海洋吸力式沉箱基礎失穩破壞模式試驗研究

山東大學土建與水利學院，山東 濟南 250061

與陸地資源開發不同，海洋環境和地質條件較復雜，海洋資源開發首先必須克服海洋環境（海水、海浪、海流、風暴、軟弱基礎等）對工程實踐帶來的各種潛在影響。海洋環境與地質條件的復雜性增加了海上工程的建設難度和投資風險，于是吸力式沉箱基礎作為一種新的基礎形式應運而生，其具有施工工期短、節省原材料、造價低、運輸安裝方便、可重復使用、適用軟弱土質等優點，在海洋工程中有著廣闊的應用空間。

海洋資源開采平臺的基礎結構不僅要承受其上部結構的巨大自重與工作荷載帶來的長期作用，還要受到臺風、颶風、波浪、洋流、冰川、潮汐等的強烈影響，若其承載性能不足將直接導致海洋建筑物整體坍塌、失穩破壞。為此，文章利用液化地層海洋沉箱結構模型試驗裝置，通過室內試驗，分別研究了水平荷載和豎向荷載作用下的沉箱基礎地基破壞模式，為確保海洋平臺結構的穩定性奠定了基礎。

1 試驗裝置與試驗方法

對吸力式沉箱基礎承載特性的研究一般采用室內模型試驗、離心機試驗和現場試驗等方式。其中，室內模型試驗是按照真實的構件，依據比例、材料、尺寸、荷載相似的要求做成比較小的構件來代替大型結構試驗的一種試驗方式，具有成本相對較低、針對性強、數據準確、加載次數多、可反復觀察等優點。現場試驗則受環境條件限制大、加載次數少，不能進行較完整的數據分析。因此，室內模型試驗是目前較為常用的試驗方式。

1.1 黏土樣制備

制備飽和黏土所采用的裝置為真空抽吸法飽和黏土制樣裝置。該制樣裝置為雙層筒體結構，由外壁、與外壁為一體結構的內壁和密封蓋組成。與以往制備飽和黏土的泥漿加壓固結法相比較，該制樣裝置結構較為輕巧，操作方便，單人即可完成制樣工作；抽吸效果好，制樣效率高，可極大地縮短制樣時間，重復利用度高；并且所制備試樣有較好的均勻性，飽和度高。制成飽和黏土樣后，試驗土樣基本物理力學指標采用室內土工試驗方法進行測量，采用烘干法測定重塑土樣不同位置處的平均含水率，以確保該試驗土體的最優含水率。

1.2 試驗裝置

模型試驗主要研究吸力式沉箱基礎地基在水平荷載和豎向荷載作用下的破壞模式，試驗主要分為兩部分：吸力式沉箱基礎的水平荷載模型試驗和豎向荷載模型試驗。

試驗所采用的設備為自行研制的小型模型試驗裝置（見圖1），其中模型槽是尺寸為800mm×800mm×800mm的鋼制箱，為方便制備和養護土體，模型槽上部無蓋，該模型槽對加載時土體的側向變形可以起到很好的約束作用。為有效避免在模型槽四周設置排水邊界會造成槽內四周土體強度過大的問題，需在模型槽底部對稱設置排水孔，以保證同一深度處試驗土體強度的均勻性。

圖1 液化地層的吸力式沉箱結構模型試驗裝置

實際工程中海洋沉箱基礎的制作材料為鋼材，與土體相比，其軸向剛度較大。為保證試驗準確性，海洋沉箱基礎模型為鋼材加工而成的頂端封閉的桶形結構，其內外壁光滑，下部敞開，桶蓋部位預留有抽水孔，用來排出空氣和水。海洋沉箱基礎結構直徑為200mm、壁厚5mm、桶高200mm。

該設備能夠模擬水平荷載、豎向荷載、扭剪荷載單獨作用和共同作用下的海洋沉箱基礎結構與土的相互作用機理，通過液壓控制系統來控制施加荷載的大小，在吸力式沉箱基礎頂部施加水平荷載、豎向荷載、扭剪荷載，該加載方式在試驗過程中更容易保持荷載的穩定性。

1.3 試驗過程

試驗是否準確有序進行對試驗結果的準確性具有很大影響，海洋吸力式沉箱基礎模型試驗過程如下：

（1）在模型槽中填充預置的飽和黏土可按照分層填土、鋪平、整體震動夯實等步驟來實施，為保證每層土都具有良好的均勻性，需要控制每次填土的質量及夯實后的厚度。

（2）將海洋沉箱基礎模型放置于模型槽中，先讓其在自身重應力的作用下不斷沉降，待其穩定后，再通過負壓方式將海洋沉箱基礎模型壓入飽和黏土中。

（3）試驗加載方式通過液壓加載系統來實現荷載控制，從桶軸線頂部開始，逐級施加旋轉荷載，并且每一級加載的荷載大小要控制在沉箱基礎極限承載力的10%左右。每次加載后，待基礎結構變形量完全穩定后記錄數據，該級荷載作用下的位移數據取值為位移量隨時間變化逐漸穩定后的結果，并對每級荷載作用下的土壓力數據進行記錄。當被測點位移超過10mm或者模型整體失穩時，認為該沉箱基礎結構達到破壞模式，此時試驗終止。沉箱結構荷載施加過程見圖2。

圖2 沉箱結構荷載施加過程

2 試驗結果分析

2.1 水平荷載作用下的吸力式沉箱基礎地基破壞模式

試驗所得到的水平荷載作用下的地基破壞模式見圖3。由圖3可知，吸力式海洋沉箱基礎在水平動荷載作用下產生傾斜，基礎結構外壁后側與海床土分離，且頂部分離孔隙較大；基礎結構外壁前側擠壓海床土使土體產生隆起；基礎結構內壁海床土隨著基礎結構發生位移變化，但整體型式未改變。

圖3 試驗所得到的水平荷載作用下的地基破壞模式

產生該種破壞模式的原因主要有以下兩點：（1）與土壓力分析進行比較，基礎結構內壁土壓力從頂部至底部變化趨勢基本一致。海洋沉箱基礎結構產生水平位移時，基礎結構內海床土整體型式未改變，只是在底部與基礎結構銜接處產生較大土壓力。（2）基礎結構外壁頂部后側土壓力趨于0，這是由于基礎結構外壁后側與海床土分離，土壓力消散所致。

2.2 豎向荷載作用下的吸力式沉箱基礎地基破壞模式

試驗所得到的豎向荷載作用下的地基破壞模式見圖4。由圖4可知，吸力式海洋沉箱基礎在豎向動荷載作用下產生剪切變形，基礎結構外壁頂部與海洋土分離產生裂縫且裂縫較大；基礎結構外壁底部擠壓海洋土使基礎結構兩側土體產生隆起；基礎結構內壁海床土隨著沉箱基礎發生位移變化，但整體型式未改變。

圖4 試驗所得到的豎向荷載作用下的地基破壞模式

產生該種破壞模式的原因主要有以下兩點：（1）與土壓力分析進行比較，基礎結構內壁土壓力從頂部至底部變化趨勢基本一致。這是由于海洋沉箱基礎產生豎向位移時，基礎結構內海洋土整體型式未改變，只是在底部與基礎結構銜接處產生較大土壓力。（2）基礎結構外壁土壓力頂部與底部相比較小，這是由于基礎結構外壁頂部與海床土分離，土壓力消散所致。

3 結論

通過室內模型試驗，文章針對水平荷載和豎向荷載作用下的沉箱基礎地基破壞模式開展了試驗研究，得到了以下結論：

（1）海洋沉箱基礎在水平荷載作用下產生傾斜破壞，基礎結構外壁后側與海床土分離，且頂部分離孔隙較大，基礎結構外壁前側擠壓海床土致使土體產生隆起。

（2）海洋沉箱基礎在豎向荷載作用下產生剪切變形，基礎結構外壁頂部與海床土分離產生裂縫且裂縫較大，基礎結構外壁底部擠壓海床土致使基礎結構兩側土體產生隆起。

（3）海洋沉箱基礎在水平荷載或豎向荷載作用下，基礎結構內壁海床土隨著沉箱基礎發生位移變化，但整體型式未改變。