閆國(guó)斌，潘 池，李 颯，尹蔣松，李婷婷

(天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院巖土所，天津 300350)

近年來，隨著海洋資源的開發(fā)利用，移動(dòng)自升式鉆井平臺(tái)在油氣開采和海上風(fēng)電安裝中得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)其作業(yè)結(jié)束拔樁時(shí)，黏性土地基對(duì)樁靴底部產(chǎn)生的吸附力會(huì)導(dǎo)致拔樁困難，該問題目前仍被海洋巖土工程界的眾多學(xué)者所關(guān)注[1]。據(jù)相關(guān)報(bào)道在一些特殊情況下平臺(tái)拔樁的時(shí)長(zhǎng)可達(dá)數(shù)十周[2]，這對(duì)工程正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成了極大的影響。

為此國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者相繼針對(duì)結(jié)構(gòu)物上拔時(shí)其底部所受吸附力的產(chǎn)生機(jī)理展開深入研究。Vesic[3]對(duì)埋入黏土中的圓形錨板進(jìn)行上拔試驗(yàn)，研究了錨板上拔過程中孔隙水壓力變化情況，并定義其上下超靜孔隙水壓力差值為錨板所受吸附力；Byrne和Finn[4]對(duì)黏土中裙式載荷板進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)，認(rèn)為板土之間的黏聚力是吸附力的主要組成部分，并提出采用反向地基承載力理論來求解吸附力的上限值；Craig和Chua[5]通過離心機(jī)模型試驗(yàn)探究得出樁靴上拔時(shí)底部土體先前所受壓載及樁靴貫入速率都對(duì)樁底吸附力的產(chǎn)生有著重要影響；Sawicki和Mierczynski[6]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，從荷載板周圍所受應(yīng)力變化的角度出發(fā)，指出板與底質(zhì)之間的吸附力是荷載板上拔困難的重要因素；Purwana等[7]通過離心機(jī)模型試驗(yàn)研究了正常固結(jié)軟黏土中，從樁靴工作時(shí)長(zhǎng)及工作荷載等因素角度對(duì)樁靴底部吸力產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行分析；Lehane等[8]通過土工離心機(jī)模型試驗(yàn)研究了黏土中拔樁速率對(duì)基礎(chǔ)各部分受力的影響情況，認(rèn)為結(jié)合基礎(chǔ)寬度和固結(jié)系數(shù)的歸一化速率是預(yù)測(cè)吸附力的一個(gè)有效指標(biāo)；Bienen等[9]，Gao等[10]對(duì)底部帶有噴沖裝置的樁靴進(jìn)行土工離心機(jī)試驗(yàn)，分析了噴沖率及上拔荷載大小對(duì)樁靴吸附力的影響；Kohan等[11]研究了軟黏土中樁靴埋深比對(duì)拔樁時(shí)底部吸附力的影響，得出吸附力與埋深比正相關(guān)；Hossain等[12]利用離心機(jī)試驗(yàn)與有限元模擬分析不同形狀樁靴在貫入與上拔時(shí)受力變化情況，研究表明帶開口樁靴與常規(guī)樁靴相比，吸附力有所減小。以上學(xué)者主要從上拔速率和埋深比這兩個(gè)因素來探究樁靴吸附力的變化情況。

國(guó)內(nèi)學(xué)者諸如馮國(guó)棟等[13]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究吸附力本質(zhì)及其影響因素，研究指出物體所受吸附力與邊界條件和物體剛度有關(guān)；金廣泉等[14]對(duì)圓底形和方底形物體展開室內(nèi)拉拔試驗(yàn)，認(rèn)為物體所受吸附力與其底部土質(zhì)的均勻性存在關(guān)系；韓麗華等[15]對(duì)沉箱吸附力進(jìn)行模擬試驗(yàn)，并指出單位面積吸附力與結(jié)構(gòu)物底部大小無關(guān)；張愛霞等[16]通過室內(nèi)試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究了底質(zhì)固結(jié)效應(yīng)對(duì)平臺(tái)拔樁吸附力的影響，并得出吸附力與樁靴上拔力之間的比例關(guān)系。以上學(xué)者從樁靴形狀及底部土體特性等方面來研究對(duì)吸附力的影響。

由此可見，拔樁時(shí)底部吸附力涉及諸多影響因素，且由于不同工況下樁土相互作用機(jī)理復(fù)雜，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于各自研究持有不同的說法，且目前尚未形成行業(yè)內(nèi)一致認(rèn)可的觀點(diǎn)，因此，探究拔樁過程中的樁靴底部吸附力特性有著非常重要的意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者諸如于徽和王聞愷[17]，Han等[18]，Hossain和Dong[19]，Purwana等[7]均通過粒子圖像測(cè)速技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)黏土中樁靴上拔初期在樁靴底部會(huì)形成一個(gè)不斷變化的空腔，這是由于黏土具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此當(dāng)樁靴向上移動(dòng)時(shí)，其周邊土體無法立即將其下部空腔填充密實(shí)。由于插樁時(shí)外部豎向荷載較大，樁靴底部土體壓密效果明顯，且黏土的滲透性較差，因此樁靴在上拔過程初期，樁靴底面與其周邊的黏土體近似形成了一個(gè)密閉的真空狀態(tài)，在上拔力的作用下該空腔內(nèi)外表面將逐步產(chǎn)生壓力差，壓力差使得樁靴底部出現(xiàn)真空吸力，從而阻礙樁靴上拔。

為此，基于飽和黏土中樁靴上拔室內(nèi)模型試驗(yàn)，使用壓力傳感器、位移傳感器、孔隙水壓力傳感器和單晶硅壓力變送器來測(cè)量模型樁靴在上拔過程中的上拔力、負(fù)孔壓和樁靴底部真空度的變化情況，探討在不同形式的樁靴、不同拉拔速率及不同埋置深度條件下樁靴底部真空度的變化對(duì)樁靴底部吸附力的影響，以及吸附力與上拔力之間的變化趨勢(shì)關(guān)系，并結(jié)合“真空吸盤效應(yīng)”原理[20]，提出以樁靴底部真空度來計(jì)算樁靴底部所受吸附力的方法，為海洋鉆井平臺(tái)的拔樁工程實(shí)踐提供一定的參考。

1 現(xiàn)有樁靴上拔力計(jì)算公式

關(guān)于自升式鉆井平臺(tái)的樁靴大都入泥一定深度，對(duì)樁靴上拔受力情況進(jìn)行分析時(shí)，通常忽略橫向受力而只考慮樁土豎向作用力，此時(shí)樁靴受到拔樁力，樁靴自重及其上部覆土重力Wa，樁靴及上部土體的側(cè)剪切阻力Fs和樁靴底部的吸附力Fv這三大部分。因此，一般認(rèn)為樁靴上拔力通?？杀硎緸閇21]：

Fb=Wa+Fs+Fv

(1)

其中，樁靴自重及其上部土重力Wa可按照式(2)計(jì)算：

Wa=Wb+Wc

(2)

式中：Wb為樁靴自重；Wc為樁靴上部圓臺(tái)土體自重，見圖1，其中傾斜角β通常取為土體的內(nèi)摩擦角φ[22]。

圖1 黏土樁靴上拔示意

樁靴及上部土體的側(cè)剪切阻力Fs通常采用式(3)進(jìn)行計(jì)算：

Fs=Su,avgHPs

(3)

式中：Su,avg為樁靴埋深范圍內(nèi)土體的平均抗剪強(qiáng)度；H為基礎(chǔ)側(cè)邊高度；Ps為基礎(chǔ)最大橫截面長(zhǎng)度。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于樁靴所受吸附力Fv的計(jì)算并未形成統(tǒng)一的結(jié)論，且存在眾多分別適用于特定條件下相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)方法，大多是考慮基礎(chǔ)材料、形狀及埋深比等因素，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正而得到。

其中,Lee[23]通過對(duì)某海灣拉拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)較大比例落在指數(shù)方程±50%包絡(luò)線內(nèi)，并基于此提出吸附力可表示為：

(4)

式中：Fq為樁靴底面土質(zhì)承載力；B為基礎(chǔ)寬度；D為基礎(chǔ)埋置深度。

金廣泉等[14]利用反向地基承載力理論，假設(shè)基礎(chǔ)與周邊土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)來求解結(jié)構(gòu)物所受吸附力：

(5)

式中：A為樁靴底面水平投影面積；D為基礎(chǔ)埋置深度；B為基礎(chǔ)寬度；L為基礎(chǔ)長(zhǎng)度。

Das等[24]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了飽和軟高嶺土中板錨底部吸力隨埋深比的變化特性，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了吸力經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

(6)

以上吸附力公式皆是基于不同條件下的試驗(yàn)研究得到的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于具體工程實(shí)踐僅供參考，因此在面對(duì)不同工況時(shí)仍需要選擇合理可行的方法來進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。為了提高上拔力的計(jì)算精度，本文通過模型試驗(yàn)對(duì)飽和軟黏土中樁靴底部吸附力的影響因素以及產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究。

2 室內(nèi)模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)選用一個(gè)尺寸為1 m×1 m×1 m(長(zhǎng)×寬×高)的正方體渡漆鋼模型箱，位于試驗(yàn)槽上方中心的反力架最大受荷20 kN。試驗(yàn)裝置如圖2所示。動(dòng)力由三相電機(jī)提供，通過電氣控制柜可實(shí)現(xiàn)樁靴的勻速貫入與上拔，整個(gè)加載系統(tǒng)傳感器安裝到位之后，連接DH5922N型號(hào)數(shù)采儀通過電腦采集數(shù)據(jù)并保存。電機(jī)下方安裝LTR-10 kN型號(hào)拉壓力傳感器采集插拔樁阻力，反力架上焊接拉線式5G203-750型號(hào)位移傳感器記錄插拔樁位移，樁靴底部安裝CYG41000KY型號(hào)孔壓計(jì)測(cè)量插拔樁過程中樁靴底部的孔隙水壓力，采用ZDY9800D0WY型號(hào)單晶硅壓力變送器連接樁靴底部的氣動(dòng)軟管，通過檢測(cè)軟管中的絕壓變化來檢測(cè)樁靴底部的真空度變化。

圖2 試驗(yàn)槽實(shí)物及布置示意

模型箱內(nèi)土樣深度65 cm。根據(jù)工程中常用的直徑18 m樁靴進(jìn)行了縮尺(1∶100)，樁靴直徑D=18 cm，高度H=7.2 cm?？讐河?jì)尺寸d×h=12 mm×13 mm，在樁靴底部斜面中心打孔略大于孔壓計(jì)尺寸，加工卡槽便于安裝孔壓計(jì)以及走線。樁靴底部中心通眼直徑5 mm，從樁腿側(cè)邊引出，并于孔中放置直徑為5 mm的氣動(dòng)軟管，軟管的末端用來連接單晶硅壓力變送器。本試驗(yàn)所用樁靴的模型簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)所用模型樁靴尺寸

為研究樁靴上拔時(shí)其底部真空度峰值對(duì)吸附力的影響，本試驗(yàn)分別對(duì)樁靴做包裹單位面積質(zhì)量為0.2 kg/m2的滌綸短纖針刺土工織布，底部斜面中心位置對(duì)稱開直徑25 mm孔洞(采用土工織布封住孔口)，以及開孔后連接通氣膠管這三種不同形式的處理去調(diào)整樁靴與底部土體的邊界接觸條件，上述處理措施均在不同程度上改變了樁土之間的氣密性。其中，在開孔樁靴貫入時(shí)，為避免土體進(jìn)入膠管而堵塞，在樁靴底部孔眼上鋪設(shè)單位面積質(zhì)量為0.2 kg/m2的滌綸短纖針刺土工織布，并蓋上密實(shí)的鋼絲網(wǎng)進(jìn)行加固增加強(qiáng)度，在其四周用環(huán)氧樹脂固定。以上所述模型樁靴實(shí)物如圖4所示，通過對(duì)不同形式的樁靴進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，分別探究樁靴底部真空度對(duì)樁靴底部吸附力的影響情況。

圖4 試驗(yàn)所用模型樁靴

2.2 土體制備

試驗(yàn)所用土體為高嶺土，試驗(yàn)前參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[25]對(duì)土體塑限ωP、液限ωL、相對(duì)密度GS、含水率ω與飽和容重γsat等基本物理指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，最終所得土體的具體指標(biāo)參數(shù)見表1。

表1 土體物理性質(zhì)指標(biāo)

其中，用烘干法測(cè)量土體的含水率ω，用環(huán)刀法測(cè)量土體的容重γsat，試驗(yàn)土體的塑限ωP和液限ωL用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀進(jìn)行三組平行試驗(yàn)，取其平均值作為液限值和塑限值。

土體制作時(shí)，將高嶺土倒入攪拌桶中，按照水土質(zhì)量比1.2∶1的比例混合，初始含水率約為液限的1.5倍，用攪拌機(jī)將水土攪拌均勻后分層填入試驗(yàn)槽內(nèi)，再于土體表面鋪設(shè)土工織布，上表面布置砂墊層以及排水管，然后表面覆蓋多層塑料薄膜，引出水管，四周用黏土進(jìn)行密封，并采用抽真空方法和堆載預(yù)壓相結(jié)合來加速土體的固結(jié)。靜置一個(gè)月左右，此時(shí)土體沉降約達(dá)土體原厚度的20%。

試驗(yàn)土體的不排水抗剪強(qiáng)度Su通過SZB-1.0型十字板剪切儀進(jìn)行原位剪切試驗(yàn)測(cè)量得到。在土體試樣深度為0.5D～2.0D范圍內(nèi)選取4個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量所得結(jié)果進(jìn)行直線擬合，測(cè)量所得不排水抗剪強(qiáng)度Su隨深度Z變化曲線如圖5所示。

圖5 利用十字板剪切儀測(cè)量所得不排水抗剪強(qiáng)度變化曲線

2.3 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)準(zhǔn)備工作及重點(diǎn)操作步驟為：首先要檢查試驗(yàn)槽密封性；試驗(yàn)抽真空采用雙面排水，在槽底鋪設(shè)5 cm厚砂墊層，其上放置綁扎土工織布的排水管，再加砂至墊層高度約15 cm，并蓋上一層土工織布將土與墊層隔開。將高嶺土置入攪拌桶內(nèi)，按照水土質(zhì)量比1.2∶1混合，初始含水率約為1.5倍液限，用攪拌機(jī)攪拌均勻，然后分層填入試驗(yàn)槽。土體表面鋪設(shè)土工織布、砂墊層及排水管，并在墊層表面覆蓋多層塑料薄膜，引出水管，四周使用黏土密封。采用真空預(yù)壓與堆載預(yù)壓結(jié)合的方法加速得到相應(yīng)強(qiáng)度要求的試驗(yàn)土體。

制土完成后, 將土體表面刮平并加入2 cm高水層以防止空氣進(jìn)入。通過電氣控制柜設(shè)置樁靴貫入與上拔速率，同時(shí)利用數(shù)采儀進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。利用十字板測(cè)量模型槽中試驗(yàn)土體的不排水抗剪強(qiáng)度Su。待試驗(yàn)用土恢復(fù)后，換取不同的位置對(duì)不同形式的樁靴重復(fù)上述步驟并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。其中，在樁靴貫入過程中會(huì)產(chǎn)生超孔壓，當(dāng)樁靴以1 mm/s的速率貫入指定深度后停止加載，此時(shí)靜置一段時(shí)間，待超孔壓全部消散之后，再以相應(yīng)速率上拔，至樁靴上升至土體表面關(guān)閉數(shù)采儀停止采集數(shù)據(jù)。

研究具體試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

在研究中，分別測(cè)量了孔隙水壓力和真空度?？紫端畨毫κ强紫兑后w的測(cè)壓管壓力，實(shí)際上是一種相對(duì)壓力(相對(duì)于預(yù)先認(rèn)為0壓力的大氣壓力)，有正壓和負(fù)壓之分[20]。真空，是指在給定空間內(nèi)低于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)的氣體狀態(tài)，是描述氣體狀態(tài)的一個(gè)定義，為描述該空間氣體的稀薄程度，用“真空度”這個(gè)指標(biāo)進(jìn)行衡量。

當(dāng)真空度向周邊土體擴(kuò)散與傳遞時(shí)，可引起周邊土體孔隙水壓力的變化，從而產(chǎn)生負(fù)孔壓。真空度可以看做是負(fù)壓產(chǎn)生的一個(gè)必要條件。為了對(duì)吸附力產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行探討，文中對(duì)孔隙水壓力和真空度分別進(jìn)行了探討。

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。圖6為試驗(yàn)S1,S4,S5,S6所得不同形式的樁靴底部真空度與負(fù)孔壓隨拔樁位移變化趨勢(shì)，由圖可以看出，在拔樁位移小于50 mm的初始階段，真空度與負(fù)孔壓值均呈快速增大趨勢(shì)，但在試驗(yàn)中由真空表測(cè)得的真空度值與孔壓計(jì)探頭測(cè)得的負(fù)孔壓值并未同時(shí)達(dá)到峰值，且兩者達(dá)到峰值的位移距離小于0.1D，真空度存在滯后現(xiàn)象。這是由于真空度需要通過氣動(dòng)軟管反映到真空表處，因此存在一定的延遲效應(yīng)。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

當(dāng)真空度與負(fù)孔壓值達(dá)到峰值后，兩者均處于減小階段，但減小的速度顯著小于初期上升時(shí)的速度，這是因?yàn)殡S著樁靴持續(xù)上拔，其底部周邊土體發(fā)生持續(xù)變形，真空狀態(tài)遭受破壞，真空度逐步減小，樁靴底部空腔內(nèi)外氣壓逐步達(dá)到平衡，負(fù)的超靜孔隙水壓力隨之消散為0，但由圖6可知在負(fù)的超靜孔隙水壓力為0后真空度值并未降至0，這是由樁靴底部黏著有部分黏土層造成的。

圖6 真空度與負(fù)孔壓測(cè)試結(jié)果對(duì)比

張功新等[25]基于伯努利方程和平衡方程推導(dǎo)了在某點(diǎn)真空表反映的真空度值與孔壓計(jì)反映的孔隙水壓力差值的理論關(guān)系式，可表示為：

(7)

式中：Pa為真空度值；Pw為孔壓值，此處取負(fù)孔壓的絕對(duì)值；γw為水的重度；L0為地下水位距離真空表的長(zhǎng)度；P0為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值。

圖7為根據(jù)式(7)由試驗(yàn)所測(cè)孔壓值換算為相應(yīng)真空度值與試驗(yàn)中真空表所測(cè)真空度值隨拔樁位移變化的對(duì)比曲線。需要說明的是，由于真空度相對(duì)于負(fù)孔壓存在滯后，圖7的計(jì)算值為真空度向左平移0.1D后的計(jì)算值。由圖7可知，換算值與實(shí)測(cè)值在上拔的初始階段與峰值后的下降階段均呈現(xiàn)出較高的一致性，且在接近峰值附近時(shí)，兩者平均誤差僅為1.37%。隨著樁靴位移的增加，由于樁靴底部有附著的黏土，因此真空度測(cè)試值存在一定的誤差，但由于文中主要研究拔樁真空度峰值附近的變化情況，因此在真空度值降低階段的數(shù)值對(duì)論證結(jié)果影響不大。

圖7 常規(guī)樁靴上拔時(shí)真空度試驗(yàn)值與負(fù)孔壓換算值對(duì)比

對(duì)樁靴進(jìn)行包布、底部開孔、底部通氣等不同條件的處理后，試驗(yàn)測(cè)得的真空度如圖8所示。由圖8可知，拔樁位移為1D時(shí)，在不同條件的樁靴上拔過程中，試驗(yàn)所得樁靴底部真空度值均在不斷變化，反映出樁靴底部真空區(qū)域是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程。不同條件下拔樁時(shí)底部真空度峰值均在1/3D以內(nèi)產(chǎn)生，之后隨著底部空腔密封遭受不同程度的破壞，真空度值呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。此外，真空度峰值大小為常規(guī)>包布>開孔>通氣，這是由于常規(guī)條件下，樁靴外部荷載作用下與黏土底質(zhì)結(jié)合較為緊密，因此拔樁時(shí)其底部空腔密封性最好；當(dāng)對(duì)樁靴做包布處理時(shí)，土工織布減小了樁靴與黏土底質(zhì)之間的黏合，因此拔樁時(shí)底部空腔密封性次之；當(dāng)對(duì)樁靴底部斜面中心位置對(duì)稱開孔并采用土工織布封住孔口處理時(shí)，等同于改變了樁土接觸邊界的密封性，因此拔樁時(shí)，底部空腔密封性與包土工織布時(shí)相差不大，均小于常規(guī)條件下樁靴底部空腔的真空度；當(dāng)對(duì)樁靴底部對(duì)稱開孔后連接通氣膠管處理時(shí)，盡管通氣膠管截面面積僅占樁靴底面面積的7%，但由于其直接改變了樁靴底部空腔內(nèi)外的壓力差，顯著地影響了空腔內(nèi)外的氣壓平衡，因此由試驗(yàn)可知，拔樁時(shí)樁靴底部真空度值在不到6 kPa時(shí)便停止增加，且在之后的整個(gè)位移過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)，這說明此時(shí)樁靴底部?jī)?nèi)外氣壓基本保持平衡。

圖8 不同條件樁靴底部真空度隨拔樁位移變化

拔樁時(shí)樁靴貫入深度對(duì)樁靴底部真空度值的影響見圖9。圖9為常規(guī)樁靴在不同貫入深度下樁靴底部真空度值隨拔樁位移的變化趨勢(shì)，據(jù)圖可知，樁靴貫入深度增大，則真空度峰值顯著增大，且貫入深度1.5D時(shí)真空度峰值約為貫入深度1.0D時(shí)真空度峰值的2倍。

圖9 貫入深度對(duì)常規(guī)樁靴底部真空度的影響

圖10 不同條件樁靴吸附力占比及真空度峰值變化對(duì)比

4 基于真空吸盤理論的樁靴吸附力計(jì)算

真空吸盤通常是利用真空吸力來抓取物品的一種自動(dòng)化工具，由于其便捷性、無污染而在自動(dòng)化生產(chǎn)線上被廣泛用來運(yùn)輸物品等。其按照真空產(chǎn)生方式可分為主動(dòng)型真空吸盤與被動(dòng)型真空吸盤[26]；按照吸附模式可分為柔—?jiǎng)傎N合式，以及剛—柔貼合式(即為剛性的真空吸盤來抓取柔性的應(yīng)用對(duì)象[27])。

黏土中樁靴上拔初期存在相似于被動(dòng)型剛—柔貼合式真空吸盤原理的情況。真空吸力產(chǎn)生的全周期過程可分為3個(gè)階段：插樁過程可認(rèn)為是壓力施加階段，拔樁初期可認(rèn)為是吸力產(chǎn)生階段，最后為樁底土脫離階段，其示意如圖11所示。

圖11 真空吸盤原理

將樁靴底部吸附力視為真空吸力, 則吸附力可由式(8)表示：

Fv=P0n1dAe-Pan2dAi

(8)

式中：P0為大氣壓強(qiáng)，一般取101.325 kPa，Pa為絕對(duì)壓強(qiáng)，n1和n2分別為由內(nèi)向外和由外向內(nèi)的垂直朝向樁靴底部真空區(qū)域的單位法向量，dAe和dAi分別是真空區(qū)域外部和內(nèi)部無窮小面積[26]。

根據(jù)上述原理, 鑒于樁靴底部真空區(qū)域內(nèi)部面積Ai與真空區(qū)域外部面積Ae上法向量的對(duì)應(yīng)性，`為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)Ai=Ae，則樁靴底部的單位吸附力可用ΔP來表示，即：

ΔP=P0-Pa

(9)

在試驗(yàn)中Pa通過壓力變送器后端連接的氣動(dòng)軟管近似反映絕對(duì)壓強(qiáng)的變化。

根據(jù)式(7)和式(9)，在已知孔壓的條件下，可以得到上拔過程中吸附力的大小。采用上述方法，得到試驗(yàn)以及根據(jù)Kohan等[11]、韓麗華等[15]、Li等[28]試驗(yàn)測(cè)得的孔壓數(shù)據(jù)計(jì)算得到的相應(yīng)單位吸附力，將計(jì)算結(jié)果與各個(gè)試驗(yàn)推薦的吸附力數(shù)值進(jìn)行比較，結(jié)果見圖12。其中約73%的數(shù)據(jù)位于30%誤差線內(nèi)。

圖12 吸附力計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

表4為根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果，采用本文計(jì)算方法及金廣泉(式(5))計(jì)算方法得到的結(jié)果比較。需要說明的是，為了使得結(jié)果對(duì)工程更具有指導(dǎo)意義，表4的計(jì)算結(jié)果為原型的數(shù)值(相似比為1∶100)。由表4中數(shù)據(jù)可看到采用本文的方法計(jì)算得到的吸附力誤差總體相對(duì)較小。

表4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

考慮到在實(shí)際工程中無法直接量測(cè)Pa，而本文試驗(yàn)顯示，峰值真空度的數(shù)值大小與峰值孔壓的數(shù)值大小非常接近，但是存在一定的相位差，見圖6。因此在實(shí)際應(yīng)用中，建議采用負(fù)壓替代Pa進(jìn)行計(jì)算。

5 結(jié) 語

通過對(duì)室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，提出了基于真空吸盤理論的吸附力計(jì)算公式，探討了黏土基質(zhì)下不同樁靴類型、埋深比及拉拔速率對(duì)樁靴底部真空度的影響及樁靴底部吸附力的產(chǎn)生機(jī)理，得出了如下結(jié)論：

1)在黏土地基條件下，樁靴上拔時(shí)底部吸附力的產(chǎn)生與樁靴底部近似密封狀態(tài)的空腔真空度數(shù)值大小存在重要關(guān)系。

2)樁靴在黏土中的吸附力與上拔力的比值隨樁靴底部真空度的增大而增大，樁靴底部真空度峰值越大，則拔樁就需要克服更大的吸附力。

3)基于本次試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，基于真空吸盤理論提出的吸附力公式考慮了真空對(duì)吸附力的影響。利用多位學(xué)者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)文中所述方法進(jìn)行驗(yàn)證，約73%的數(shù)據(jù)位于30%誤差范圍內(nèi)。