國 振,王立忠,袁 峰

(浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310058)

粘土中吸力錨沉貫阻力與土塞形成試驗(yàn)研究

國 振,王立忠,袁 峰

(浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310058)

針對(duì)粘土中吸力錨沉貫的兩個(gè)關(guān)鍵性問題——沉貫阻力和土塞形成過程,在自行研制的試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行一系列吸力錨沉貫室內(nèi)模型試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,負(fù)壓抽吸對(duì)筒壁內(nèi)部土體的影響較大,而對(duì)外側(cè)土體的影響很小;由壓力沉貫向吸力沉貫轉(zhuǎn)換后,土體阻力會(huì)先降低,再隨著沉貫的進(jìn)行逐漸增大,并超過采用壓貫方式的土體阻力;前期壓貫深度的變化帶來了不同的內(nèi)部泥面下陷,這對(duì)吸力沉貫開始階段的土塞發(fā)展影響不大,當(dāng)土塞加速隆起后,壓貫越深的情況土塞發(fā)展越迅速;在粘土中進(jìn)行吸力沉貫時(shí),API規(guī)范對(duì)最大容許吸力估算較為準(zhǔn)確,但是需提供比API規(guī)范更大的沉貫吸力才能保持沉貫的進(jìn)行,而且沉貫過程中土塞的高度大于由于筒裙下插置換土體所帶來的高度。

粘土;吸力錨;沉貫阻力;土塞;內(nèi)部吸力

Abstract:To investigate the insertion resistance and soil heave during caisson installation in soft clay,a seriesofmodel testsare carried outon the novel self-made testplatform.Based on these test results,some useful conclusions are drawn:the inner suction pressuremainly affects the soilmass inside the caisson,and it has little influenceon theoutside soil;while transferred from deadweight insertion to suction insertion,the suction caisson will encounter a lower soil resistance,but the resistance will increase quickly with further insertion and exceed the resistance during dead weight insertion;different insertion depths by dead weight can affect the developmentof soil heave;different insertion depthswill result in different sinking depthsof inner soil surface,which has little influenceon the developmentof soil heave at the beginning stateof suction insertion,but after the soil heave is accelerated,the development of soil heave ismore rapid in the case with deeper former insertion depth;while the caisson is inserted by suction pressure,the actual allowable suction is close to the suction calculated by APImethod,but larger suction is required for the caisson insertion than the suction by APImethod,and the height of soil heave is larger than the heave height caused by the soil displaced by the cross sectional area of the anchor.

Key words:soft clay;suction caisson;insertion resistance;soil heave;inner suction pressure

吸力錨基礎(chǔ)是一種大型圓柱薄壁結(jié)構(gòu),其底部開口,上端封閉,并在頂部設(shè)有排氣抽水口。吸力錨在原位安裝時(shí),首先在其自重和壓載作用下下沉至海床一定深度,以形成足夠的密封環(huán)境;然后,連接潛水泵通過排氣抽水口進(jìn)行抽水,使其在不斷增加的錨筒內(nèi)外壓差的作用下緩慢貫入到設(shè)計(jì)深度。在整個(gè)安裝過程中,需始終保持足夠大的沉貫力,以克服吸力錨貫入所受到的海床阻力。在沉貫開始階段,沉貫力由吸力錨自重和壓載組成,為壓力沉貫階段;隨后通過潛水泵抽水貫入時(shí),還需額外加上由于錨筒內(nèi)外壓差所產(chǎn)生的下貫力,此為吸力沉貫階段。其中,吸力沉貫階段歷來就是研究所關(guān)注的重點(diǎn),也正是吸力錨區(qū)別于其他錨泊基礎(chǔ)型式的主要特點(diǎn)之一。

在進(jìn)行吸力沉貫時(shí),除了吸力錨筒裙的不斷下插擾動(dòng)海床外,施加的吸力也會(huì)影響海床貫入阻力的大小。在砂性土海床中,內(nèi)部吸力產(chǎn)生的滲流將顯著降低砂土的有效應(yīng)力和抗剪強(qiáng)度,從而大大減小貫入阻力[1-4]。對(duì)于粘土海床,API規(guī)范[5]和DNV規(guī)范[6]都給出了實(shí)現(xiàn)吸力錨沉貫所需求的最小吸力值的計(jì)算公式,公式將內(nèi)部吸力等效為作用在吸力錨頂蓋上的豎向均布靜壓力,未考慮吸力對(duì)海床貫入阻力的影響。Houlsby[7]認(rèn)為施加吸力將減小沉貫時(shí)筒裙底邊的端阻力,并給出了沉貫吸力的計(jì)算公式。EI-Sherbiny[8]認(rèn)為吸力會(huì)減小內(nèi)部土體與錨筒內(nèi)壁的摩擦力,而對(duì)外壁土體幾乎沒有影響,總的貫入阻力與采用壓貫方式的阻力差別不大。然而,Cao[9]和Rauch[10]試驗(yàn)研究都表明,吸力錨在粘土中進(jìn)行吸力沉貫時(shí),貫入阻力將明顯大于采用壓貫方式所需克服的阻力。海床貫入阻力的大小決定了實(shí)現(xiàn)吸力錨沉貫所需施加的吸力,而施加的吸力也在一定程度上影響了貫入阻力的大小。

此外,若沉貫時(shí)施加的吸力過大,將導(dǎo)致錨筒內(nèi)部泥面過度隆起,進(jìn)而與錨頂蓋內(nèi)表面提前接觸,導(dǎo)致吸力錨無法貫入到設(shè)計(jì)深度,即出現(xiàn)所謂的“土塞現(xiàn)象”?！巴寥F(xiàn)象”早在1980年在 Gorm Field(North Sea)[11-12]進(jìn)行吸力錨現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn),并且在很長(zhǎng)一段時(shí)間限制了吸力錨的發(fā)展。因此,基于內(nèi)部土體的穩(wěn)定分析,API規(guī)范[5]、DNV規(guī)范[6]和Houlsby[7]分別給出了吸力沉貫時(shí)最大容許內(nèi)部吸力值的計(jì)算公式。API規(guī)范和DNV規(guī)范都認(rèn)為在進(jìn)行吸力沉貫時(shí),若內(nèi)部吸力小于容許吸力值,則筒壁下插所置換的土體全部進(jìn)入其內(nèi)部,產(chǎn)生的土塞體積與置換土體的體積相等。然而,Andersen[13]在離心機(jī)模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)筒壁下插深度超過最終沉貫深度一半時(shí),土塞隆起的高度就已經(jīng)超過了由于置換土體進(jìn)入所產(chǎn)生的高度。

吸力錨沉貫時(shí)海床阻力的變化和土塞的形成是影響吸力錨沉貫進(jìn)行和最終沉貫深度的兩個(gè)關(guān)鍵性問題。目前,國內(nèi)關(guān)于吸力錨的試驗(yàn)研究大都集中在粉質(zhì)粘土和砂性土海床[2-3,14-16],所采用的吸力錨模型的長(zhǎng)徑比都比較小(不大于2)。由于吸力沉貫時(shí)可利用的最大內(nèi)外壓差為工作水深的靜力壓力與大氣壓力之和,因此深水環(huán)境中往往采用較長(zhǎng)的吸力錨,以滿足更高的系泊力要求。我國海洋資源開發(fā)的重心正在逐漸向南海深水區(qū)轉(zhuǎn)移,迫切需要針對(duì)粘土海床中較大長(zhǎng)徑比的吸力錨的沉貫過程展開深入的分析和研究。

1 試驗(yàn)儀器

1.1 吸力錨模型

圖1 吸力錨模型Fig.1 The caissonmodel

如圖1所示,試驗(yàn)所用吸力錨模型由無縫鋼管加工而成,其自重為3.2 kg,主要由兩部分組成:1)筒裙長(zhǎng)度40.0 cm,外徑8.8 cm,內(nèi)徑8.4 cm,在側(cè)面布置有可連接纜索的眼板;2)頂蓋厚度為2.5 cm,嵌入筒裙內(nèi)2.0 cm,頂蓋上有抽氣排水口和多個(gè)預(yù)留孔,中心螺孔可連接豎向加載桿。

試驗(yàn)前,將4個(gè)微孔透水薄片粘貼在模型錨筒裙內(nèi)外壁的不同位置(圖1中I1,I2,O1和O2,分別距離筒裙底邊2.0 cm和24.0 cm)。通過直徑3.0 mm的PVC細(xì)管將微孔片與孔隙水壓力傳感器相連,可用于記錄試驗(yàn)過程中孔隙水壓力的變化。由多個(gè)微孔片、PVC細(xì)管和孔隙水壓力傳感器共同組成了孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng),在每次試驗(yàn)前都需對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行排氣飽和,以消除內(nèi)部殘留氣體的影響。另外,在頂蓋某一預(yù)留孔(圖1中U位置)布置PVC細(xì)管與孔隙水壓力傳感器相連,記錄吸力沉貫過程中的內(nèi)部吸力變化。

1.2 試驗(yàn)槽與土體

試驗(yàn)槽如圖2所示,其尺寸為3.0 m×1.2 m×1.5 m(長(zhǎng)×寬×高)。槽內(nèi)布置砂礫層排水系統(tǒng),試驗(yàn)土體采用泥漿沉降法,粘土攪拌成漿后在其自重作用下沉降5個(gè)月,最終粘土層厚度約80 cm。

如圖3所示,試驗(yàn)槽內(nèi)DW,SP-1,SP-2和SP-3位置為模型錨沉貫試驗(yàn)點(diǎn),其中DW為全程壓力沉貫試驗(yàn),SP-1,SP-2和SP-3為壓力輔助吸力沉貫試驗(yàn)。圖中其他位置進(jìn)行槽內(nèi)取土,十字板剪切和T-bar觸探試驗(yàn)。試驗(yàn)土體的液限在43%和49%之間,塑限在24%和28%之間,土體的含水量和飽和重度如圖4(a)和(b)所示。

圖2 試驗(yàn)槽布置示意Fig.2 Layoutof the test tank

圖3 槽內(nèi)試驗(yàn)點(diǎn)分布Fig.3 Locationsof all testswithin the test bed

分別使用微型十字板剪切和T-bar觸探的方法測(cè)定試驗(yàn)槽內(nèi)三個(gè)位置(見圖3)的土體不排水抗剪強(qiáng)度。其中,T-bar觸探試驗(yàn)是近年來國際上常在原位軟土海床和室內(nèi)模型試驗(yàn)中采用的一種探測(cè)手段。本試驗(yàn)使用的T-bar探頭半徑4.0 cm,長(zhǎng)25.0 cm,承載力系數(shù)NTbar取10.5(Stewart和Randolph[17])。不同試驗(yàn)方法得到土體不排水抗剪強(qiáng)度見圖5(a)?？紤]到試驗(yàn)槽內(nèi)的土體深度有限,給T-bar觸探測(cè)試土體靈敏度帶來了一定困難,本試驗(yàn)只采用微型十字板剪切試驗(yàn)來確定,如圖5(b)。

圖4 土體的含水量及飽和重度隨深度的變化Fig.4 Profiles of water content and saturated unit weight in the consolidated test bed soil

圖5 土體不排水抗剪強(qiáng)度及靈敏度隨深度的變化Fig.5 Profiles of undrained shear strength and sensitivity in the consolidated test bed soil

1.3 模型錨沉貫設(shè)備

1.3.1 壓力沉貫設(shè)備

如圖6所示,模型錨通過豎向桿與固定在試驗(yàn)槽上的油壓控制加載設(shè)備相連,并設(shè)置荷載傳感器和位移傳感器量測(cè)壓貫阻力和位移。對(duì)模型錨施加壓力沉貫時(shí),將錨頂蓋的排氣抽水口和預(yù)留孔全部打開,使其在自重與豎向加載作用下勻速貫入槽內(nèi)土體中。

1.3.2 吸力沉貫設(shè)備

在實(shí)施吸力沉貫前,需先將模型錨壓貫至泥面以下一定深度,以保證負(fù)壓抽吸時(shí)可以保持內(nèi)部的密封環(huán)境,壓貫結(jié)束后將豎向桿與模型錨分離,移開壓力沉貫設(shè)備。如圖7所示,利用導(dǎo)向桿防止模型錨吸力沉貫時(shí)產(chǎn)生傾斜,并使用位移傳感器記錄沉貫位移;通過抽水管連接排氣抽水口和儲(chǔ)水桶,中間布置過濾網(wǎng)以防止大量粘土顆粒被抽吸至管道中;試驗(yàn)槽左側(cè)為由閘閥,儲(chǔ)水桶,真空表,荷載傳感器和真空泵共同組成的負(fù)壓抽吸系統(tǒng)。本試驗(yàn)通過真空泵對(duì)儲(chǔ)水桶抽真空的方式來間接抽水,通過調(diào)節(jié)閘閥的開度來控制抽水速度,并利用荷載傳感器記錄儲(chǔ)水桶中水重的變化。

圖6 壓力沉貫設(shè)備Fig.6 Deadweight insertion apparatus

圖7 吸力沉貫設(shè)備Fig.7 Suction insertion apparatus

2 沉貫試驗(yàn)及分析

2.1 試驗(yàn)流程

模型錨沉貫試驗(yàn)的流程與吸力錨原位安裝流程基本一致,主要包括壓力沉貫和吸力沉貫兩個(gè)階段。具體操作步驟:

1)首先在模型錨不同位置粘貼微孔透水薄片(如圖1所示),連接孔壓量測(cè)系統(tǒng)并進(jìn)行排氣飽和;

2)打開排氣抽水口和未使用的預(yù)留孔,連接模型錨與豎向加載設(shè)備,檢查各類傳感器;

3)調(diào)控豎向加載設(shè)備,使模型錨快速下沉至筒裙底邊接觸到泥面時(shí)停止;

4)所有傳感器讀數(shù)清零,將此時(shí)標(biāo)記為采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)點(diǎn);

5)調(diào)控豎向加載設(shè)備,使模型錨以約0.5mm/s的速度貫入到泥面以下某一設(shè)定深度后停止;

6)將排氣抽水口與負(fù)壓抽吸系統(tǒng)相連,通過真空泵加壓向錨筒內(nèi)緩慢注水,當(dāng)觀察到水從預(yù)留孔溢出時(shí),馬上關(guān)閉閘閥并封閉預(yù)留孔;

7)移開壓力沉貫設(shè)備,布置豎直導(dǎo)向桿和位移傳感器;

8)打開真空泵開始抽真空,同時(shí)觀察儲(chǔ)水桶真空表讀數(shù),當(dāng)桶內(nèi)負(fù)壓產(chǎn)生時(shí),小心調(diào)節(jié)閘閥開度,使模型錨盡量保持平穩(wěn)勻速沉貫;

9)當(dāng)錨頂蓋內(nèi)表面接觸到泥面時(shí),排氣抽水口附近抽水管內(nèi)會(huì)出現(xiàn)混濁泥漿,此時(shí)立即關(guān)閉閘閥,至此吸力沉貫結(jié)束。由于過濾網(wǎng)的存在,抽吸到泥漿后往往會(huì)出現(xiàn)淤塞,這將避免過度抽吸破壞錨筒內(nèi)部土體,甚至將部分泥漿抽吸至儲(chǔ)水桶中;

10)斷開排氣抽水口與抽水管,清理試驗(yàn)儀器。

需要注意,為了操作和觀察的方便,試驗(yàn)過程中槽內(nèi)水面僅保持在泥面以上約10 cm。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

壓力沉貫過程中采集的數(shù)據(jù)包括土體貫入阻力R(t)、沉貫位移D1(t)和孔隙水壓力P1(t);吸力沉貫過程中采集的數(shù)據(jù)包括累計(jì)抽水重量W(t)、沉貫位移D2(t)、沉貫吸力S(t)和孔隙水壓力P2(t)。其中,需對(duì)量測(cè)的沉貫吸力,孔壓和累計(jì)抽水重量做一定的修正和處理。

2.2.1 吸力和孔壓

如前文2.1步驟4)所述,當(dāng)筒裙底邊接觸到泥面時(shí),所有傳感器讀數(shù)清零。然而,在隨后進(jìn)行的模型錨沉貫過程中,在U、I2和O2沒入水面以前,其各自高度的降低將帶來所測(cè)的吸力和孔壓值的變化。本試驗(yàn)所關(guān)注的是由筒裙下插擾動(dòng)土體和負(fù)壓抽吸所造成的吸力和孔壓值的變化,因此需將采集的吸力和孔壓數(shù)據(jù)減去由于高度降低所引起的變化量。

2.2.2 累計(jì)抽水重量

如圖7所示,負(fù)壓抽吸時(shí)通過荷載傳感器稱重儲(chǔ)水桶,可直接測(cè)得累計(jì)抽水重量W(t)的變化。在試驗(yàn)中從開始負(fù)壓抽吸一直到抽水管中出現(xiàn)混濁泥漿,抽取的水都較為清澈,故可估算累計(jì)抽水體積V(t)=W(t)/ρw,其中ρw為純水的密度。另外,由于吸力沉貫的時(shí)間歷程較短,因此可忽略粘土中水的滲流,認(rèn)為最終的累計(jì)抽水體積與壓貫結(jié)束時(shí)模型錨內(nèi)部泥面以上的體積相等。

實(shí)施負(fù)壓抽吸將同時(shí)帶來模型錨向下沉貫和內(nèi)部泥面向上隆起兩種效應(yīng)。假定模型錨內(nèi)部泥面受力均勻且始終為一平面,故如圖8所示,抽水等效位移E(t)=V(t)/Ain=h(t)+D2(t),其中Ain為錨筒內(nèi)截面面積,h(t)為泥面隆起位移。因此,吸力沉貫過程中內(nèi)部泥面位移h(t)=W(t)/ρwAin-D2(t)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

在試驗(yàn)槽內(nèi)如圖3所示位置進(jìn)行了四組不同方式的模型錨沉貫試驗(yàn),具體試驗(yàn)參數(shù)見表1,其中設(shè)定槽內(nèi)平均泥面線為基準(zhǔn)線,錨筒內(nèi)部泥面在基準(zhǔn)線以上為正,基準(zhǔn)線以下為負(fù)。

表1 模型錨沉貫試驗(yàn)Tab.1 Caisson insertion tests

根據(jù)前文2.2的數(shù)據(jù)處理方法,首先對(duì)SP-2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,分析了模型錨整個(gè)沉貫試驗(yàn)中的現(xiàn)象及其原因;然后通過分析試驗(yàn)DW、SP-1、SP-2和SP-3的數(shù)據(jù),研究當(dāng)前期壓貫深度變化時(shí),模型錨沉貫阻力,內(nèi)部吸力發(fā)展和土塞隆起的情況。

3.1 SP-2試驗(yàn)結(jié)果

如圖9所示,模型錨由筒裙底邊觸地開始以0.5 mm/s的速度勻速下貫,至泥面以下140 mm時(shí)停止;然后由壓力沉貫方式向吸力沉貫方式轉(zhuǎn)換,在轉(zhuǎn)換過程中觀察到模型錨有輕微的下沉;在吸力沉貫階段,不斷調(diào)節(jié)閘閥開度,盡量保持模型錨平穩(wěn)勻速沉貫,至泥面以下298 mm時(shí)發(fā)現(xiàn)抽水管出現(xiàn)泥漿,立刻關(guān)閉閘閥,整個(gè)沉貫過程結(jié)束,最終土塞隆起的高度約為82mm。沉貫結(jié)束后,模型錨將繼續(xù)下沉一小段距離后停止。

在壓力沉貫階段,沉貫力由錨自重和豎向加載設(shè)備的下貫力組成;在吸力沉貫階段,沉貫力由錨自重和內(nèi)部吸力組成。在整個(gè)沉貫過程中,模型錨基本保持勻速平穩(wěn)下沉,故可認(rèn)為沉貫力始終與土體貫入阻力平衡,從而得到了土體貫入阻力隨著沉貫進(jìn)行的變化曲線,如圖10所示?？梢?隨著壓貫深度的增加,土體阻力不斷變大,在壓力沉貫轉(zhuǎn)換吸力沉貫時(shí),模型錨經(jīng)歷了卸載再加載的過程,在吸力沉貫開始階段土體阻力明顯變小,然后隨著沉貫的繼續(xù)進(jìn)行迅速增加。另外注意到,當(dāng)模型錨沉貫到泥面以下約260mm時(shí),土體阻力出現(xiàn)了一個(gè)突降點(diǎn),結(jié)合圖9發(fā)現(xiàn)在此深度位置,模型錨存在著沉貫速度先大幅降低再恢復(fù)下沉的過程。

圖8 累計(jì)抽水重量分析Fig.8 Analysisof cumulativewaterweight during pumping

圖9 模型錨沉貫全過程Fig.9 Thewhole insertion processof prototype caisson

吸力沉貫階段為研究所關(guān)注的重點(diǎn),圖11給出了負(fù)壓抽吸時(shí)模型錨上四個(gè)位置I1、I2、O1和O2(見圖1)的孔壓變化,以及U點(diǎn)內(nèi)部吸力的發(fā)展情況。在開始負(fù)壓抽吸之前,I2和O1都已沒入泥面以下,筒裙下插引起的土體擾動(dòng)使得所測(cè)孔壓均略大于零,而此時(shí)I2、O2和U仍然在泥面以上,其讀數(shù)均為零;隨著抽吸的進(jìn)行,錨筒內(nèi)壁I1和I2點(diǎn)的孔壓迅速減小,外壁靠近筒裙底邊的O1點(diǎn)孔壓有小幅降低,而O2點(diǎn)孔壓有微小增加?？梢?負(fù)壓抽吸對(duì)錨筒內(nèi)壁附近土體影響較大,而筒壁外側(cè)土體受到的影響則很小。

圖10 不同沉貫階段的土體貫入阻力Fig.10 Soil resistance during different insertion states

圖11 吸力沉貫過程中孔壓變化Fig.11 Pore pressures during suction insertion

圖12為吸力沉貫階段的抽水等效位移E(t)和吸力沉貫位移D2(t)隨時(shí)間變化的曲線。其中抽水等效位移曲線E(t)表現(xiàn)出了一定的波動(dòng)性,這主要是由于錨筒內(nèi)部水在被抽吸進(jìn)儲(chǔ)水桶時(shí),將不可避免地對(duì)桶底產(chǎn)生一定的沖擊和振蕩,從而帶來量測(cè)水重的變化,但是不會(huì)帶來過大的試驗(yàn)累計(jì)誤差。

如圖12所示,在負(fù)壓抽吸開始階段,E(t)與D2(t)兩條曲線幾乎重合,這意味著內(nèi)部泥面沒有發(fā)生任何隆起,然而隨著抽吸的進(jìn)行,二者的分叉越來越明顯。如前文2.2所述,二者差值為泥面隆起高度,最終土塞高度約為105mm,明顯大于量測(cè)的土塞高度82mm。這是因?yàn)樵谖Τ霖為_始時(shí),內(nèi)部泥面的初始高度并不為零,而是存在著明顯的下陷,這是在前期壓貫時(shí)錨筒內(nèi)壁對(duì)土體向下的摩擦力所造成的。假定內(nèi)部泥面產(chǎn)生均勻下陷,則吸力沉貫開始前泥面下陷深度等于最終的抽水等效位移減去不考慮泥面下陷的錨筒內(nèi)部高度。因此,對(duì)于SP-2試驗(yàn)而言,壓力沉貫深度為140 mm,若不考慮泥面下陷的話,錨筒內(nèi)部高度為240 mm,而根據(jù)圖12可確定最終抽水等效位移約為265 mm,從而得到內(nèi)壁摩擦力作用造成的內(nèi)部泥面下陷深度約為25 mm,則最終土塞高度約為105-25=80 mm,這與試驗(yàn)量測(cè)結(jié)果82 mm較為接近,這也證明了試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的可靠性。

在吸力沉貫開始前,內(nèi)部泥面下陷了約25 mm,因此泥面高度為h(t)=E(t)-D2(t)-25。同時(shí)根據(jù)圖9中吸力沉貫深度隨時(shí)間的變化曲線,可以得到內(nèi)部泥面高度隨著吸力沉貫深度增加的發(fā)展曲線,如圖13所示。圖中虛線為API規(guī)范[5]和DNV規(guī)范[6]中假定土體不產(chǎn)生體積變形,且筒裙下插所置換的土體全部進(jìn)入模型錨內(nèi)部所引起的泥面隆起高度。盡管存在由于水流沖擊振蕩引起的波動(dòng),仍然可以發(fā)現(xiàn),在吸力沉貫開始階段,內(nèi)部泥面發(fā)展較為緩慢,隆起高度小于置換土體進(jìn)入內(nèi)部所帶來的高度;當(dāng)沉貫深度在臨近220mm時(shí),泥面隆起超過了置換作用引起的高度;當(dāng)沉貫深度超過230 mm后,出現(xiàn)了比較明顯的拐點(diǎn),此后內(nèi)部泥面開始加速隆起。另外,結(jié)合圖10,11和13可以發(fā)現(xiàn),在泥面以下約260 mm出現(xiàn)內(nèi)部吸力突降,除了前文所述下沉速度大幅降低再恢復(fù)的影響外,此時(shí)也正是土體大量進(jìn)入錨筒內(nèi)部,內(nèi)部泥面加速隆起的階段,也在一定程度上也減緩了內(nèi)部吸力的發(fā)展。

圖12 抽水等效位移和吸力沉貫位移Fig.12 Equivalent displacement induced by pumping and suction insertion displacement

圖13 內(nèi)部泥面隆起隨沉貫深度的發(fā)展Fig.13 Developmentof inner soil heave during insertion

3.2 其他不同沉貫方式的試驗(yàn)結(jié)果

圖14為采用不同沉貫方式的四組試驗(yàn)DW、SP-1、SP-2和SP-3的模型錨沉貫全過程。其中,DW為全程壓力沉貫試驗(yàn),最終下貫至錨頂蓋上表面與泥面齊平,此時(shí)發(fā)現(xiàn)錨筒內(nèi)部的泥面下陷現(xiàn)象約55 mm;而SP-1、SP-2和SP-2為不同壓貫深度的模型錨吸力沉貫試驗(yàn)(見表1)。所有試驗(yàn)的壓貫過程均保持約0.5 mm/s的下貫速度,吸力沉貫時(shí)間SP-1為376 s,SP-2為358 s,SP-3為486 s。

3.2.1 土體貫入阻力的比較

如圖15所示,在四組試驗(yàn)的壓力沉貫階段,土體貫入阻力隨深度的變化曲線差別不大。在SP-1,SP-2和SP-3試驗(yàn)中由壓力沉貫向吸力沉貫轉(zhuǎn)換后,都存在一個(gè)明顯的土體阻力減小段,此時(shí)土體阻力均小于壓貫試驗(yàn)DW中相同深度處的土體阻力;隨著沉貫深度的增加,土體阻力逐漸逼近并超過壓貫試驗(yàn)DW中相同深度處的土體阻力?？梢?在吸力錨在粘土中吸力沉貫時(shí),存在一個(gè)土體阻力先減小后增加的趨勢(shì),最終的土體阻力將超過采用壓力沉貫時(shí)的土體阻力,同樣的現(xiàn)象出現(xiàn)在Rauch[10]的沉貫?zāi)Ｐ驮囼?yàn)中。

圖14 不同方式的模型錨沉貫過程Fig.14 Caisson insertion processes by differentmethods

圖15 不同沉貫方式的土體阻力Fig.15 Soil resistance profiles for different insertionmethods

3.2.2 土塞發(fā)展的比較

圖16為在不同壓貫深度時(shí),內(nèi)部泥面隆起隨著沉貫深度的發(fā)展趨勢(shì),圖中虛線為筒裙下插置換作用所帶來的泥面隆起。由圖中可見,試驗(yàn)SP-1壓貫深度較小,內(nèi)部泥面僅有輕微下陷,當(dāng)負(fù)壓抽吸剛開始時(shí),土塞隆起趨勢(shì)與置換作用曲線較為一致,但隨著沉貫深度的增加,逐漸超過了置換作用所帶來的隆起高度,并在吸力沉貫至泥面以下約150mm時(shí)土塞開始加速隆起;SP-2和SP-3試驗(yàn)前期內(nèi)部泥面下陷較大,在吸力沉貫開始階段,泥面隆起速度均較慢,沉貫至泥面以下大約220 mm和250 mm時(shí),土塞隆起高度超過置換作用所引起的高度,泥面以下約230 mm和275 mm深度處出現(xiàn)內(nèi)部土塞加速發(fā)展的拐點(diǎn)。在三組不同前期壓貫深度的試驗(yàn)中,最終的土塞高度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了由置換作用所帶來的土塞隆起高度,其中SP-1的土塞高度最大,其次為SP-2、SP-3的土塞高度最小。在土塞開始加速隆起的拐點(diǎn)之前,SP-1、SP-2和SP-3試驗(yàn)中的土塞隆起趨勢(shì)差異并不明顯,主要區(qū)別在于土塞加速隆起之后的發(fā)展過程,SP-3的土塞隆起速度最快,SP-2其次,SP-3最慢。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果與API規(guī)范的比較

由于內(nèi)部土塞的形成與吸力的施加密切相關(guān),圖17給出了在吸力沉貫階段錨筒內(nèi)部的吸力變化曲線。因?yàn)楸驹囼?yàn)采用的模型錨筒壁較光滑,需考慮粘土與筒壁的界面摩擦的影響[6,18],因此對(duì)API規(guī)范[5]的公式做了一定修正,圖17中虛線為計(jì)算得到的沉貫需求吸力和容許吸力值,其中土體參數(shù)見圖4和圖5,計(jì)算公式及參數(shù)選取見表2。DNV規(guī)范與API規(guī)范中關(guān)于沉貫吸力的計(jì)算方法幾乎一致,而Houlsby[7]給出的公式中參數(shù)較多且難以確定,不予考慮。

結(jié)合圖16和圖17中SP-1、SP-2和SP-3的試驗(yàn)數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)施加的吸力達(dá)到規(guī)范需求吸力時(shí),模型錨開始產(chǎn)生下沉,可見API規(guī)范對(duì)吸力沉貫啟動(dòng)時(shí)的需求吸力估算較為準(zhǔn)確,此時(shí)內(nèi)部吸力較小,與規(guī)范中將吸力等效為豎向靜壓力的假定基本相符;隨著沉貫的進(jìn)行,內(nèi)部吸力對(duì)海床阻力的影響逐漸增加,實(shí)際沉貫的吸力明顯大于規(guī)范需求吸力,而且在達(dá)到規(guī)范容許吸力之前,內(nèi)部土塞的高度就超過了由于置換作用所帶來的高度,這與Andersen[13]的試驗(yàn)研究結(jié)果相吻合;沉貫繼續(xù)進(jìn)行,SP-1、SP-2和SP-3試驗(yàn)中的內(nèi)部吸力分別在泥面以下大約160mm、225mm和275mm深度處達(dá)到了規(guī)范容許吸力,與圖16曲線相比較,發(fā)現(xiàn)差不多在相同深度,內(nèi)部泥面開始產(chǎn)生加速隆起,認(rèn)為此時(shí)內(nèi)部土體發(fā)生反向承載力破壞。在土塞加速隆起的過程中,模型錨仍保持繼續(xù)下沉,一直到錨頂內(nèi)表面與泥面接觸為止。

表2 沉貫需求吸力和容許吸力Tab.2 Required suction and allowable suction

圖16 不同沉貫方式的內(nèi)部泥面隆起Fig.16 Inner soil heave for different insertionmethods

圖17 不同沉貫方式的內(nèi)部吸力變化Fig.17 Variation of inner suction for different insertionmethods

可見,在進(jìn)行粘土中吸力錨沉貫時(shí),API規(guī)范對(duì)內(nèi)部土體發(fā)生反向承載力破壞時(shí)的容許吸力估算較準(zhǔn)確,但是往往需要提供比采用API規(guī)范得到的更大的沉貫吸力,且整個(gè)吸力沉貫過程中土塞的隆起高度明顯大于規(guī)范計(jì)算的結(jié)果。內(nèi)部土塞的發(fā)展應(yīng)作為吸力沉貫時(shí)施工控制的關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo),對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,以避免過高的土塞帶來施工上的不便和經(jīng)濟(jì)上的損失。

4 結(jié) 語

1)利用自行研制的室內(nèi)模型試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了吸力錨在粘土中的沉貫試驗(yàn),采集并分析土體貫入阻力,沉貫位移,孔壓變化,內(nèi)部負(fù)壓和土塞隆起等試驗(yàn)數(shù)據(jù),試驗(yàn)結(jié)果為粘土中的吸力錨的沉貫安裝提供了有借鑒性的指導(dǎo);

2)在吸力沉貫過程中,負(fù)壓抽吸作用對(duì)模型錨內(nèi)部土體的影響很大,而對(duì)筒壁外部土體的影響很小;

3)在壓力沉貫向吸力沉貫轉(zhuǎn)換后,土體阻力會(huì)先變小,隨著沉貫的進(jìn)行再逐漸增大,并最終超過采用壓力沉貫方式時(shí)的土體阻力;

4)進(jìn)行室內(nèi)小尺度模型錨沉貫試驗(yàn)時(shí),不同的壓貫深度帶來了不同的初始泥面下陷;在隨后的吸力沉貫過程中,開始階段不同壓貫深度的土塞發(fā)展趨勢(shì)差別不大,當(dāng)土塞加速隆起后,壓貫越深的情況,土塞發(fā)展越迅速;

5)API規(guī)范對(duì)最大容許吸力的估算較為準(zhǔn)確,但是實(shí)際沉貫時(shí)往往需要提供比API規(guī)范更大的內(nèi)部吸力,且沉貫時(shí)土塞的高度明顯大于規(guī)范計(jì)算結(jié)果。

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An experimental investigation of insertion resistance and soil heave during caisson installation in soft clay

GUO Zhen,WANGLi-zhong,YUAN Feng
(College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)

P75

A

1005-9865(2011)01-0009-09

2010-07-26

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50779061)

國 振(1982-),男,山東淄博人,博士生,主要從事巖土工程與海洋基礎(chǔ)研究。E-mail:nehzoug@163.com