低裙摩擦型吸力式基礎及其可貫性對比試驗

摘要：為進一步優化吸力式基礎結構，減小“土塞”效應，提高吸力式基礎的可貫性與承載力，文中提出了低裙摩擦型吸力式基礎模型。通過室內模型試驗對比研究了不同吸力式基礎模型的負壓（P）-沉貫量（y）曲線。給出沉貫力、沉貫阻力與沉貫量之間的關系，結合試驗數據分析了不同樁型之間的差異，對比得出各類樁型的可貫性及沉貫量。結果表明，低裙摩擦型吸力式基礎可貫性良好，能有效減小“土塞”效應，提高樁體承載力。

關鍵詞：低裙摩擦型吸力式基礎；可貫性；沉貫力；沉貫阻力

中圖分類號：TU354 " " " " "文獻標志碼：A " " "文章編號：1000-582X（2024）06-024-11

Experimental research on development of low skirted friction suction caissons and its penetrability

LIU Xiaoke1， SU Min2， LU Qun3， LIU Haitao1， ZHAO Lihong4， GUO Shaolong3， WANG Qinghua5

（1. North China Municipal Engineering Design and Research Institute Co.， Ltd.， Tianjin 300381， P. R. China;

2. Shandong Wansida Zhizhu Education Technology Co.， Ltd.， Jinan 250000， P. R. China; 3. School of Civil Engineering， Tianjin Chengjian University， Tianjin 300384， P. R. China; 4. Tianjin Hengde Labor Service Co.， Ltd.， Tianjin 300350， P. R. China; 5. STECOL Corporation， Tianjin 300384， P. R. China.）

Abstract： In this study， a low skirted friction type suction caisson model was proposed to optimize suction foundation， reduce soil plugging effect， and improve penetrability and load capacity. Indoor model tests were conducted to investigate the relationship between penetration force， resistance and volume in negative " " " "pressure （P）-sinker volume （y） curves with different suction caisson types. Furthermore， the study analyzed differences among various caisson models and confirmed their penetrability and sinker volume. Results demonstrate that the low-skirt friction type suction caisson， offering improved penetrability， effectively mitigates soil plugging and improves caisson bearing capacity.

Keywords： low skirted frictional suction caisson; penetrability; penetration force; penetration resistance

隨著海上風電資源的開發和利用，吸力式基礎由于其安裝簡單、費用低廉、可循環利用等優越性被廣泛應用于海上設施[1?2]。然而，吸力式基礎在負壓沉貫過程中會使桶內泥面上抬到桶頂產生“土塞”，阻止吸力式基礎繼續下沉，降低樁體沉貫量，影響樁體承載力，產生“土塞”效應[3]。“土塞”效應對吸力式基礎在使用過程中的安全性極其不利。因此，有效降低“土塞”效應有利于解決實際工程問題。

目前，國內外學者對黏性土、粉土、砂土及層狀土中吸力式基礎的“土塞”效應都有較廣泛的研究[4?7]，但結論有一定的差異。首先，關于“土塞”的大小，Rauch等[8]基于模型試驗結果認為，土塞的體積與吸力式基礎貫入地基土內的側壁體積相等；而楊少麗等[9?10]通過模型試驗發現，在未發生流土的情況下土塞的體積遠大于置換土體的吸力式基礎側壁體積。其次，關于“土塞”的成因，丁紅巖等[11]通過模型試驗發現粉質黏土中吸力式基礎內“土塞”與其所受壓力差、沉放速度等因素有關；李大勇等[12?13]通過室內模型試驗針對中粗砂地基中裙式吸力基礎的沉貫特性進行了分析，發現滲流力是導致“土塞”發展的主要原因。劉俊濱等[14]采用有限元分析了“土塞”形成的機理，認為滲流力雖然可以大幅度降低基礎端部阻力，但過大的滲流力會使桶內土體結構疏松產生大變形，形成“土塞”，甚至會使砂土地基中筒內土體液化而發生涌動，導致基礎傾斜喪失承載力。關于“土塞”引起的承載力損失，Lee等[15?19]研究認為，吸力式基礎的承載力不僅與荷載形式、作用點位置、作用時長等外界因素密切相關，與樁壁接觸土體的面積呈正相關，受“土塞”影響使桶壁貫入量降低是影響吸力式基礎承載力的主要因素。除此之外，柳曉科等[20]認為較高的“土塞”會改變吸力式基礎周圍洋流速率，刨蝕吸力式基礎主桶周邊土體，降低吸力式基礎承載力，為保護主桶周圍土體免受洋流刨蝕，提出了低裙吸力式基礎模型。

筆者針對黏性土中吸力式基礎“土塞”效應展開精細化研究。首先，對吸力式基礎結構進行了優化，提出一種新型低裙摩擦型吸力式基礎模型[21]，增大“土塞”與基礎側壁之間的作用力，有效抑制“土塞”生長，同時增大基礎豎向剛度，增加基礎抗變形能力，保證吸力式基礎安全性。其次，在吸力式基礎安裝施工方面，繼續深化施工及糾偏措施，采用雙筒負壓法沉貫，增加導向桿，保證吸力式基礎安裝的施工質量，提高吸力式基礎的可貫性與承載力。

1 試驗裝置

1.1 低裙摩擦型吸力式基礎試驗

黏土中吸力式基礎在負壓作用下沉貫會不可避免地產生“土塞”[20]。壓力差作用下由外而內的強滲流力是導致樁端處土體“突涌”及桶內土體結構疏松產生大變形形成“土塞”的主要原因。其次，滲流力降低了“土塞”與內桶壁之間的摩擦力，使“土塞”高度高于桶外泥面形成“土塞”。

基于以上原因，為更多地降低“土塞”高度，減小“土塞”生長速率，文中在原有低裙吸力式基礎模型的基礎上，通過在主桶內設置摩擦鍵，改變主桶內表面的光滑度，形成摩擦型吸力式基礎。該摩擦鍵在桶內沿圓周均勻布置，在豎直方向從底端以上0.1H1處至裙頂下邊緣布置處，如圖1所示，實物模型如圖2所示。

新型低裙吸力式基礎模型中，設置摩擦鍵首先是為了增加了吸力式基礎沉貫過程中桶內壁的粗糙程度，增大樁內壁與土的摩擦力，抑制樁端處土體“突涌”，彌補滲流力降低的“土塞”與內桶壁之間的摩擦力。其次，類似加勁肋的摩擦鍵可增加主桶豎向剛度，增大樁體主桶抗變形能力，使樁體更利于沉貫。此外，“倒刺”形凸緣可增加樁體抗拔過程中的承載力。

1.2 吸力式基礎模型試驗參數

為驗證新型摩擦型吸力式基礎的試驗效果，共采用了4種類型的吸力式基礎模型進行對比試驗：①號樁為桶徑120 mm的普通單筒吸力式基礎，其底部敞開，頂部承臺設有抽水（氣）排水（氣）孔及測壓孔；②號樁為裙徑240 mm、主桶徑120 mm的普通裙式吸力式基礎，是在傳統吸力樁模型的基礎上增加一層“裙邊”，形成“T”型結構的裙式吸力式基礎。除在樁頂設有抽水（氣）排水（氣）孔及測壓孔之外，在主桶與裙筒之間的裙頂還設有排水孔（沉貫過程中不連接吸力管道）；③號樁為將裙桶及裙頂降低形成的“十”字型結構的低裙吸力式基礎[21]，在主桶與裙筒之間的裙頂設抽水（氣）排水（氣）孔（沉貫過程中連接吸力管道），如圖3所示。④號樁為前述增加了摩擦鍵的新型低裙摩擦型吸力式基礎模型，如圖1所示，在主桶與裙筒之間的裙頂設抽水（氣）排水（氣）孔（沉貫過程中連接吸力管道）。試驗各樁體尺寸如表1所示。

降低裙邊高度形成低裙吸力式基礎是為了使裙桶盡早進入泥面，增加裙桶貫入量，提高樁體水平承載力。前期試驗發現，①號樁的“土塞”高度gt;70 mm，為了保證主桶完全沉貫而裙桶盡可能多地沉貫，取③號、④號低裙吸力式基礎模型的樁頂、裙頂高差為60 mm。為保證吸力式基礎模型在貫入過程中的垂直度及便于觀察樁內“土塞”增長情況，所有模型均設有導向桿，模型材料均采用亞克力（PMMA）透明玻璃。吸力式基礎實體模型樁如圖4所示。

1.3 試驗土體及其力學特性

試驗用土選用鈣質高嶺土，測其粒徑范圍為0.005～0.1 mm，塑限與液限分別為30%、60%。經正、反循環強制式攪拌機加水攪拌后形成含水率為95%的泥漿，采用如圖5所示的潮汐循環荷載固結軟土裝置[22]快速固結15 d后備用，固結后土體厚度為0.65 m，土體表面距離模型箱頂部0.35 m。潮汐循環荷載通過儲水箱中的水泵M1與模型箱中的水泵M2交替開啟，使模型箱中水位呈周期性升降，進而對模型箱中土體進行周期性加載。

采用室內直剪試驗儀及室內微型十字板剪切儀測得固結后所得土體沿厚度方向的力學特性，分別如圖6～8所示。

1.4 試驗輔助裝置

1.4.1 模型箱

根據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94—2008）基樁的最小中心距要求及樁距承臺邊緣的構造要求[23]，結合吸力式基礎模型尺寸及數量，模型箱采用長×寬×高為1.2 m×1.2 m×1.0 m、壁厚5 mm不銹鋼鋼箱。在模型箱頂部及中部各設置1道50 mm×50 mm×8 mm（寬×高×厚）方鋼進行加固以保證模型箱剛度，更真實地模擬實際工程土體邊界條件。

1.4.2 吸力式基礎沉貫裝置

吸力式基礎沉貫裝置如圖9所示，主要由數控真空泵、抽濾瓶、負壓及位移監測系統組成。試驗的負壓采用微型孔壓計測定并使用與其配套的數據采集卡自動采集記錄。

1.5 試驗步驟

依據實際工程，吸力式基礎模型沉貫過程分為2個階段，即重力沉貫階段和負壓沉貫階段。重力沉貫是依靠吸力式基礎自身重力作用使樁體從水面以上下落至海床并切入海床一定深度，在主桶內形成密閉空間。負壓沉貫是在重力沉貫結束后形成的密閉空間內抽水（氣）排水（氣）使樁體內部形成負壓，通過控制真空泵輸出功率，使吸力式基礎以一定的速率貫入土體，沉貫完成的標志為主桶頂與泥面完全接觸。與此同時，排水管中有白色泥土吸出且負壓瞬時增大，豎向位移不再發生變化。

沉貫步驟為：1）在固結好土體的模型箱內注入深度大于樁長的水，模擬海洋環境；2）找準平面位置并安放好模型樁；3）安裝閥門、負壓管道、抽濾瓶、真空泵等加載系統；4）安裝孔壓計、導向桿、水平位移計、豎向位移計、數據采集儀、電腦等監測系統；5）模型在自重作用下初始下沉，并通過按壓方式使沉貫量在20 mm； " 6）打開數據監測系統；7）打開真空泵、閥門；8）調節真空泵功率控制加載速率使樁體勻速下沉；9）沉貫到位；10）保存數據；11）關閉監測系統；12）關閉閥門、真空泵；13）拆除管道及導向桿；14）試驗完畢。沉貫過程如圖10所示。

為減小沉貫過程中樁體之間的相互影響，采用如圖11所示的對角路線按順序依次貫入①號、②號、 " " "③號、④號吸力式基礎模型，樁間距為600 mm，樁中心距離模型槽邊緣距為300 mm。

2 試驗結果及分析

2.1 沉樁結果

根據上述試驗步驟得到的①號、②號、③號、④號吸力式基礎模型的負壓（P）-沉貫量（y）過程曲線如圖12所示。

由圖12可知，在試驗條件下，各吸力式基礎模型下沉過程中所需負壓荷載隨下沉深度逐漸增長，所有吸力式基礎模型的P-y曲線趨勢一致。①號樁從始至終基本維持直線軌跡，當負壓達到65.8 kPa時，沉貫量基本不再增加，但負壓迅速增長，標志著沉貫完成。②號樁的P-y曲線呈折線形，在沉貫量達到240 mm左右時出現拐點，此時，裙邊接觸到泥面，阻力增大，隨后維持直線繼續下沉，當負壓達到73.2 kPa時沉貫量基本不再增加，沉貫完成。③號和④號樁的P-y曲線呈階梯狀，在沉貫量達到180 mm時，裙邊接觸到泥面阻力增大，P-y曲線出現拐點，曲線出現平臺，隨后開啟裙桶頂負壓閥門，此時，P-y曲線出現另一個拐點，隨后P-y曲線以一定斜率繼續下沉。③號樁在負壓達到67.6 kPa時沉貫量基本不再增加，完成沉貫。④號樁在負壓達到72.9 kPa時，沉貫量基本不再增加，完成沉貫。

由圖可知，傳統吸力式基礎（①號）的P-y曲線無拐點，所需負壓（P）與沉貫量（y）呈線性關系。②號樁在裙邊下沉到泥面時出現了拐點，直線斜率變緩，繼續保持線性，整體呈折線形。③號和④號樁在裙邊下沉到泥面時同樣出現了拐點，但此時開啟裙頂負壓閥門采用“雙筒負壓法”沉貫后，P-y曲線再次出現拐點繼續下沉，形成“雙折線”。③號、④號樁P-y沉貫曲線形態基本一致，只是④號樁內壁增加了摩擦鍵，使得④號樁桶內摩擦力及樁端阻力有所增加，沉貫負壓高于③號樁，但正是摩擦鍵的作用，才使得④號樁的最終沉貫量大于③號樁。最大加載量、沉貫量結果及“土塞”高度如表2所示。

沉貫過程中，當最大吸力Q（負壓）、吸力式基礎的直徑、地基土的強度等條件一定時，吸力式基礎的沉貫力取決于壓力差作用的有效面積，如圖13所示，有效面積越大，即吸力Q覆蓋的面積越大，沉貫效應越大，最終沉貫量也越大。

由表2可知，①號樁的“土塞”高度最小，其次依次為④號、③號、②號。對比①號、②號樁，②號樁由于裙式吸力式基礎裙邊在沉貫過程中增加了沉貫阻力，使樁體后期沉貫速率降低、樁體主桶內滲流力作用時間增長，“土塞”增長時間長，“土塞”變高，最終導致沉貫量減小；對比②號、③號樁，③號樁降裙處理使裙邊盡早進入泥面，減小了滲流力作用時間，即減少了“土塞”增長時間，可有效降低“土塞”高度；另外，③號樁采用“雙筒負壓”沉貫，增大了負壓作用面積，進一步減少了“土塞”增長時間，加快了樁體沉貫速率，因此，“土塞”高度小于②號樁；對比③號、④號樁，在降裙的基礎上增加摩擦鍵，增加了樁體內表面摩擦力，有效抑制了“土塞”增長，“土塞”高度較小。

由上可知，相對于②號樁，③號、④號樁為低裙吸力式基礎且均采用雙筒負壓沉貫方式，提高了沉貫效率，減小了“土塞”增長時間，沉貫量增大；另外，④號樁的摩擦鍵有效抑制了“土塞”增長，提高樁體承載力。丁紅巖等[3，11]指出在吸力沉貫過程中，必須施加足夠的吸力以使吸力式基礎下沉，同時吸力也應控制在一定的范圍內，以使土體不致發生整體失穩破壞形成過大“土塞”，與文中試驗結果一致。建議在實際工程中采用新型低裙摩擦型吸力樁模型并采用“雙筒負壓法”沉貫方式以增加吸力式基礎沉貫量，在提高施工效率的同時提高吸力式基礎承載力。

2.2 沉貫阻力分析

根據靜力學平衡原理，吸力式基礎在沉貫過程中的沉貫阻力與沉貫效應相等。式（2）、式（5）適用于傳統吸力式基礎（不帶裙）負壓法沉貫過程中樁側摩阻力及端阻力計算，式（3）、式（6）適用于裙式吸力式基礎負壓法沉貫過程中樁側摩阻力及端阻力計算。

式中： 為沉貫阻力，kN； "為樁側摩阻力， kN； 為樁端阻力， kN； "為土的浮重度，kN/ ，取7 kN/ ； 為吸力式基礎主桶隨時間的沉貫量，m； 為吸力式基礎裙桶隨時間的沉貫量，m； 為被動土壓力系數， 為土的有效內摩擦角，文中取9°， =1.4； 為黏性土的有效黏聚力，kPa；文中取8 kPa； 為土與吸力式基礎之間的摩擦系數，通過有機玻璃與高嶺土接觸面的直剪試驗得到，取0.13；D1為吸力式基礎裙桶外直徑，m；D 為吸力式基礎裙桶內直徑，m；D2為吸力式基礎主桶外直徑，m；D 為吸力式基礎主桶內直徑，m； 為土的側壓力系數或靜止土壓力系數，文中取0.71； 為樁端部地基單位面積承載力，kPa；根據文獻[14]當樁端為平底時取 ，文中用S代替 ，由于試驗模型裙邊呈楔形，因此，①②③號樁取 ，④號樁因設置了摩擦鍵，約取 （ 取值見圖8）； 為裙端部地基單位面積承載力，kPa，文中約取 ； 為樁端部截面面積，m2； 為裙端部截面面積，m2。

在沉貫過程中，樁端主桶尖端由外向內傾斜，下沉過程中會向外擠土，使得樁體外側土壓力接近于被動土壓力，而樁體內部擠土效應并不明顯，由于向上的滲流力與摩擦力相互抵消，使樁體內部近似于靜止土壓力，因此，式（2）用被動土壓力計算摩阻力，式（3）用靜止土壓力。沉貫力計算公式如下，式（8）適用于單桶負壓法沉貫過程中吸力計算，式（9）適用于雙筒負壓法沉貫過程中吸力計算。

式中： 為沉貫吸力； 為樁體、部分管道、閥門、導向桿自重，kN；單筒吸力式基礎取0.03 kN，裙式吸力式基礎取0.06 kN； 為負壓荷載； 為主桶內實測負壓值； 為裙桶內實測負壓值。

將試驗測得相關參數及沉貫量、負壓值代入上述公式中，計算得出沉貫吸力、沉貫阻力隨沉貫量的變化曲線如圖14所示。

由靜力學平衡原理可知，在忽略慣性力等因素的情況下，沉貫阻力與沉貫力應相等或者接近。圖14中，所有吸力式基礎的沉貫阻力與沉貫力相對比較接近，沉貫阻力隨沉貫量的增加呈線性增加，相應地沉貫力也隨沉貫量增加而增大，但沉貫力與阻力之間存在一定的“差距”，這種“差距”隨著沉貫量的增加而增大，當樁體沉貫接近完成時，該“差距”進一步增大。

從能量守恒的角度來看，吸力式基礎沉貫過程中，沉貫力除了需克服沉貫阻力外，還需提供維持“土塞”增長所需的滲流力，沉貫力與沉貫阻力之間存在這種合理的“差距”。沉貫初期，“土塞”高度從零開始增長，沉貫量較小，滲流路徑較短，沉貫力與沉貫阻力比較接近；當沉貫接近完成時，“土塞”完全形成，樁頂阻礙“土塞”不再增長，阻力達到極限值，滲流路徑長度也增大至極限值，而負壓的增長不受限制，沉貫力與沉貫阻力之間的“差距”越來越大。

試驗發現，在沉貫過程中，沉貫力與沉貫阻力之間的“差距”越大沉貫速率越快，可貫性越好。傳統吸力式基礎（①號）的沉貫力及沉貫阻力隨沉貫量的增加呈線性增長，直至沉貫完成后沉貫力進一步增大；裙式吸力式基礎（②號、③號、④號）在沉貫過程中當裙邊接觸泥面時沉貫阻力均出現了拐點，沉貫阻力隨沉貫量呈折線形。對比裙式吸力式基礎②號、③號、④號的沉貫阻力拐點后曲線可知，②號樁的“差距”最小，其次為④號、⑤號。由此可知，傳統吸力式基礎（①號）的可貫性最好，其次分別為③號、④號、②號，說明雙筒負壓法可提高裙式吸力式基礎的可貫性。

由于沉貫量與吸力式基礎的承載能力成正相關，有效提高樁體沉貫量對于實際工程中吸力式基礎的安裝有重要意義。對比低裙吸力式基礎③號、④號的沉貫阻力曲線可知，雖然④號樁的可貫性相對于③號樁稍微遜色，但④號樁的沉貫量優于③號樁，從而證明摩擦鍵的設置可有效降低“土塞”高度，提高樁體承載力。

3 結 "論

1）吸力式基礎的“土塞”高度與沉貫時間正相關，沉貫時間越長，“土塞”的高度越高；在負壓一定的前提下，吸力式基礎的沉貫力取決于壓力差作用的有效面積，有效面積越大，沉貫速率越大，最終沉貫量也越大。因此，實際工程中應盡可能采用長徑比較小的樁，對于底裙吸力式基礎可采用“雙筒負壓法”安裝吸力式基礎以提高施工效率及承載力；

2）低裙吸力式基礎的裙邊能盡早進入泥面，減小滲流力的作用時間，可有效降低“土塞”高度，增加裙桶貫入量；

3）摩擦型吸力式基礎可貫性良好，能有效減小“土塞”效應，提高樁體承載力；

4）沉貫力除需克服沉貫阻力外，還需提供維持“土塞”增長所需的滲流力，因此沉貫力大于沉貫阻力。

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Ministry of Construction of the People’s Republic of China. Technical code for building pile foundations： JGJ 94—2008[S]. Beijing： China Architecture amp; Building Press， 2008. （in Chinese）

（編輯 "陳移峰）

doi： 10.11835/j.issn.1000-582X.2024.06.003

收稿日期：2023-03-09

基金項目：天津市技術創新引導專項（23YDTPJC00110）；中國電建市政建設集團有限公司2020年度重點項目（KHX2020-006）; 中國市政工程華北設計研究總院有限公司自立課題（2023-20-JIUY）。

Foundation：Supported by the Tianjin Technology Innovation Guidance Plan （23YDTPJC00110）， the Key Projects of STECOL Corporation in 2020 （KHX2020-006）， and Self-supporting Subject of North China Municipal Engineering Design and Research Institute Co.， Ltd. （2023-20-JIUY）.

作者簡介：柳曉科（1990—），碩士，工程師，主要從事海洋風電基礎研究及混凝土結構研究，（E-mail）atliuxiaoke@163.com。

通信作者：鹿群（1970—）男，教授，博士，（E-mail）zdlq585@126.com。