砂土中吸力基础抗拔承载力的影响因素分析

随着全球经济的发展，能源问题日益突出，为开发新的清洁能源，越来越多的国家将能源开发方向转向海洋。我国作为海上风能大国，而海上风能的开发相对落后，大力发展海洋风电工程是开发海洋资源的基础工作之一。

吸力基础是一种底部敞开、顶部密封的薄壁钢制圆桶结构，被广泛应用于海洋工程中。受到风、波浪等产生的水平荷载以及海上浮动式结构物产生的拉拔荷载的作用[1]，在使用过程中，吸力基础承受巨大的倾覆力矩，主要表现为“拉-拔”力[2]。因此，确定吸力基础抗拔承载力是基础设计中的一个关键问题。

粘性土中的吸力基础抗拔承载力已有较多研究成果[3-8]，但对应砂土中的吸力基础承载性能研究仍需加强。Lehane[9]通过离心机试验，对不同长径比的吸力基础分别注入水和硅油，分析基础拔出时桶壁内外侧阻力，来确定吸力基础拔出时所需最大吸力，并将试验结果与有限元分析对比，结果相吻合。鲁晓兵等[10]对饱和砂土中单桶吸力基础施加竖向拉拔荷载，认为随加载速率的增加，极限荷载增加。Zhang等[11]通过模型试验研究吸力基础在拉拔过程中加载速率、拔出方式等因素对抗拔承载力的影响，分析了竖向承载力和竖向位移的关系，但对基础内部孔隙水压力变化的分析不够充分。黎冰[12-13]和郑翔[14]等分析了荷载作用点、作用角度及长径比对基础抗拔承载力的影响，认为当荷载作用于基础高度的2/3至3/4之间时，基础的抗拔承载能力最强，并提出吸力式沉箱基础破坏位移的公式，但忽略了基础上拔过程中产生的吸力对承载性能的影响。文献[15]初步探讨了砂土中吸力式桶形基础竖向承载性状。

综上所述，对于吸力基础拔出时，基础内部负压对抗拔承载力的影响研究相对较少。为此，通过开展吸力基础竖向拉拔模型试验，探讨上拔速度和基础长径比对基础竖向抗拔承载力的影响，分析基础在上拔过程中桶内负压的变化规律，以便更好地研究吸力基础在饱和细海砂中的抗拔承载性能。

1 模型试验

1.1 试验用砂及仪器设备

试验所用土样为青岛黄海海域细海砂，细海砂的颗粒级配曲线及相关物理参数和试验所用仪器设备与文献[11]在拉拔模型试验中所用参数和设备一致。为确保试验结果的可靠性和可重复性，严格控制每次试验条件，使其具有一致性，并且每个试验工况至少重复3次。为此，每次试验，将模型箱内深度为1.5倍主桶长度范围内的砂土整体进行松动，注入10 cm高度的水，随后排水加速砂土固结以模拟砂土地基沉积过程，水位降至2 cm，重复上述两次注水排水固结过程。排水固结完毕后刮平砂土表面，架设加载装置及量测装置，继续静止放置12 h后开始试验。通过上述方法，试验砂土地基相对密实度可达97%，从而提高基础抗拔承载力。

1.2 吸力基础模型

采用两种不同长径比的不锈钢制桶形基础模型，如图1所示。模型I-S的长径比为1∶1(桶高120 mm，直径120 mm)，模型II-S的长径比为2∶1(桶高240 mm，直径120 mm)。循环加载系统见图2。

图1 吸力基础模型
Fig.1 Suction caisson models

2 试验过程

吸力基础首先在自重作用下(考虑配重)沉入砂土地基一定深度，使基础内部形成封闭环境。然后借助真空泵，通过水气转换桶，抽出吸力基础内的空气。此时吸力基础内部产生负压吸力，基础继续下沉，直至安装完成，静置24 h后开始上拔试验。

图2 模型试验装置
Fig.2 Model test set up

为比较上拔速度和基础长径比对吸力基础抗拔承载力的影响，对两种不同长径比的基础模型进行多组不同速度的拉拔试验。分别通过安装于伺服作动器前端的压力传感器和负压传感器测得匀速上拔过程中基础内部拉力和负压的大小。试验结束后，首先通过模型箱底部的注水阀向模型箱内注水，使模型箱内水位升高，并均匀松动模型箱内砂土，松动范围为砂土表面以下1.5倍基础高度。当模型箱内水位高于砂土表面10 cm时，停止注水。之后打开底部排水阀门，对模型箱内砂土地基进行排水固结，当模型箱内水位降至高于砂土表面2 cm时，停止排水，并将砂面刮平。

3 试验结果与分析

吸力基础上拔速度越大，桶内土体中的孔隙水压力越不容易消散，桶内负压越大，基础抗拔承载力越高。通过改变基础的上拔速度，得到基础上拔位移与桶内负压、上拔力与桶内负压以及上拔位移与抗拔承载力之间的关系曲线，分别如图3～5所示。

3.1 桶内负压的变化规律

图3为基础模型I-S和基础模型II-S分别以0.2、2、5和10 mm/s的速度匀速上拔时桶内负压和上拔位移之间的关系曲线。

图3 基础上拔位移与内部负压的变化关系
Fig.3 Uplift displacements versus negative pressure

由图3可以看出，桶内负压在拉拔的初始阶段就已经产生，并急剧增加到最大值。随着基础拔出位移的增加，负压逐渐减小，最终趋于稳定。当吸力基础拔出时，由于内部土塞中孔隙水压力消散较慢，土塞中的渗流速度小于基础的拔出速度，因而在桶内产生负压。拔出后，桶内土塞在自重、桶壁内摩阻力和桶内、外压力的共同作用下达到了平衡状态，桶内负压趋于稳定。对于相同长径比的基础模型，桶内负压的最大值随着基础上拔速度的增加而增大，这是由于基础上拔速度越大，土中孔隙水压力越不能及时消散，孔隙水压力的累积使得桶内负压增大。而基础以较低速率向上运动时，基础内部超孔隙水压力能及时消散，不会累积。以相同速度上拔时，长径比为2的基础模型产生的最大负压明显大于长径比为1的基础模型。

图4 基础所受拉力和桶内负压变化关系曲线
Fig.4 Pull strength versus negative pressure

图4为基础模型I-S和模型II-S以5 mm/s上拔时的拉力与桶内负压关系曲线，可以发现基础抗拔承载力与桶内负压关系密切。桶内负压越大，基础抗拔承载力越大。当桶内负压趋于平稳时，抗拔承载力基本不变。

3.2 上拔速度对抗拔承载力的影响

图5为基础模型I-S和基础模型II-S分别以0.2、2、5和10 mm/s匀速上拔时拉力和上拔高度的关系曲线。取上拔高度-拉力曲线上最大值作为基础抗拔承载力极值，其值和增长比例见表1。

由表1可知，模型I-S以0.2 mm/s匀速上拔时，抗拔承载力极值为32.04 N，以10 mm/s匀速上拔时，抗拔承载力极值为72.62 N，增长比例为127%；而模型II-S以0.2 mm/s匀速上拔时，抗拔承载力极值达到58.7 N，以10 mm/s匀速上拔时，抗拔承载力极值达到168 N，增长比例达到187%，明显高于模型I-S的增长比例。

图5 基础上拔高度与所受拉力关系曲线
Fig.5 Uplift height versus pull-out strength

表1 基础极限抗拔承载力及增长比例
Tab.1 Ultimate bearing capacity versus growth ration

3.3 长径比对抗拔承载力的影响

如图6所示，相同长径比的基础模型，随着基础上拔速度的增加，基础抗拔承载力明显增加；对于不同长径比的模型，以相同速度上拔时，长径比越大，抗拔承载力极值越大，当上拔速度为2 mm/s时，模型II-S增长比例达到最大，随着上拔速度继续增加，增长比例有所减小；当基础上拔速度增加时，长径比为2的基础模型的抗拔承载力极值增加幅度更大。

图7可以看出，吸力基础达到极限抗拔承载力时对应的竖向位移非定值，而是随加载速率以及基础长径比的增加呈增大趋势。对于长径比为1的吸力基础，极限状态下，基础上拔位移约在0.06～0.2倍基础直径范围内；对于长径比为2的吸力基础，极限状态下，基础上拔位移约为基础直径的0.18～0.26倍。

图6 基础上拔速度与抗拔极限承载力关系曲线
Fig.6 Uplift speed versus pull-out bearing capacity

图7 基础上拔速度与竖向位移关系曲线
Fig.7 Uplift speed versus uplift height

当吸力基础以低速度向上拔起时，基础内部土体处于部分排水状态，桶内部产生较小孔隙水压力，此时基础的抗拔力主要由基础自重和基础内外壁与砂土的摩擦力以及负压吸力提供。当基础以较大速度上拔时，基础内部的土体处于完全不排水状态，会急剧产生较大负孔隙水压力，负压使得基础内部形成土塞，并与基础一起拔出，此时基础抗拔承载力主要由基础自重、基础内外壁与砂土摩擦力、土塞重力以及反向端承载力提供。当以相同速度上拔时，相比于长径比为1的基础，长径比为2的基础桶体长度大，排水路径长、排水较慢，容易产生较大负孔隙水压力且不容易消散。上拔过程中，基础内部容易形成较大的负压，因而基础抗拔承载力较大。

4 结论

通过对饱和细海砂中吸力基础进行抗拔试验，分析了基础在上拔过程中孔隙水压力变化和抗拔承载力变化规律，研究表明：

1) 基础内部负孔隙水压力在拉拔初始阶段就开始产生，并急剧增长到最大值，随着拔出位移的增加，桶内负压逐渐减小并趋于稳定。

2) 吸力基础长径比是影响基础抗拔承载力的重要因素。相同速度上拔时，相比于长径比为1的基础，长径比为2的吸力基础产生的负压大，基础抗拔承载力大，土塞拔出高度高。

3) 对于长径比不同的两种基础模型，当上拔速度由0.2增加到10 mm/s时，基础抗拔承载力会显著增加，长径比为2的吸力基础，抗拔承载力增加幅度更大。

4) 吸力基础达到极限抗拔承载力时对应的竖向位移非定值，而是随加载速率以及基础长径比的增加而增大。