朱 斌 ，應(yīng)盼盼 ，邢月龍

（1. 浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310058；2. 浙江大學(xué) 巖土工程研究所，浙江 杭州 310058；3. 中國能源建設(shè)集團(tuán) 浙江省電力設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310012）

1 引 言

吸力式桶形基礎(chǔ)由1994年挪威土工所（NGI）研制成功以來受到了各國的極大關(guān)注。由于桶形基礎(chǔ)本身施工速度快、造價(jià)較為低廉和可重復(fù)利用等優(yōu)點(diǎn)以及在承載方面的優(yōu)勢，使它成為桿式結(jié)構(gòu)最有潛力的基礎(chǔ)型式之一。吸力式桶形基礎(chǔ)是河網(wǎng)沼澤地區(qū)輸電桿塔及近海風(fēng)電機(jī)組的理想基礎(chǔ)型式，由于風(fēng)荷載和波浪荷載具有一定的復(fù)雜性，在兩個(gè)方向?qū)A(chǔ)頂面產(chǎn)生豎向力、扭矩、不同方向的水平力和傾覆彎矩共六向荷載[1]，通常簡化為平面內(nèi)的三向荷載，其中傾覆彎矩荷載最為關(guān)鍵。

國內(nèi)外多位學(xué)者分別開展了水平或豎向荷載作用下吸力式桶形基礎(chǔ)的理論和試驗(yàn)研究，獲得了水平荷載作用下桶形基礎(chǔ)桶土之間的相互作用規(guī)律，并提出了相應(yīng)的承載力分析方法。牛津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)用線性剛度矩陣描述了桶形基礎(chǔ)在受力變形的力學(xué)特性，提出了比較1 g模型試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)的無量綱荷載和變形參數(shù)[2]，并利用三自由加載裝置開展了吸力式桶形基礎(chǔ)的小比例模型試驗(yàn)，通過擬合試驗(yàn)屈服曲線提出了單桶基礎(chǔ)承載力的簡化表達(dá)式[3]，還進(jìn)行了一系列砂土和軟黏土現(xiàn)場試驗(yàn)[4]，這些工作為解決復(fù)合承載力問題做了很有價(jià)值的嘗試。朱斌等[5－6]通過砂性土中傾覆荷載作用下桶形基礎(chǔ)的大比例模型試驗(yàn)，獲得了桶土間相互作用和變形模式，并提出了基于變形控制的復(fù)合承載力分析計(jì)算方法。西澳大學(xué)Tran等[7]開展了大量吸力桶在砂土中的吸力沉貫離心模型試驗(yàn)，探討了抽水速率、桶尺寸、負(fù)重對砂土中沉貫的影響。此外，在數(shù)值模擬方面也有一些成果，Sun等[8]基于三維有限元方法獲得了桶形基礎(chǔ)的水平承載力，并給出了工程實(shí)踐簡化公式。范慶來等[9]通過有限元數(shù)值分析方法，提出了能夠描述不同長徑比的單桶基礎(chǔ)在復(fù)合加載模式下的三維破壞包絡(luò)面。

盡管國內(nèi)外學(xué)者開展了上述卓有成效的嘗試，但可用的桶形基礎(chǔ)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)仍然不足，主要是因?yàn)槭覂?nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)還不夠充分。目前關(guān)于桶形基礎(chǔ)的試驗(yàn)研究大多集中于小比尺模型試驗(yàn)、常重力試驗(yàn)，加載方式相對單一，尤其關(guān)于軟黏土中的桶形基礎(chǔ)研究相對較少。本研究通過開展軟黏土地基中吸力式桶形基礎(chǔ)水平靜力與循環(huán)受荷離心模型試驗(yàn)，對基礎(chǔ)進(jìn)行了循環(huán)加載、維持加載以及靜力加載，為桶形基礎(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次試驗(yàn)利用浙江大學(xué)ZJU-400土工離心機(jī)完成。離心機(jī)有效旋轉(zhuǎn)半徑為 4.5 m，吊籃有效容積為1.5 m×1.2 m×1.5 m，容量為400 g·t，最大離心加速度為150 g。

2.2 地基土的制備和物理力學(xué)特性

模型箱尺寸（長×寬×高）為 0.65 m×0.65 m×0.5 m，底層鋪設(shè)0.02 m厚粗砂墊層，然后在粗砂層表面和模型箱內(nèi)壁放置透水土工布。將軟黏土樣加水調(diào)成含水率為 53.6%（2倍液限）的泥漿，放入攪拌器攪拌均勻并進(jìn)行真空抽氣，均勻地澆灌在土工布內(nèi)上。靜置3 d后除去表面清水，放置一塊多孔板在軟土表面開始進(jìn)行壓力固結(jié)，第一級壓力為5 kPa，第二級壓力為10 kPa，分別固結(jié)10 d。常重力條件下壓力固結(jié)完成后將模型放入離心機(jī)在30 g下固結(jié)，時(shí)間為3～4 h，最后0.5 h土面沉降減小值僅為總沉降值的0.5%，固結(jié)完成后軟黏土厚約0.34 m。軟黏土的參數(shù)見表1。

表1 軟黏土參數(shù)Table 1 Parameters of soft clay in tests

桶基沉貫成后將整個(gè)模型再次在離心機(jī)30 g條件下固結(jié)3 h，盡量消除沉貫過程對桶周土的擾動，并讓桶周軟黏土重新固結(jié)。

加載試驗(yàn)完成后，在30 g條件下開展T-bar貫入試驗(yàn)，測量軟黏土的不排水抗剪強(qiáng)度。T-bar探頭為西澳大利亞探頭，底端為圓柱體，長20 mm，直徑為5 mm。自行研制了貫入裝置，貫入速率為1.5 mm/s。T-bar貫入阻力與不排水抗剪強(qiáng)度之間的系數(shù)采用 Stewart等[10]推薦值，取 10.5，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。在桶群深度范圍內(nèi)各次加載試驗(yàn)中土體的不排水抗剪強(qiáng)度差別不大。

圖1 不排水抗剪強(qiáng)度Fig.1 Undrained shear strength

2.3 吸力式桶形基礎(chǔ)模型

本次離心機(jī)試驗(yàn)吸力式模型桶均采用鋁合金6061實(shí)心管加工而成，極限抗拉強(qiáng)度為124 MPa，受拉屈服強(qiáng)度為55.2 MPa，延伸率為25.0%，彈性系數(shù)為68.9 GPa，泊松比為0.330，疲勞強(qiáng)度為62.1 MPa。桶徑為100 mm，桶裙高度100 mm，桶壁厚2 mm，模型試驗(yàn)離心加速度n = 30 g，桶形基礎(chǔ)示意圖如圖2所示。

圖2 吸力式桶形基礎(chǔ)示意圖（單位：mm）Fig.2 Sketch of suction caisson foundation(unit: mm)

2.4 試驗(yàn)布置

各激光計(jì)的布置如圖 3(a)所示，水平加載電機(jī)與加載頭之間通過連接軸力計(jì)測量水平荷載。循環(huán)加載裝置由浙江大學(xué)離心機(jī)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)，能實(shí)現(xiàn)力反饋控制和位移控制，其最大出力為2 500 N，最大位移為0.05 m，最大加載頻率為5 Hz，水平循環(huán)荷載采用位移控制和力控制兩種方式。靜力加載電機(jī)加載速度為15 mm/s，用于位移維持加載試驗(yàn)和靜力加載試驗(yàn)。水平加載位置在桶蓋上 10D（D為桶徑，D = 100 mm）處。在桶體兩側(cè)和桶蓋上方一定距離處各布置了一只豎向激光計(jì)和水平向激光計(jì)測量相應(yīng)變形，水平加載圖見圖4。

2.5 試驗(yàn)安排

本次模型試驗(yàn)針對軟黏土地基開展了4組不同加載方式的試驗(yàn)，分別是位移控制循環(huán)加載、位移維持循環(huán)加載、力控制循環(huán)加載和靜力加載試驗(yàn)，加載安排見表2。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 荷載-位移曲線

圖3 試驗(yàn)布置圖（單位：mm）Fig.3 Sketch of test arrangement(unit: mm)

圖4 水平加載圖Fig.4 Diagram of lateral loading

表2 試驗(yàn)加載安排Table 2 Outline of tests carried out

圖5 彎矩-轉(zhuǎn)角曲線Fig.5 Moment-rotation curves for all tests

本文試驗(yàn)結(jié)果均針對原型尺寸給出。圖5分別為位移控制循環(huán)加載、位移維持加載和力控制循環(huán)加載試驗(yàn)的峰值和谷值荷載-位移曲線及靜力加載荷載-位移曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)桶形基礎(chǔ)轉(zhuǎn)角達(dá)到一定值后，曲線出現(xiàn)了明顯的轉(zhuǎn)折，如果將荷載-位移曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折時(shí)對應(yīng)的彎矩作為極限抗彎承載力，則該桶形基礎(chǔ)的極限抗彎承載力約為 0.4 MN·m。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)，位移維持加載的峰值荷載-位移曲線與單調(diào)靜力加載的荷載-位移曲線較為一致，位移維持加載及位移循環(huán)加載的谷值荷載-位移曲線對應(yīng)的承載力較峰值荷載-位移曲線對應(yīng)的承載力明顯偏小，僅為后者的60%～70%。因此，在工程設(shè)計(jì)中如考慮荷載的維持效應(yīng)，建議將靜力承載力折減為60%～70%作為桶基的維持承載力。

位移控制循環(huán)加載試驗(yàn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖 6所示。桶基累積位移隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，但前一次的循環(huán)加載并沒有影響基礎(chǔ)的剛度，桶基僅表現(xiàn)出了位移的累積。在最后一級的靜力加載中，所獲得的極限抗彎承載力與圖5所獲得值相近。力控制循環(huán)加載試驗(yàn)的彎矩-轉(zhuǎn)角曲線如圖7所示。類似于圖6曲線，桶基在前三級循環(huán)內(nèi)并未發(fā)生明顯的剛度弱化。結(jié)合圖8觀察到，前三級循環(huán)加載中累積轉(zhuǎn)角增長有限，但第4級循環(huán)荷載作用時(shí)，累積循環(huán)轉(zhuǎn)角出現(xiàn)了近線性增長，表明此時(shí)桶周土體已經(jīng)出現(xiàn)明顯弱化。也就是說，但最大循環(huán)傾覆彎矩與極限抗彎承載力比值小于0.6時(shí)，桶形基礎(chǔ)在循環(huán)過程中轉(zhuǎn)角的累積難以持續(xù)增長，并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖6 位移控制循環(huán)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線Fig.6 Moment-rotation curves for displacement controlled cyclic test

圖7 力控制循環(huán)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線Fig.7 Curves of moment-rotation for load controlled cyclic test

圖8 力控制峰值轉(zhuǎn)角-循環(huán)次數(shù)曲線Fig.8 Peak rotation of caisson for load controlled cyclic test

3.2 桶形基礎(chǔ)變形

如圖2所示桶體上方兩側(cè)的豎向位移以及連接桿上一點(diǎn)的水平位移分別定義為 y1、y2、x1，那么荷載下桶體瞬時(shí)轉(zhuǎn)動中心的位置可得[5－6]

式中：x0為轉(zhuǎn)動中心到桶中心線的水平距離；z0為其在桶蓋下的深度；l為兩側(cè)豎向激光計(jì)到中心的距離；h0為水平激光計(jì)作用點(diǎn)到桶蓋的距離。本文試驗(yàn)計(jì)算的轉(zhuǎn)動中心位置如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)桶形基礎(chǔ)達(dá)到極限承載力時(shí)其轉(zhuǎn)動中心位置約在桶蓋正下方0.8倍桶裙高度處，與砂性土中的試驗(yàn)結(jié)果一致[5－6]。

圖9 轉(zhuǎn)動中心Fig.9 Rotation centre

3.3 峰值剛度曲線

位移控制和力控制循環(huán)峰值荷載-位移曲線對應(yīng)的無量綱剛度的弱化趨勢一致，存在一個(gè)弱化因子閾值t = 0.15。

4 結(jié) 論

（1）當(dāng)桶形基礎(chǔ)達(dá)到極限承載力時(shí)其轉(zhuǎn)動中心位置約在桶蓋正下方0.8倍桶裙高度處，這與砂性土中的試驗(yàn)結(jié)果一致。

（2）當(dāng)循環(huán)傾覆彎矩幅值與極限抗彎承載力比值小于0.6時(shí)，桶形基礎(chǔ)在循環(huán)過程中轉(zhuǎn)角的累積難以持續(xù)增長，并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖10 峰值荷載-位移曲線對應(yīng)的無量綱剛度Fig. 10 Normalized stiffness of peak value of moment-rotation curves

（3）循環(huán)荷載作用下，桶周土體發(fā)生弱化現(xiàn)象，本文桶形基礎(chǔ)循環(huán)弱化因子閾值t約為0.15。

建議考慮桶形基礎(chǔ)傾覆彎矩荷載的維持加載效應(yīng)時(shí)，基礎(chǔ)的極限抗彎承載力為單調(diào)靜力加載時(shí)的60%～70%。

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