS与C-106-ISLP负压下沉试验相比，C-106-IS施加的负压较大，在下沉深度为-8.3,cm和-11.8,cm之间时超过允许负压值；C-106-ISLP施加的负压值较小，未超过允许负压值．施加较大负压时，模型桶的下沉深度较小，土塞高度较高，施加较小的负压则产生相反的情况，如图8所示．需要指出，根据负压下沉后进行的桶形基础抗拔试验确定了桶壁摩阻力系数，固结压力为41,kPa时桶土摩阻力因数a＝0.42，固结压力为106,kPa时桶土摩阻力因数a＝0.15．此外，在所需负压值的计算中，由于桶壁厚度较小，Nc为黏土中条形基础的承载力系数，取Nc＝7.5．3.3 土塞的产生和发展分析当桶内土体在下沉过程中高度的变化，即土塞分析时，作出如下假定：①桶体下沉过程中，桶壁挤出的土体没有改变桶内土体初始重度；②假定土塞的产生是由于桶壁挤出的土体流入桶内所导致，即黏土体积Vs由于桶壁所占体积Vc的代替从而流入桶内，此时Vs＝mVc，m定义为土塞隆起参数．基于以上假定，可得土塞隆起高度的方程为桶形基础在负压下沉过程中，土塞隆起参数m不仅与土体的性质、桶体尺寸有关，更与所施加的负压大小密切相关．计算得到的负压下沉试验中土塞隆起参数m值见表3．对施加的负压值进行归一化处理，即由(s/sallow)max得到归一化负压与m的关系，如图9所示．由C-41-IS和C-41-ISLP、C-106-IS和C-106-ISLP两组对比试验可以看出：C-41-IS试验中归一化负压(s/sallow)max＝3.25，土塞隆起参数m＝161%,，表明土塞隆起高度超过置换作用所引起的高度，有额外61%,的土体从桶体外进入桶内；C-41-ISLP试验中(s/sallow)max＝0.98，土塞隆起参数m＝74%,．C2-106-IS试验中(s/sallow)max＝1.03，土塞隆起参数m＝133%,，土塞隆起高度超过置换作用所引起的高度，有额外33%,的土体从桶体外进入桶内；C-106-ISLP试验中(s/sallow)max＝0.54，土塞隆起参数m＝105%,．从以上分析可以看出，当所施加的负压值超过允许负压值时，过大的负压导致桶底土体发生反向地基承载力破坏，破坏的土体将在负压的作用下“吸入”桶内，导致较大的土体隆起．当所施加的负压值未超过允许负压值时，试验所得到的土塞隆起参数在74%,～105%,之间．桶形基础负压下沉时土体阻力的变化和土塞的形成发展是施工中影响桶体沉贯进行和最终下沉深度的两个关键性问题．结合桶形基础负压下沉模型试验，对桶体负压下沉时沉贯阻力和土塞的产生和发展特性进行研究．试验结果表明，在负压下沉过程中，施加的负压大于计算得出的所需负压时桶体才会下沉，其土塞隆起参数分别为74%,和105%,；当所施加的负压值超过允许负压值时，过大的负压导致桶底土体发生反向地基承载力破坏，破坏的土体将在负压的作用下“吸入”桶内导致较大的土体隆起．根据本文研究结果，在实际工程中应首先确定桶体下沉所需负压值和允许负压值的大小，使施加的负压值在这两者之间，保证桶体顺利下沉并避免土塞隆起过大．同时根据试验所得的土塞隆起参数，可预估桶体最终下沉深度，保证其承载力和稳定性的要求．此外，桶内土塞的发展应作为负压下沉时施工控制的关键技术指标，并且需要对其进行实时监控，避免过高的土塞带来施工上的困难和对桶体稳定性的影响．［1］闫澍旺，霍知亮，孙立强，等. 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