（水工结构工程专业论文）吸力锚施工对地基土性状影响的理论与试验研究.pdf

摘要 吸力锚是近二十年来应用于海洋工程有较好发展前景的基础形式。它可 以用来为船只提供系泊力，也可以作为海洋平台等建筑物的基础结构。由于 吸力锚施工简便，使用安全可靠，可实现异地复用等特点，与传统的桩结构 相比，具有更好的技术经济特性，因而很快得到了海洋工程界的广泛重视， 成为一种极可能取代传统桩结构的新型海上结构设施。所以，开发吸力锚的 各项工程功能对于加快海上结构物向着更加安全、经济、简捷、多用途、可 回收、施工简单的方向发展有着非常重要的现实意义，但是，由于缺乏工程 实际经验和海上施工作业所特有的隐蔽性，吸力锚的进一步推广尚需理论支 持和试验验证。 本文作为吸力锚工程功能开发项目的一个分支，主要研究吸力锚施工扰 动对海洋地基土体性状的影响。这是发挥吸力锚各项功能的重要一环。 本文得出了符合吸力锚施工过程中水动力变化的渗流理论，并结合传统 的桩基施工理论得出了符合吸力锚施工过程的桩基理论，结合以上两种理论， 本文从较为严格的桩土作用、土水作用机理出发，推导出了能准确反映吸力 锚内外土体性状变化的概念模型，并定性分析了在吸力锚施工过程中影响土 体性状变化的各种因素。 本文以模型试验来验证以上理论的正确性。得出了可靠、有效的试验数 据，试验较为准确的验证了上述理论。 依照本文得出的吸力锚施工扰动机理并结合模型试验，可以用来有效的 指导吸力锚海上施工进程。 关键词：吸力锚 扰动机理地基土性状 模型试验 a 辩s ，薹 r a c 零 s ai saf o u n d a t i o nf o r ma p p l i e di no c e a ne n g i n e e r i n gi nt h er e c e n t2 0 y e a r s 。i tp r o s p e c t sav e r yg o o df u t u r e ，i tc a r lb eu s e dt os u p p l ym o o r i n gf o r c e f o rt h es h i p s ，a n du s e da sa ni n f r a s t r u c t u r eo fs u c hb u i l d i n ga so f f s h o r e p l a t f o r m b e c a u s eo fi t ss i m p l ec o n s t r u c t i o n ，s a f e t ya n dr e l i a b i l i t yi nu s e ，a n d r e p e a t i n gu s ei nd i f f e r e n tp l a c e s ，s a ，a r et e c h n o l o g i c a l l ya n de c o n o m i c a l l y b e t t e rt h a nt r a d i t i o n a lp i l e d t h u si th a sg a i nw i d ea t t e n t i o na m o n go c e a n e n g i n e e r i n g ，a n dw i l tb ean e wo c e a ns t r u c t u r ea n dr e p l a c et r a d i t i o n a lp i l e d s t r u c t u r ei na l lp r o b a b i l i t y 。i ti sv i t a l l yo fp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et od e v e l o pa l l t h es a se n g i n e e r i n gf u n c t i o n sa n dm a k eo c e a ns t r u c t u r em o r ee c o n o m i c a l ， s a f e ，c o m p a c t ，m u t i l - u s e f u l ，a n dr e c y c l a b l e b u td u et o t h es h o r t a g eo f e n g i n e e r i n ge x p e r i e n c ea n dt h ec o n c e a l m e n to fo c e a nc o n s t r u c t i o n ，t h e o r e t i c a l s u p p o r ta n dt e s t , v e r i f i c a t i o ni sn e e d e df o rs a sf u r t h e rd e v e l o p m e n t a sab r a n c ho fd e v e l o p m e n tp r o g r a mo fs a se n g i n e e r i n gf u n c t i o n s ，t h e p a p e rf o c u s e so nt h ee f f e c to fs a sc o n s t r u c t i o nd i s t u r b a n c eo ns o i lp r o p e r t i e s o fo c e a nf o u n d a t i o n ，w h i c hi sa ni m p o r t a n tp a r tf o rs at op r o d u c ea l lt h e f u n c t i o n i nt h i sp a p e rt h et h e o r yo fs e e p a g ei sg a i n e d ，w h i c hi ss u i t e dt ot h ew a t e r d y n a m i cc h a n g e sd u r i n gt h es ac o n s t r u c t i o n t h et h e o r yo fp i l ef o u n d a t i o ni s a l s og a i n e df r o mt h ea b o v es e e p a g et h e o r yc o m b i n e dw i t ht h et r a d i t i o n a l t h e o r yo fp i l ef o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o n 。a n dt h e nan o t i o nm o d a l ，w h i c hc a n c o r r e c t l ye x p r e s sp r o p e r t yc h a n g e so fs o i l i n s i d ea n do u t s i d et h es a ，i s d e d u c e ds t r i c t l yf r o mt h em e c h a n i s mo ft h ep i l e s o i la n ds o i l w a t e ra c t i o n 。 f u r t h e r m o r ea l lt h ef a c t o r so fc h a n g eo fs o i lp r o p e r t i e sd u r i n gt h es a c o n s t r u c t i o na r eq u a l i t a t i v e l ya n a l y z e d t h ec r e d i b l ea n de f f e c t i v ed a t e sa r eo b t a i n e df r o mt h em o d e lt e s ta n dt h e a b o v et h e o r i e sa r er i g h tp r o v i d i n gb yt h et e s t c o n f i n e dw i t hm o d e lt e s t s t h ed i s t u r b a n c em e c h a n i s mo fs a c o n s t r u c t i o na c h i e v e di nt h i sp a p e rc a nb ee f f e c t i v e l yu s e da sg u i d a n c et ot h e o c e a nc o n s t r u c t i o np r o c e s so fs a k e yw o r d ： s a ，d i s t u r b a n c em e c h a n i s m ， s o i lp r o p e r t i e s ，m o d e lt e s t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，电不包含为获得叁盗盘鲎或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 ! 红 签字日期：矽。年 月即日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨凄盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权鑫洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者虢祀k 签字同期：阳1 ，年 月 和日 导师签名： 签字日期：r 妒1 年月 绷 第一章绪论 第一章绪论 1 1 吸力锚的工程背景及其结构特点 1 1 1 吸力锚的工程背景 海洋结构的基础型式有桩式和块体坐底式两种。海洋工程的广泛兴起与海 洋结构基础的发展息息相关，5 0 年代钢质桩的使用解决了海洋工程的大水平 承载力要求问题，从而使桩基导管架型平台得到了长足的发展；7 0 年代为从 油田开发的总体经济性考虑研制开发了重力式储油平台，并使重力式平台在北 海油田得以较广泛的应用。传统长桩基础导管架结构的优点是预制简易、适用 土质条件广，缺点是海上安装时间长、结构不能重复使用。重力式基础结构的 优点是兼储油和可搬迁，缺点是预制场地要求太高( 大水深、环境条件好的港 湾、适用土质条件窄( 地表土强度高) ) 。随着对油田开发经济性的日益提高， 安装迅速、简易并能搬迁自如的筒形基础便引起了广泛重视。1 9 8 0 年由s b m 公司设计的两套链式锚腿系泊装置的1 2 个吸力锚首次在北海丹麦海区的g o r m 油田中应用。1 9 8 9 年挪威国家石油公司开始研制开发筒形基础的导管架平台 并于1 9 9 4 年7 月在7 0 m 水深和2 7 m 百年一遇浪高的北海安装了e u r o p i p e 1 6 l l e 大型筒形基础的导管架平台。1 9 9 4 年7 月在我国渤海c f d l 一6 一l 油田 首次成功的安装了吸力锚作为延长测试油轮系泊的两点系泊锚( 图l 1 ) ，1 9 9 5 年6 月在j z 9 3 油田的浅水海区成功的安装了用于延长测试油轮系泊的两个双 筒式吸力锚，1 9 9 5 年1 1 月在j z 2 0 2 油田成功的安装了系泊油轮的1 个吸力 锚和“自强号”沉垫自升式平台的4 根吸力式阻滑桩，1 9 9 7 年4 月在渤海 q h d 3 6 4 油田又成功的安装了用于油田延长测试油轮系泊的两个吸力锚和“自 力号”沉垫自升式平台的4 根吸力式阻滑桩，同时，顺利实现了c d f 一6 一l 油田、 j z 9 3 油田和j z 2 0 2 油田工程完工后5 次锚的起拔回收工作。1 9 9 9 年9 月在 渤海j z 9 3 海域成功进行了由我国自行设计并建造的多筒吸力锚平台的安装 施工，2 0 0 1 年1 0 月在渤西海管线维修中使用的干式舱也是采用的筒形基础。 吸力锚具有广泛的用途：( 1 ) 作为锚泊系统。如单点( c a l m 、s t l 、s a l m 等) 系泊、半潜平台系泊、牵索平台的牵拉、船系泊、管线的固定与牵引：( 2 ) 作为 搬迁式沉垫平台的阻滑桩：( 3 ) 作为平台结构基础，如导管架平台和张力腿平台 ( t l p ) 的基础。 薅一章缝论 踅1 - 1 吸力链懿应惩 1 1 2 吸力锚的结构型式及施工特点 毅力镶莛一耱零l 弼窳压力将穗垂入主中耱弼淫短毽，它豹基本缝褥黧式是 一种上端封闭、下端开口的圆筒，并且在其顶部开有连接泵系统的水孔( 图 1 2 ) 。根据不同的用途和不同的地质条件，吸力锚会有不网的具体结构形式， 妇为逡应j z 9 - 3 地送的浅拳深、淡较下硬熬鼷特点礤锻了取篱式，羁榉除国 形羚逐可以是方形躐带有其艳耕寸加翼板等。 吸力锚的沉桩原理是：基础沉入水中，利用自重产生一定的初始贯入深度 的入混形成一个封闭的系统，使用泵系统抽吸筒内的水使筒内产生低于外部的 隶压，鞭矮麓内、豁瓣受匿差穆糖麓压入主孛。篱影基筏戆起控琢瑾楚：出姨 筒内抽水改为向简内注水，利用筒顶内、外的正压差将桩筒顶出泥面。 图1 - 2 吸力锚结构 z 第一章绪论 1 2 吸力锚在海洋工程中的进一步应用 1 2 1 吸力锚的基本功能 作为基础，通常的作用是对结构或装置起支撑作用，然而，吸力锚除了基 础所共有的这种在位作用外，还具有基础含义之外的功能，即沉拔、气浮及升 降等方面的功能。 1 、支撑功能 目前，海洋工程结构物基础有插入土中的长桩基础、坐于海地表面的坐底 基础。这两类基础的支撑机制明显不同，前者承载主要依赖于深层土的侧反力、 侧摩阻力及端头阻力，后者承载主要依赖于表层土的表摩阻力及端头阻力。吸 力锚在基础构造上可以分解为坐于海地表面的刚性表盘加周边裙板，它的承载 力主要依赖于表层及中层土的侧反力、端剪力、端头阻力。吸力锚兼有长桩基 础与坐底基础的特点，合理设计吸力锚结构可以取得类似于桩基础的可靠的承 载性能。 2 、沉拔功能 吸力锚的沉拔功能，即简形基础不同于长桩基础，可以经济便捷的下沉及 拔出，由此实现结构的整体迁移。这一功能来源于筒形基础的施工采用水力方 法施工，即采用水泵对筒形基础简体内抽、注水使得筒形基础负压下沉( 或贯 入) 、正压拔出( 或顶起) 。其机理为：筒形基础在端口与土体构成密封的前提 下，由水泵产生项部圆盘上、下表面的压力差，形成作用于圆盘的推拉力，推 拉筒壁( 或裙板) 插入或从土中拔出。筒形基础的沉拔功能明显体现出技术上 便捷易行、费用上经济节约。 3 、气浮功能 结构要实现在水中漂浮，必须具有支撑结构重量的浮力，浮力即为结构排 开部分水体的重量。通常，结构沉放水中过程，结构外轮廓曲面将水体推排， 水压力作用于结构外轮廓曲面上，作用于结构外轮廓曲面上的水压力总和也就 是由水压力作用的结构外轮廓曲面( 外湿面) 与水平面组成实体的容积的水重， 这就是浮力。为方便区分，将此类浮体定义为实浮体。 然而，简形基础的漂浮机理却不同，倒杯形的筒体进入水中，杯内可以滞 留气体。在水平面下的水体被气体及简壁排开。气体及简壁排丌水体后，水体 对气体及筒壁施加水压力，这些水压力的总和为排开水体的重量，即作用于气 体及结构上的浮力。这种浮体定义为气浮体。区别于上述的实浮体，水压力作 用的边界不会是固体边界，而有气体边界，气体边界具有很好的弹性，因此气 浮体具有受气弹性影响的性质。 第一章绪论 缀此，篱形蒸燃结梅具有对篱体痰充注气实现叁浮功能，鄹气浮功能。气 浮功熊可使篱形瑟础结构免予侵瘸驳虢托遮，同辩可通避充、放气量控翩篱体 升沉的吃水深度以及减小吊装筒形基础结构的吊力。 4 、升降功能 啜力镶在中矮入与接受类强于滚垂瓤。滚压蕃王鹣 霉张与狡缭为矮餐密封 条件的缸体与缸鬻在液压推动下的运动，筒形基础在士中的插入与于由出为具备 密封祭件的筒体与筒内土塞和筒外土体在筒内外压差作用下的运动。筒形基础 豹这莘申舞降运动，除克服自身逡动所震的麓蹙摩阻力赞，还可提供一定量豹拳 舞与下压力，力酶大小与篱体尺寸、土质条件及求深条 警有关。采弼褥形基础 的举升与下压能力可对所施物体进行升降作业。如升降平台甲板及提升海底管 线等。 1 2 2 筒形基础气水项升平台概念的提出 麓形基础气水顶丹平台是集浮运与安袋子一体的平台，开发麓彤基础气 永顶辩平台的鑫的楚既有鸯升成平台静叁浮及鸯舞功能，又有柱基静承载能力 和不限于自升式平台自浮甲板型式的多种级块型式。 筒彤基础气水顶升平台是旗子筒形基础的基本功能提出的一种新型自安 装式警套( s e l fi n s t a l l a t i o ns t r u c t u r e 。这静平台魄送鬻夔鑫秀式乎台吴 有更高的基础承载能力以及更加简化的升降系统。这种平台，大大简化了海洋 结构的海洋施工及搬迁工序，由此可以大幅度的节约海上施工作业赞用。 l 、不再需要驳船及大型浮昂一一充分列用麓形基荟斑憋气浮功能。传统的 海洋工程的海上藏工概念，蓉麓离不开太黧的海上安装麓其、装备，这些大登 船只、装备租借费用昂贵，且秘海上施工费用中占据了绝大部分，筒形基础的 气浮功能可实现平台的气浮托航，不需要驳船，并且安旋过程不再需耍大型浮 爱。 2 、不再需要液压装置充分利用筒形基础的升降功能。传统的海洋结 构的现场安装，下部结构与上部组块一般都是分步安装，而利用筒形旗础的升 降功熊，可以实现平台结构的熬体安装。 3 、不再需要抒桩装置一一究分利露麓形萋稿翡沉蔽功能。在强麓的海洋 工程锚构中，采用煅多的是桩熬础，因此，霞装桩基础就需要大的吊装与打桩 装备。而利用筒形熬础的沉拔功能，可基本实现平台的囱安装，避兔使髑大型 豹努撼设备。 第一章绪论 1 2 3 筒形基础气水顶升平台的试验研究 为了进一步验证筒形基础气水顶升平台在实际工程中的实用性，为这种平 台的进一步推广提供更为严密详实的试验资料，在渤海海区进行了我国第一次 筒形基础气水顶升平台的试验研究。 平台采用六个吸力锚作为基础，吸力锚尺寸为4 5 0 0 m m 2 5 0 0 m m ，上部甲 板尺寸为1 3 0 0 0 m m x 4 5 0 0 m m x1 0 0 0 m m 。试验中主要测试平台的浮稳性、平台安 装过程中的锚内外压力和土侧压力、结构重心等数据。 试验较为成功的取得了所需的数据，吸力锚的各项功能发挥良好，平台具 有较好的实用性和安全性，为进一步向实际工程推广应用打下了基础。 1 2 4 试验引发的主要研究课题 试验中，主要发现如下问题需要在理论上和试验中加以验证： l 、安装场所和组块结构。海上结构物一般要求较高的安装场地，大水深， 场地宽阔，各组块结构要求严格。 2 、拖航稳性分析。由于平台在结构上较为复杂，在实施海上拖航时需要 进行拖航稳性分析。 3 、平台使用时的安全性。主要是桩基础的承载能力，抗滑能力，以及在 风、浪、流、冰等荷载作用下的结构的安全性。 4 、桩土作用的机理以及施工对地基土体的扰动。这一研究在发挥吸力式 筒性基础的沉拔功能时尤为重要。 本文主要就是为了解决研究课题的第四部分。 1 3 本研究的意义及可能性 1 3 1 本研究的意义 由于地基土体发生扰动将直接或是间接改变吸力锚的承载能力、抗滑能 力，因此开展吸力锚施工过程对土体扰动进而改变地基土性状的研究是非常有 必要的，这种研究的意义主要表现在两个方面。 一方面，将加快吸力锚在海洋工程中的应用。吸力锚虽然有许多的优点与 特点，但这些优点在实际工程中发挥作用的还很有限，主要是缺乏工程实际经 验和理论支持，因此，从理论上验证吸力锚这些优点时非常有必要的，这是推 广吸力锚在海洋工程中应用，最大限度的发挥其各项功能的基本前提。 第一章绪论 另一方面，开展吸力锚施工过程对地基土性状的研究还将加快海洋土力学 的理论进展。海洋土力学作为土力学的一个分支，尚处于不断发展完善阶段， 其理论尚不完备，很多还只是处于从大量的实践经验得出理论认识的阶段，因 此，对海洋地基土受到扰动后性状的研究有利于推动海洋土力学的进展。目前， 人们已经注意到海洋工程施工对地基土的影响，但由于缺乏对施工扰动机理问 题的研究，有些问题尚处于经验阶段，因此，该问题的研究也必将促进人们对 海洋工程施工对环境病害及其防治问题的认识与深化，为解决海洋岩土环境问 题提供一点帮助。 1 3 2 国内外对该问题的研究现状 由于吸力锚是一项较新的工程技术，工程实践较少，加之吸力锚施工所特 有的隐蔽性，人们对吸力锚施工对地基土性状的影响的研究尚缺少基本的理论 储备。 但在与此研究相关的两个方面的研究上已经有了较为系统的理论认识：一 个是桩基理论。桩基础理论的研究在很早之前就已经展开了，到目前为止，已 经较为完备，更重要的是，打桩时的抗剪强度效应在三十年前就已经研究，并 有了一定的理论成果。吸力锚作为一种特殊的桩基础，在与传统的桩基础有很 大区分的同时，也有许多的共同点，传统的桩基础理论为研究本课题提供了参 考。 另一个是渗流理论。吸力锚的施工就是利用锚体内外压差实现沉锚与起 锚。由于内外压差的存在，渗流在这个过程中就发挥了非常重要的作用，对吸 力锚施工过程中渗流力对土体应力状态的影响将非常有利于研究本课题。自从 达西定律被工程界广泛认可以来，渗流理论已经取得了重大进展。目前，已经 形成了较为完备的渗流理论，这也将有利于本课题的研究。 国外吸力锚应用较早，在吸力锚的工程实践方面，已经积累了很多有益的 经验，对吸力锚的承载力、抗滑能力等方面的研究已经基本成型 3 8 】【3 9 】 4 0 ， 随着吸力锚的进一步应用，有些新理论也逐渐被提出。 国内方面，天津大学与天津海王星公司【2 8 】、1 2 9 1 1 3 2 1 合作，从九十年代以来， 一直对吸力锚进行各个方面的研究。在理论方面，已经形成了较为系统的理论 研究成果，这些成果包括：吸力锚及以其作为基础的平台的气浮拖航和海上安 装测试，结构最优化设计和安全论证，吸力锚各项工程功能的开发，并已经形 成了一系列的研究成果；在实践方面，成功的将吸力锚在我国渤海、南海海域 推广应用。多年的工程实践使得许多方面的理论成果和实际经验都处于国内国 际领先水平。 第一章绪论 麸上述可知，吸力锚终为一季孛薪型静援基础，在理谂磷究方面还较缺乏， 茏其蕊对吸力锈藏工对海洋主环凌静影酶，国内外滏藤窝白，僵也废浚看到， 在许夥方面的理论研究工作已经为开展这工员研究奠定了定的理论旗础。 总之，在目前的实践和理论基础上，深入揭示吸力锚施工过程对她基土体 熬魏麓攫理是霹麓豹。 1 4 本文所做的工作 1 4 1 瑾论方蕊 考虑到渗流在吸力锚整个施工过程中发撵的重要作用，本文将建立适合于 蔽力镶麓工过稷豹渗滚理论，弱涎，蔽力镶作为一穆特绦懿捱基鬣，本文穆缝 合传统的桩基础理论，提出适含于吸力锚的桩基理论。 结合土的本构模型，综合以t 两种理论，本文将提出一种适应于由于吸力 锚施工产生体拨动进嚣对魄然性炊产生影嗡豹毂念摸型，铡弼这令摸型憋 使褥瓣工入员对啜力锚施工遥耩中各个区城瓣遗基键状驰变亿舂一个基本 认识，从而指导施工过程的顺利进行，为吸力锚的安全运行提供参考。 得出在吸力锚施工过程中影响地基土体性状变化的因素，并定性的分析这 些因素与基醢魏秘程度之蘑煞饕系。 1 4 2 试验方面 淹了验证本文鹣研究内容，烫为直既的了解由于吸力锚旋工露引粒的逸基 土性状变化，用最为基本的数据朱验证理论概念模型的正确性，在室外进行了 一系列吸力锚沉起锚试验，整个试验过程经历了方案设计、设备采制、模型制 终、试验矮麓奄、室内豢窳主参数试验、疆场试验黧数爨分板整瑗等验毅。 试验选用了两种型式的吸力锚，分别在不同的土质条件下进行了两组试 验，共四次试验。 试验基本达到了颈期鹩要求，试验数据基本验汪了本文提出豹毂念模型豹 正确瞧，初步揭示了在啜力镶施工过程中吸力锚型式、沉越锚速度与撼基土往 状变化之间的关系。 本文还对模型试验过程中本身可能存在的问题提出了自己的看法，并建议 了稳应瓣改进撵旋。 本文最后，就理论成果和试验结果述行了对照分析，得出了相应的结论。 第二章吸力锚施工对地基士的扰动机理分析 第二章吸力锚施工对地基土的扰动机理分析 在研究吸力锚的施工对土体扰动机理之前必须正确认识吸力锚的施工过 程。 如前所述，吸力锚的主要特点在于它特殊的沉起锚方法，而这种方法是依 靠主动形成的锚体内、外水压差实现的。伴随着由此造成的土中动水应力场的 出现和变化，沉起锚的过程得以进行，而在锚体内部产生的各种不同的、有利 或不利的影响。正确认识和控制这一水动力过程，对有效而可靠地实现沉起锚 目标具有十分重要的意义。 与负压沉贯过程和正压顶起过程伴生的锚体内、外土体中的渗流对沉起锚 过程有着直接的、重要的影响。国内外的大量工程实践表明，一方面，渗流会 在相当大的程度上降低沉起锚阻力。与此同时，渗流又会限制沉起锚力。因此， 研究吸力锚的施工过程对地基土体的扰动机理，就有必要研究由吸力锚施工过 程而伴生的土体中的渗流。 吸力锚的施工过程，除了沉起锚原理之外，其它几点都有类似于传统的桩 基础施工之处。沉锚过程类似于打桩过程，起锚过程类似于拔桩过程，因此， 在吸力锚旌工过程中造成的地基土扰动也必有类似于传统桩基础施工对土层 的扰动之处。在传统的桩基础理论中，关于打桩时的应力变化，打桩引起的抗 剪强度效应，打桩引起的孔隙水压力，打桩引起的地面隆起，拔桩时的应力、 孔隙水变化等多个方面已有研究，并已形成较完备的理论，因此，传统的桩基 础理论也有助于研究吸力锚施工过程对地基土的扰动机理分析。 基于以上的两种理论，结合土的本构模型，利用应力变化过程对土的物理 力学性质的影响这一重要理论，本章将导出这一扰动机理。 2 1 吸力锚施工对地基土性状的影响 2 1 1 吸力锚施工对地基土性状的影响 众所周知，土体受到外界环境力的作用，土颗粒受环境变化影响，将发生 不同程度的移位、翻转，颗粒之间的结构形式也将发生改变，这种改变在微观 上表现为颗粒之间间隙的增大或是减小，颗粒之阃孑l 隙水的增规或是减少，颗 粒之间相对位置的变化等。在宏观上则表现为土体的压密或膨胀，土体外观的 变形，孔隙水压力的变化等。 土的扰动或扰动土( d i s t u r b e ds o i l ) 多是针对原状土( u n d i s t u r b e ds o i l ) 而 第二牵薮力锤施王对堆基豹撬动视瑾分撰 言，大体是指由于外界机械作用燎成的土的艨力释放，体积、含水量或孔隙水 压力的变化，特别是土体结构或缎构的破坏和变化( 如堆石坝、填土路熬等) 。 蔽力疆施工瑟主体豹撬凄粼袭褒荛锤露辩主体熬按压霹检动，秘簸与露 载，孔隙水压的上升与下降所引起的土性的交舜、地表隆超与下沉等。在软土 地层中，吸力锚的压入与顶起，由于锚体位置彩属软弱的粘性土，土的强庶低， 含承量离，灵敏度大，压缩瞧大，势具寿较大蛉滚变蛙，龙以淤泥质糙为芸。 这类土体稍经抗动就会使土体的力学参数发生很大变化，显长期引超固缩或次 固结沉降，因此，在软粘土中施工吸力锚对土体产生的扰动尤为明显，内于这 种扰动而伴生的地基土性状的变化睦非常显蓉。 2 1 2 土体扰动对吸力锚工程应用的影响 吸力镶之所以在海洋工程中受到越来越多的青瞻，除了蒸本身施工= ：| 二艺篾 单，对主旗适应住好，造价羝麋之外，最为耋瑟的一点在予其安全往。资籽表 明，吸力锚在承受横向荷载、竖向荷载、水平滑移方面，都有其它桩基石出无可 比拟的蕊，这就怒，更好的抗滑能力，更大的承载力。 表2 一l 篝形墓礁每耱统桩基磁工程功篷懿撰凌对毙 基础 承载类别 侧摩端头吸附 坝1 j 殷表摩端剪 备注 类型阻力阻力力力阻力力 长礁 水平 大 垂抗匿大较大 基础 向抗拔大 坐底 水平 小大 霞 魏莲 ，j 、 大 基礁 向抗拔小大 筒形 水平大较大 藿获压大大 基醚 向 抗拔 大大 但魑，作为吸力锚的施工过稔，尤其是在利用其项升功能时，对地熬士体 的扰动，龆很有可能降低这些能力。甚至可能遗成整个施工过程的失败，戏是 为以后平台静安全运行壤下不可撬圈静戆悫。疑淼困在予：镰髂在麓工逡稷中， 对土体产生扰动，扰动的结果就怒使地基土性状发生改变。主要表现在抗剪强 度、含水艇、渗透系数等方面的变化，这些变化在短时间内无法得到恢复，而 吸力镶熬藏瀑戆力、承羧麓力与体的这些貔壤力学参鼗惑感狸关：莱惩a p i 法计算软粘土单位黼积的极限水平抗力如下式所示 第二章吸力锚施工对地基土的扰动机理分析 扛地。叫x + 等 “x 。， i p 。= 9 c 。 z 工， 式中涉及到c 。( 不排水抗剪强度) 和y ( 土的浮容重) 两个基本土参数。土 2 1 3 土体扰动的变化过程 对比于受到扰动土体的是原状土体。( 在土工试验中，“原状”一词经常让 人误解，实际上原状土样是指受到扰动极小的土样。) 土体受到扰动，对比于 原状土体而言，土体的基本的矿物成分没有改变，并且没有被别的土层或被化 学变化所损坏，只是结构受到扰动，换言之，土体受到扰动，改变的是它的物 理力学性质，其基本的组成成分并没有改变。 土体受到扰动的变化过程可以表示为： ( 1 ) 应力状态的变化 ( 2 ) 土结构的扰动 从这个过程可以看出，土体受到扰动的根源在于应力状态的变化，也就是 说，应力状态发生改变是使扰动后土体物理力学参数发生变化的源头，因此， 在以后的论述中，本文将从这一源头出发，先分析沉起锚过程中土体的应力状 态的变化，从而得出地基土体的性状的改变，最终得出土体受到扰动的机理。 2 2 吸力锚施工过程中的渗流 2 2 1 渗流特性、达西定律 水或其它流体在岩土等孔隙介质中的流动，可以统称为渗流，其流动性质 则决定于作为渗流骨架的岩土的性质与其中流体的性质。由于土的孔隙大小、 形状及分布异常复杂，很难用孔隙形态表征其渗透性，也不易像地表水那样寻 求水流特点的真实流速，所以常用平均概念和综合性参数代表其渗流性质。 土的有关性质，由于条件和生成过程的多变性，往往是不均匀的，多为松 散的粒状组合，因而属于互相连通的多孔介质，所以在渗流问题中经常引用颗 粒分布曲线、孔隙率等概念来描述土的组成和结构，从颗分曲线可看出土的类 别，并可了解不同粒径成分各占的比例。d 6 0 d o 称为不均匀系数，是评价土 第二章疆力镟施工薄建基 蟛撬动祝理分聿嚣 的粒径分布状况的一项重要指标。其中比。及d l o 均表示特征粒径，分别表示 小予该寒径鲍耋蛊总重的6 0 及1 0 。 孔隙率及容重，表示土的密实程度，特别是孔隙率对渗透性及稳定性起着 重要的作用，它定义为土中孔隙体积与整个土体积之比，即： 致， 拜寸 ( 2 - 2 ) 它与孔隙比e ( 孔隙体积与固相士粒体积之比) 之间的关系为： 譬= 一戢理= _ ( 2 - 3 ) l 一摊 + e 、。 孔隙率不仅与颗粒性状有关，而且与土的受压沉积等形成过程有关，一 般天然土多为根= 0 3 0 6 ，淀炭土的孔隙事赢达0 ，6 o 8 。对予糕细混台 秘，孔潆率与不均匀系数有密切关系。 因为充填孔隙中的水，包括自由流动的熏力水、吸潜水、薄膜水( 或称 强、弱结合水) 及纛管水等，而艇还有水气和气泡的存在，所以真正作为流动 鼓手l 骧必然壤枣，我弼楚这秘麓侥本滚动翡琵熬稳为毒效孑l 藩。羞戳公式表示 有效孔隙率心的概念，则为渗i j f c 有效孔隙体积与土体积之比 铲等 治t ) 上式所表示的内部渗流有效孔隙，还没有测定方法，常用谯蘑力作用下自由排 出水的体积圪。来近似代替它。 以w 表示含水缀，即士体中承重( y w ) 与干土羹( 乃矿) 的比值： w=警100v 5 ) 。九 “ 另一个参数为土体中水所占的体积与全部孔隙体积的比值称为饱和度s ，； 弘等= 号蜘( 2 - 6 ) 挖 ， 饱和度与渗透性密切相关，因为气泡存猩能使渗水的孔隙体积减小，并 增加对渗透的阻力。 、 奁蘩壹霪警中装砂豹渗透试验( 圈2 - 1 ) 裘鞠，渗滚螫秘与断瑟瑟獠a 残 第二章吸力锚施工对地基土的扰动机理分析 正比，并正比于水头损失( 矗l 一向2 ) ，反比于渗径长度l ，引入一个决定于土粒 结构和流体性质的常数k 时，则达西定律可写为： q = a k 掣 ， 或 n d v ：号：一七搴柏 ( 2 - 8 ) 爿出 7 s f d z 图2 1 渗透试验 1 ，为断面a 上的平均流速，或称达西流速；j 为渗透坡降，即沿流程s 的水头 损失率；k 为渗透系数；h 为测压管水头，它是压力水头与位置高度之和，即 矗= + z ( 2 - 9 ) y 达西定律中的流速是指全断面上的平均流速v ，它与断面l ：i l 隙中的平均 流速v 的关系应为 v = ”v 或v 1 = 兰 ( 21 0 ) ，2 式中，n 为体积孔隙率，严格说应为某断面上的面积孔隙率，因为各断面上的 孔隙率平均值与体积孔隙率甚为接近，所以就简化了问题。 可知渗透系数具有流速的尺度( l t ) 。由于土粒结构复杂，不能用一个计 算公式来表达，所以在工程实践中常依赖取样在室内试验或在现场进行原位试 验或抽注水试验来测定。 第二章吸力锚施工对地基土的扰动机理分析 表2 - 2 各种土的孔隙率及渗透系数 土类孔隙率n 有效孔隙率 ， 渗透系数k ( c m s ) 砂质砾 o 2 5 0 3 5o 2 0 o 2 53 1 0 5 x 1 0 1 砾质砂 o 2 8 0 3 5o 1 5 0 2 01 1 0 2 x 1 0 1 中砂o 3 1 o 3 8 o 1 0 0 】5 4 1 0 l 1 0 2 粉砂o 3 3 0 4 00 0 8 0 1 22 1 02 l 1 0 5 砂壤土 o 3 5 0 4 5o 0 5 0 1 05 l o 、1 1 0 1 粘壤土 0 4 0 o 5 5o 0 3 0 0 8 5 1 0 l x l 0 “ 粘土o 4 5 0 6 50 0 2 o 0 51 0 6 达西定律只能适用于线性阻力关系的层流运动，因而受一定的水力条件的 限制，作为达西定律上限的临界雷诺数尺。约在i l0 之间，则终止于粘 土中微小流速的渗流。一般粘性土中的渗透，只有在较大的水力坡降作用下突 破结合水的堵塞才开始发生渗流，存在一个起始坡降的问题。密实粘土的起始 坡降可达2 0 3 0 以上。需要指出的是，对于粘土中渗透的起始坡降问题，认 识并不一致，1 9 7 6 年在基辅召开的国际第三届渗流问题讨论会就认为粘土渗 流过程可按达西定律确定，没有起始坡降的问题。 2 2 2 吸力锚施工时的渗流力 这里说的渗流力是指在渗流流场中由动水压力所形成的作用在土颗粒或 土骨架上的力，是造成锚体内土体有效应力改变，以至土体失稳的主要外力。 作用在图( 2 - 2 ) 中处于稳定渗流中的土柱，的孔隙水上的平衡力系由以 下各分量组成( 以向上为正) ： 图2 - 2 渗流力 作用在土柱上、下表面孔隙水上的压力差y 。( 向i h ) a n ，其中，y 。为 第二章吸力锚施工对地基土的扰动机理分析 水的密度，胛为土的孔隙率，即土中孔隙体积与土的总体积之比： 孔隙水自重一九a n ； 土颗粒的渗流阻力，即渗流力的反力，发单位土体土颗粒的渗流阻力为 一厂，土柱范围总的渗流阻力为一倒： 作用在土柱上、下表面土颗粒上的压力差y 。( 厶一h ) a ( 1 一门) ： 土颗粒浮力的反力一y 。a ( 1 一阳) ； 忽略渗流的惯性力，并考虑h = h ：一，有 f - - y , ( 半h 。f ( 2 - 1 1 ) f 即为单位土体上的渗流力，它是体积力，其作用方向沿流线切线方向，i 为 渗流水力坡降。 2 2 3 吸力锚旋工过程中渗流力对地基土应力状态的影响 吸力锚施工时，在沉锚开始阶段，吸力锚在浮重的作用下沉入土中一定的 深度，此时，在锚内施加吸力，吸力产生的渗流从锚外的自由海底向下绕过底 缘再向上流入筒内。筒外土体中的渗流向下，产生的附加水压力将增大土的有 效应力；相反，筒内的渗流向上，减小了筒内土体的有效应力，当筒内的负压 足够高时，渗流产生的很大的向上力致使有效应力变为零。在起锚时，渗流对 筒内外的土体的作用力与沉锚过程相反，在锚内施加正压力，正压力产生的渗 流从筒内绕过底缘再向上流出到锚外的自由海底面。简外土体中的渗流向上， 产生的附加水压力将减小土的有效应力；简内的渗流向下，使筒内土体的有效 应力一定程度上得到恢复，其恢复程度视正压力的大小和作用时间而定( 但正 压力的大小与作用时间是互相矛盾的：对同一锚体而言，在一定的土质条件下， 正压力越大，作用时间越短) 。一般情况下，简内土体经历一次沉起锚之后， 其强度会有一定程度的削弱。 伴随着吸力锚的沉起锚的进行，上述两个过程也重复进行，筒内外的土体 的应力状态也相应的发生改变。 吸力锚的施工过程同时就是渗流力对筒内外土体施加作用力，进而改变地 基土体应力状态的过程。 第二章吸力锚施工对地基土的扰动机理分析 2 。3 吸力锈旋王时豹楗按压效应 传统的非排土桩具有施工速度快、造价低及对环境污染小等优点，现已被 大量的应用于桩然工程中，然瓶由于麓工避程中非排土濑素，使得在成桩过程 孛辍瓣桩蕊土俸豹挠匿撬动会攀l 起穰大静揍歪应力移怒藐藩东压力，桩主按莲 应力及孔隙水压力的产生必然会对桩周士体产生极大的扰动，从而弱化其力学 性状，进而影响剿桩基承载力。 壤力锚捷工砖传统桩基撼工类似之处在子都属予黪搂桩，因鼗，藏工过 程同样会引超对桩周体盼挤隘扰动，这种扰动会因为吸力锚旋工过程是一个 连续的渐变过程和吸力锚本身的结构型式厮显得不如传统桩基施工那么明显， 但怒，当吸力锚农地基土中进行几次的沉、拔时，这种影响同样悬嶷著的。 2 3 1 传统桩基旋工时的桩土挤压效应 传统豹桩基撼工对豹桩土按压效应主要表现在以下几个方嚣： ( 1 ) 打桩露的疲力 当桩锤锤击械时，其应力沿着桩身开始以声速进行传播，它的最大强度主 要取决于桩锤的镶击速度。 2 ) 菸柱嚣夔拣舞强凄效黩 桩基施工时，自桩侧面外至少l 2 倍桩径的区域内的土受到部分重塑， 由此丽引起的高孔隙水压力可能达到或甚鬣局部超过了总的覆盖压力。高孔隙 承瑟力豹产生秽戆按剪强瘦的减少是必然联系静。对台有落砂屡袋簿耪砂层 静软粘土特别霄彩响，抗剪强度一般可减少5 0 ，在霞祷的稳定性计算中，考 虑械熬施工影响时，一般将抗剪强度减少2 0 3 0 。因为桩基施工时土中高 的水力梯度和在桩周围可能形成的径向裂缝，所以打桩厝的再囿结所引起的土 豹莰夔强疫蘧热一般会缓浃笈爱，焉在棱表甏楚敬最终撬赘强度遥鬻蔼予糕 中的初始抗剪强度。 现场十字板试验测定桩熬施工时抗剪强度降低和后来随着时间抗剪强度 提离表明，在棱努外l 2 倍摭经豹区域内挠剪强凄薅低了，在这个区域痰土 体不能恢复到韧始抗剪强凄。对某些超灵敏发的粘土，打桩时重鏊后的抗剪强 度能够低到使粘土沿着桩身向上流动，并会溢到地表丽上。 ( 3 ) 打桩引起的孔隙水压力 抒壤弓l 起懿手l 羧承压力一般遮羞夔抗薹霉强囊匏臻麴蠢氆燕，醚着援距熬 减少而增加。分析和量测结暴表明桩身表面处的孔隙水膳力可能很商，以致打 桩时会发生水力劈裂和打桩周围产生一组径向裂缝。当械周孔隙水压力相当于 第二章吸力锚施：对地基_ 。：的扰动机理分析 中懿窃始测囊鸯效应力时，缀囱裂缝载会潮合。北螽，我骧东压力敬滔敷裁 会变侵，排水主鬻楚离开柱朝径向流动。 ( 4 ) 打桩引起的地面隆起 打桩可能引起较大的地面隧起，特别在桩距很小和桩长很大时尤其如此。 努桩会蹭热主中的铡蠢丞力。应力罐燕绣取凌懿主簧鬻素畜：瘸浮毪模量 e 及泊松比v 表示的土的压缩性以及土的抗剪强度。 2 。3 。2 吸力镶施工麓的穰主挤压效疲 吸力锚的施工与传统的桩熬施工在原理上有很大不同，但因为其与大多数 豹传统毒窿基一样，部兔菲撼摭，因此，棱主俸惩的基本藤理在一定程菠土是 可遥瘸的。吸力锚的施工过程，锚壁挤压体，同样会产囊挤压应力霸离孔陈 水压力，也同样会引起锚壁周羽地基土体强度的降低，其施工过程也会引起 土体抗剪强度的减小，弱化土的物理力学性质，其不周之处在于： 麓结鞫羹式瓣言，蔽力镶麴孛空结稳德与传统筑攘鏊瓣实心髂结构嚣嗣 很大，真正挤压士体的只有桩藏的有限空间，因此，桩周围受扰动土体的范围 也很有限。 放以上嚣点可以看出，吸力锚豹施工工慧与传统穰熬存在不同，毽是，在 认清这些不同赢静基础上，可以得出：桩土之闻的力学模墅，桩挤聪效应的 基本机理是可以通用的。 综合以上几点，我们可以褥到吸力锚施工时的桩士拱压效应：吸力锚施工 霹，毒裹壁按压主钵会雩 超孔骧拳压力豹秀寒，产生较衰弱缓按压应力，毽茬 周土体的重塑范围仅与桩壁厚有关，而与桩径没有誊接的关系。 2 4 吸力锚施王对地基土体鳇扰动机理 吸力锚施工时，出于渗流力和桩土挤压威力的存在会引起地基土体应力状 态的改变，二匕体应力状态改变会进而影响其力学性质。用应力路径法分析土体 第二章吸力锚施工对地基十的扰动机理分析 的应力状态，进而可以定性的分析土体的物理力学性质的改变。 2 4 1 应力路径 土体内一点的应力状态可以用三个主应力o - 、o 2 和0 3 表示。以三个主 应力为坐标轴构成一个直角坐标系，叫应力空间。这个空间内的一点有三个坐 标值，代表了某种应力状态。图2 4 中的一点代表了应力状态o - 】。、盯2 _ 和3 ， 而b 点代表了应力状态口l 口、2 b 和o - 3 口。设土体中一点的应力状态如应力 空间的爿点所示，受力后变化到b 点。从爿到b ，可以有各种方式，如盯。、 仃2 和盯3 按比例增加；或初期3 增加得多，l 和盯2s f l l j l l , n - # ，而后期反过 来；或者其他加荷方式。对于一种加荷方式，代表应力状态的点将从爿沿某 种轨迹移动到口，加荷过程中，应力空间内代表应力状态的点所移动的轨迹， 叫应力路径。不同的加荷方式可以用不同的应力路径来表示。以三轴试验为例， 如果保持c r 3 不变，逐渐增加盯，这个应力变化过程可以用一系列