斜壁桶形基礎水平承載力計算方法

劉金龍+陳陸望+王吉利+汪東林

摘要：基于斜壁桶形基礎的空間受力狀態和基本假定，利用極限平衡法推導得到了斜壁桶形基礎的水平承載力表達式，并與模型試驗結果進行對比，驗證了該計算方法的可靠性。通過變動參數，分別探討了桶壁傾角、地基反力比例系數、桶基頂部直徑、桶基高徑比、水平力作用點高度等水平承載力的影響及相對敏感性。計算表明斜壁桶形基礎的水平承載力隨著桶壁傾角的增大而急劇增大。研究結果有助于對傳統桶形基礎進行優化設計。

關鍵詞：斜壁桶形基礎；水平承載力；極限平衡；傾角

中圖分類號：P754 文獻標識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）04-0123-06

Abstract：Based on the three-dimensional stress state and some assumptions of the tapered bucket foundation，we used the limit equilibrium method to obtain the calculation formula of horizontal bearing capacity of tapered bucket foundation，and compared the results with the model test results，and thus validated the reliability of the formula.Through varying different parameters，we analyzed the influence of the obliquity of bucket wall，proportionality coefficient of soil resistance，top diameter of bucket foundation，height-diameter ratio of bucket foundation，and height of acting point on the value of horizontal bearing capacity of tapered bucket foundation.It was found that the horizontal bearing capacity increased rapidly as the obliquity of bucket wall increased.The results of this research are helpful to the optimization design of traditional bucket foundation.

Key words：tapered bucket foundation；horizontal bearing capacity；limit equilibrium method；obliquity

桶形基礎是一種特殊的基礎形式，其上部封閉、底部開口，因像倒扣在土中的圓桶而得名。這種基礎在安裝時，借助桶中抽真空形成的負壓把圓桶貫入土中，因而也稱負壓桶形基礎或吸力式基礎。世界上第一座桶形基礎平臺Europipe 16/11-E于1994年7月在北海安裝成功[1]。與傳統的樁基礎或重力式基礎相比，桶形基礎具有造價低、便于運輸安裝、施工速度快和可重復使用等特點，可用于近海風電工程、淺海石油與天然氣資源開發、系泊海上浮動式結構物等工程的基礎形式[2]，被稱為“導管架基礎工程技術新時代的曙光”。

目前使用的桶形基礎多為直壁圓桶形式，如Europipe 16/11-E的導管架由4個直徑12 m、桶高9.5 m的桶形基礎承擔，平臺總重量5 240 t；渤海灣西南部海洋石油QHD 32-6-4中的吸力錨為桶直徑6.0 m、桶高3.2 m、單個錨重35 t的桶形基礎；中國南海西部海域的文昌13-1、文昌13-2油田中，用于浮式生產存儲、卸油系統系泊的吸力錨直徑5.0 m、高度11.5 m，單個錨重50 t[3]。

施曉春等[4]基于模型試驗對桶形基礎在水平荷載作用下的變形與土壓力分布進行了研究，提出了單桶水平承載力計算方法；劉振紋等[5]通過模型試驗和有限元計算，分析了單桶基礎的地基極限水平承載力，考察了基礎主動區與被動區的土壓力分布；王庚蓀等[6]根據土體的簡化彈簧模型，從理論上分析了橫向載荷作用下土體與桶形基礎的相互作用；金書成等[7]基于有限元方法研究了飽和排水砂土條件下吸力式桶形基礎的水平極限承載力和失穩模式；國外學者Zdravkovic等[8]、Aubeny等[9]、 Houlsby等[10]也對直壁桶形基礎進行了廣泛深入的研究，促進了桶形基礎的發展。

事實上，為了把應力擴散到更大面積的桶底土層上，可以采用斜壁形式的桶形基礎[11-12]。目前對這種新型的桶形基礎研究較少，缺乏有效的試驗數據，對其承載力與穩定性的計算更無規范可參考。

為此，本文基于力學分析方法，對斜壁桶形基礎的水平承載力進行了系統性研究，考察了斜壁傾角、桶高、桶徑、土性參數等對水平承載力的影響，為斜壁桶形基礎的設計與應用提供參考。

1 水平承載力計算方法

1.1 計算模型

當斜壁桶形基礎達到水平極限平衡狀態時，其受力模型見圖1。

實際工程中，桶基頂部直徑D、高度H和桶壁傾角β三個參數的最合理取值問題，需根據水平承載力要求、海床地質條件、土性參數、施工難易程度等綜合確定。

3.5 海床深度對水平承載力Pu的影響

桶形基礎可用于近海風電工程、淺海石油與天然氣資源開發、系泊海上浮動式結構物等工程的基礎形式，而這些工程的建設與海床深度密切相關。海床越深，海洋平臺的高度越大，導致水平荷載至桶基頂部的距離增加，故可用水平荷載的作用高度Lp來反映海床深度。

圖8給出了β=4°時水平荷載作用高度Lp對桶基水平承載力Pu的影響。Lp=35.0 m時的水平承載力比Lp=20.0 m時的水平承載力減小了39.3%。桶基水平承載力Pu隨著水平荷載作用高度增加而急劇減小。

可見，海床深度也是桶形基礎設計中的一個重要參數。若海床較深，采用單個桶形基礎難以滿足要求時，可采用多桶聯合基礎，此時計算方法更為復雜。

4 結論

（1）基于斜壁桶形基礎的空間受力狀態和基本假定，利用極限平衡法推導得到了斜壁桶形基礎的水平承載力表達式，并與試驗結果進行比較，驗證了該計算方法的可靠性。

（2）斜壁桶形基礎的水平承載力隨著桶壁傾角的增大而急劇增大。這個規律的認識對桶形基礎的優化設計有重要的促進作用。

（3）桶形基礎的水平承載力隨著地基反力比例系數的增加而增大，并呈線性關系。地基反力比例系數難以準確測定，影響其值的因素較多。故需發展針對海洋土、海床地基反力比例系數的準確確定方法，并建立相應的詳細表格供查取。

（4）桶形基礎的水平承載力隨著桶基頂部直徑或桶基高度的增大而急劇增大，隨著作用點高度的增加而急劇減小。

實際工程中，桶基頂部直徑、高度和桶壁傾角等參數的合理取值，需根據水平承載力要求、海床地質條件、土性參數、施工難易程度、海床深度等因素綜合確定。

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