摘要：对饱和细海砂中传统吸力基础与裙式吸力基础开展了竖向单调加载试验和有限元模拟的对比研究，获得了基础周围砂土的变形规律及基础破坏形式，讨论了“裙”结构对基础周围土体变形的影响。研究发现：极限状态下，传统吸力基础周围土体变形范围小于裙式吸力基础周围土体变形范围，减少幅度为31%～55%，说明裙式吸力基础调动了较大范围土体发挥作用以提高其水平承载力。裙宽会引起土体的变形增大，而裙高可以对周围土体进行约束；裙宽相同时，土体变形范围随裙高的增大逐渐减小。在竖向压力荷载作用下，传统吸力基础与裙式吸力基础在砂土中的破坏形式符合Prandtl整体剪切破坏。
关 键 词：裙式吸力基础； 竖向单调加载； 饱和砂土； 土体变形
全球能源枯竭、环境污染及温室效应等问题日益突出，开发和利用新型能源及清洁能源成为人们关注的热点问题。海上风能作为一种清洁能源，具有蕴藏量丰富、不占土地、无视觉及噪声污染、开发范围广等优点，更加符合当今社会提倡的低碳经济理念，因此得到了广大海洋资源丰富国家的高度重视[1]。近年来，虽然海上风电技术得到了推广和应用，但装机量较少，且海底地基基础安装建设成本比较高，占海上风电装机总成本的20%～30%，而陆上风电地基基础的安装建设成本只占其装机总成本的10%左右[2]。因此，研发一种可降低海上风电装机成本的新型基础形式具有重要意义。目前海上风电的塔架基础主要采用重力式基础、大直径单桩基础。与上述基础相比，吸力基础具有工程造价低廉、施工安装方便快捷、受海上环境变化影响小以及基础可回收利用等优点。吸力基础早期被用于海洋基础平台锚固和各种系泊海上浮动式结构物等方面[3]，近年来逐渐作为海上风电工程中普遍采用的一种新型基础形式[4-5]。
目前国内外学者主要从吸力基础的沉贯性能、抗拔性能、水平及竖向承载性能方面出发进行了一系列的研究和分析。吕阳等针对黏土中吸力筒的大变形沉贯过程进行数值模拟，分析不同吸力作用下基础的贯入阻力和土塞高度变化规律，总结沉贯过程中筒壁摩擦特性，并将模拟结果与离心机试验和理论计算结果对照，发现沉贯结束时基础内部会产生一定高度的土塞，筒内壁摩阻力是引起贯入阻力变化的主导因素[6]。Byrne等在砂土地基中进行了检测吸力基础承载性能的lg模型试验，得到了极限状态下吸力基础的组合荷载破坏包络线[7]。试验结果发现：基础的承载性能受加载频率的影响较小。武科等研究了饱和软黏土中的吸力基础的承载力特性，发现影响桶形吸力基础竖向承载力的主要因素有吸力基础的长径比和土体不排水抗剪强度[8]。黎冰等通过对砂土中的吸力式沉箱基础进行室内模型试验，重点分析了基础长径比、荷载作用点及角度对抗拔承载特性的影响[9]。试验结果得出：增大基础长径比，能够显著提高吸力式沉箱基础的抗拔能力，但长径比的改变对吸力式沉箱基础的位移特征没有影响。
通过研究海上风电基础的受力特点，李大勇等提出了一种新型的裙式吸力基础[10]。研究表明，相比于传统吸力基础，裙式吸力基础在砂土中的可沉贯性和水平承载性能方面得到显著提高[11-17]。
综上所述，对于裙式吸力基础的水平及竖向承载性能方面的分析研究已经取得了许多成果，但对于裙式吸力基础在竖向荷载作用下的破坏形式及周围土体变形规律，还值得进一步研究。
1 模型试验
1.1 试验装置
图1所示模型箱为钢制，尺寸为：长度1 m、宽度1 m、高度0.8 m，模型箱的底部设置有排水管和阀门，方便砂土饱和及水位高度控制。
图1 模型试验装置
Fig.1 Model test setup
1.2 裙式吸力基础模型
裙式吸力基础模型(见图2)为钢制材料，由传统吸力基础和“裙”结构通过螺纹连接而成，传统吸力基础及裙式吸力基础模型尺寸见表1。主桶顶板中心设置导向杆与千斤顶连接。
2 试验结果分析
对试验中所采集的数据进行无量纲化处理(γ为饱和砂土的有效重度,R=D1/2)，得到竖向压力荷载-沉降量无量纲化关系曲线如图3～4所示，根据图中关系曲线，与传统吸力基础比较，发现“裙”结构能明显提高裙式吸力基础的竖向抗压承载力，裙宽一定时增大幅度为2.2～3.8倍，裙高一定时增大幅度为1.8～3.4倍。分析其原因，吸力基础在竖向荷载作用下，基础承受的荷载主要由基础顶板阻力、基础尖端阻力以及基础内外壁摩擦力承担，“裙结构”增加了基础与土体的接触面积，使基础能够承担更大的摩阻力，从而提高吸力基础的竖向承载力。
图2 吸力基础模型
Fig.2 Suction caisson models
表1 裙式吸力基础模型尺寸
Tab.1 Dimensions of suction caissons
图5和图6为竖向压力荷载-沉降量归一化曲线，图中H为竖向压力荷载，Hult为吸力基础的竖向极限承载力，S为基础的沉降量，Sult为基础的最大沉降量。对竖向压力荷载-沉降量归一化曲线进行拟合，可知H/Hult和S/Sult成三次曲线关系，得到三次方程拟合公式如图所示。从图5中可以看出，裙宽不变时，裙式吸力基础归一化曲线的曲率随裙高的增大而增大，说明裙高能控制基础的沉降并提高基础的竖向承载力。从图6中可以看出，裙高不变时，裙式吸力基础归一化曲线的曲率与裙宽大小也成正比，说明裙宽的增大能有效提高基础的竖向承载力。
图3 不同裙高对应的竖向压力荷载-沉降量无量纲化关系曲线
Fig.3 Vertical loading-settlement dimensionless curves of different skirted height
图4 不同裙宽对应的竖向压力荷载-沉降量无量纲化关系曲线
Fig.4 Vertical loading-settlement dimensionless curves of different skirted breadth
图5 不同裙高对应的竖向压力荷载-沉降量归一化关系曲线
Fig.5 Vertical loading-settlement normalized curves of different skirted height
为了观测不同尺寸吸力基础模型的沉陷范围规律，试验过程中对不同长径比的吸力基础模型沉陷范围进行测量，通过压贯方式进行吸力基础的安装完成后，在模型箱外侧通过钢尺对沉陷范围进行量测读数，测量方法如下图7所示。
图6 不同裙宽对应的竖向压力荷载-沉降量归一化关系曲线
Fig.6 Vertical loading-settlement normalized curves of different skirted breadth
图7 地基沉陷范围测量方法
Fig.7 Measuring method of settlement range
在传统吸力基础试验过程中发现，基础周围的砂土会发生沉陷。图8为沉陷范围与基础的竖向沉降位移关系曲线，从图中可以看出，不同长径比的传统吸力基础的沉陷范围-竖向沉降量关系拟合曲线斜率大小基本相同，即沉降过程中，长径比不同的传统吸力基础对其周围土体沉陷范围的影响机制相似。当传统吸力基础周围土体沉陷范围一定时，长径比不同对应的竖向沉降量不同，例如当传统吸力基础周围土体沉陷范围为25 mm时，长径比为1时对应的基础竖向位移为25 mm，为主桶高度的21%；长径比为2时对应的竖向位移为38 mm，为主桶高度的15.6%。因此，传统吸力基础沉陷范围相同时，基础引起周围土体的沉降量与主桶高度之比随长径比的增大反而减小。分析其原因：基础底端砂土在受到下部地应力影响时，会发生由底向上的土体流动，长径比较大时，随着沉降位移的增大，基础底端的砂土剪胀力也随之增大，引起基础周围的土体隆起，当隆起累积至某一高度时，隆起的砂土会发生滑动，进而出现上述结果。在进行基础安装时，可以参考上述所得结论，为基础的现场安装施工做指导，进而选取合适的传统吸力基础长径比。
图8 传统吸力基础沉陷范围-沉降曲线
Fig.8 Curves of settlement against subsidence range for regular suction caissons
图9为长径比不同的裙式吸力基础沉陷范围-沉降曲线。随着竖向加载时间的增加,基础一开始沉降时周围土体即出现小范围的沉陷，随着基础竖向位移的增大，基础周围土体产生滑动，沉陷范围逐渐增大。从图9可以看出，传统吸力基础引起的周围砂土的沉陷范围小于裙式吸力基础所引起的周围砂土的沉陷范围；裙宽会引起土体的变形增大，而裙高可以对周围土体进行约束，裙宽一定时，裙高越大，沉陷范围越小。裙高的增加能够控制砂土的沉陷。
图9 裙式吸力基础沉陷范围-沉降曲线
Fig.9 Curves of settlement against subsidence range for skirted suction caissons
3 有限元模拟
3.1 有限元模型
选定数值模拟的计算范围如图10所示，可以消除砂土的边界效应对基础的影响。有限元模型的边界约束条件采取顶面为自由边界，侧面采取水平向约束，底面采取固定约束。有限元模拟用的模型尺寸编号与前文中表1一致,基础和砂土力学参数见表2[18]。
图10 桶形基础有限元模型
Fig.10 Finite element model for bucket foundation
表2 材料参数设置
Tab.2 Material properties used in FEM
3.2 计算结果及分析
有限元模拟的加载方式采用位移控制，最大位移为5 cm，与试验的比例保持一致。通过有限元模型进行模拟，得到吸力基础在竖向承载力作用下破坏时的塑性应变分布图(见图11)、土体变形曲线，以此对传统吸力基础的破坏模式展开研究。
从应变分布图中可以看出，传统吸力基础在单调压力荷载作用下，塑性区的发展局限于土体中的某一范围内，土体破坏模式与Prandtl所提出的整体剪切破坏模式一致(见图12)。此外，由于施加的竖向压力荷载，使传统吸力基础顶部与砂土接触的地方产生沉降，即前文所述沉陷范围。因此，竖向单调压力荷载作用下，传统吸力基础在饱和细海砂中的破坏形式为整体剪切破坏。
为分析裙式吸力基础在饱和细海砂中的破坏方式，对主桶为“I”桶的基础模型进行有限元模拟，得到不同尺寸模型的应变云图及土体变形曲线。
从图13可以看出，裙式吸力基础随着上部竖向压力荷载的增加，塑性变形区也在桶型基础底部，最终也出现一个Prandtl破坏模式变形区，随位移的不断变大，基础周围砂土隆起量也越来越大，直至破坏。
图11 竖向荷载作用下传统吸力基础的等效塑性应变分布
Fig.11 Equivalent plastic strain of single bucket foundation under vertical loading
图12 土体沉陷隆起的两种破坏机理
Fig.12 Failure mechanism of soil subsidence and uplift
图14所示为基础周围砂土的土体变形曲线(无量纲化处理)，从图中可以看出，相较于传统吸力基础，裙式吸力基础周围砂土的变形范围较大，裙式吸力基础引起的土体变形随裙高的不断增大而减小。分析其原因，裙宽增加了基础顶板与土体的接触面积和基础周围土体受扰动的范围，从而引起基础周围较大的土体变形，同时，裙高增加了基础内外壁与周围土体的接触面积，可以对周围土体变形起到很好的约束作用。对于主桶长径比为1，裙宽为3cm，裙高为0 cm的裙式吸力基础，由于没有裙高的约束作用而引起基础周围土体产生较大的变形，因此裙式吸力基础随着裙高的增加，基础周围的土体变形减小。裙高的增加可以很好地控制土体的变形，这一规律与模型试验所得结论相吻合。
图14 土体变形曲线
Fig.14 Soil deformation curves
4 结 论
本文讨论了竖向压力荷载下地基土体沉陷规律，确定出吸力基础的破坏形式，分析了“裙”结构对其周围砂土的扰动原因及规律，得到以下结论。
(1) 传统吸力基础与裙式吸力基础在饱和砂土中的破坏形式都属于整体剪切破坏，破坏模式符合Prandtl整体剪切破坏。裙式吸力基础随着上部竖向压力荷载的增加，会在基础的底端形成塑性变形区，其周围砂土隆起量也越来越大。
(2) 裙宽一定时，裙高越大，砂土变形范围越小。裙宽是土体产生变形的不利因素，裙高可以减小土体变形。对比土体变形曲线中各个工况，土体隆起范围减小幅度最大为14.1%，引入裙高，能够控制基础周围砂土的变形。
(3) 在不同长径比的传统吸力基础沉降过程中，基础周围土体的沉陷范围随着沉降量的增大逐渐增大，长径比的增大会使吸力基础更加稳定并使其引起的砂土沉陷范围减小。
图13 Ⅰ桶裙式吸力基础等效塑性应变分布云图
Fig.13 The equivalent plastic strain contours of the skirted suction caissons
