波浪荷載對(duì)單樁承載力影響的水槽模擬試驗(yàn)研究

金小凱，陳錦劍，廖晨聰

(上海交通大學(xué) 海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；土木工程系， 上海 200240)

近年來，隨著大海洋戰(zhàn)略的開發(fā)，海洋結(jié)構(gòu)物與海床土的相互作用以及結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)穩(wěn)定性問題受到越來越多的關(guān)注.波浪荷載對(duì)海床土孔壓產(chǎn)生一定影響，并反作用于結(jié)構(gòu)物，因此波浪荷載對(duì)海床土的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)物的安全有重要影響.樁基礎(chǔ)作為大部分海洋結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)，其服役性能受單樁與海床土、波浪的相互作用機(jī)理以及波浪荷載作用下單樁的承載特性影響.

對(duì)于單樁與海床土相互作用機(jī)理的研究，主要包括數(shù)值法和試驗(yàn).數(shù)值法部分，Li等[1]采用有限元方法研究了在線性波和二階Stokes波作用下的樁周海床土孔壓響應(yīng)，但該研究并未考慮樁土接觸的情況.Sui等[2]采用動(dòng)力分析法模擬了在波浪荷載作用下的樁周海床土孔壓響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)單樁結(jié)構(gòu)物和波浪反射以及衍射對(duì)海床土孔壓響應(yīng)的影響不可忽略.Sui等[3]在考慮樁基自重的情況下進(jìn)行了樁周殘余孔壓研究.試驗(yàn)部分，Qi等[4-5]通過一系列水槽試驗(yàn)，觀測了在波浪荷載作用下的樁周孔隙水壓力響應(yīng)，并討論了孔隙水壓力與樁周局部沖刷之間的關(guān)系.Wang 等[6]通過水槽試驗(yàn)研究了在波浪荷載作用下樁周孔壓和樁底孔壓的分布情況.胡翔等[7-8]通過準(zhǔn)靜態(tài)三維數(shù)值分析法研究了波浪荷載作用下海床土的孔壓變化規(guī)律、單樁的位移和彎矩分布情況，并根據(jù)樁土相互作用特性進(jìn)一步分析了樁身的內(nèi)力變形.

對(duì)于在波浪荷載作用下樁基承載力的研究，主要包括數(shù)值法和解析法.Eicher 等[9]闡述了在波浪荷載作用下樁周的土壓力和水壓力的分布情況,并通過數(shù)值模擬得到樁身的應(yīng)力變化和變形規(guī)律.陳錦劍等[10]通過數(shù)值法和模型試驗(yàn)研究了在長、短期循環(huán)作用下單樁的孔壓響應(yīng)以及土體軟化效應(yīng)；Yasuhara[11]提出了飽和軟黏土的不排水強(qiáng)度退化公式以及孔壓消散后的強(qiáng)度公式；Zhang等[12]討論了在波浪荷載作用下樁基的承載力和應(yīng)力-應(yīng)變問題；莊慧娜等[13]通過Abaqus有限元軟件分析了樁基在靜、動(dòng)荷載下的承載力特性，并研究了樁身的應(yīng)力特點(diǎn).

深水波浪環(huán)境中的試驗(yàn)操作具有一定的危險(xiǎn)性，并且目前國內(nèi)外均沒有關(guān)于在波浪環(huán)境中樁基靜載荷試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)規(guī)范.以上學(xué)者在海洋樁基承載力方面的研究往往集中于在波浪荷載作用下，樁周孔壓響應(yīng)的試驗(yàn)研究和樁基承載力特性的數(shù)值研究，而風(fēng)機(jī)樁承載力的現(xiàn)場試驗(yàn)較少，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)不易獲得.對(duì)此，本試驗(yàn)對(duì)在波浪荷載作用下的單樁基礎(chǔ)進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，并監(jiān)測孔壓響應(yīng)，彌補(bǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的空白.

1 試驗(yàn)設(shè)置

水槽試驗(yàn)設(shè)備分為兩個(gè)部分：造波系統(tǒng)和波流水槽槽體、水循環(huán)系統(tǒng).造波系統(tǒng)由造波機(jī)、消波系統(tǒng)和測控系統(tǒng)構(gòu)成，波流水槽內(nèi)的空尺寸為 60 m×2 m×1.8 m.試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示.試驗(yàn)土坑呈長方體狀，尺寸為6 m×2 m×1 m，距離推波器20 m，其周邊和底部由混凝土制成，可防滲.試驗(yàn)測量系統(tǒng)由1臺(tái)筆記本電腦、15個(gè)孔壓力計(jì)和3臺(tái)波高儀組成.在樁周和底部的不同位置布置孔隙水壓力計(jì)(①～)以觀測不同位置的孔壓響應(yīng)(見圖1).為了保證波浪荷載的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)布置3臺(tái)波高儀以監(jiān)測波浪波高并與理論解對(duì)比.模型樁是使用有機(jī)玻璃定制而成的管樁，外徑(D)分別為65 mm和45 mm，壁厚d=5 mm，樁長Lm=130 cm，其中埋入海床土深度h=60 cm.樁基并列布置于土槽中間，樁距為30 cm.

根據(jù)實(shí)際尺寸和水槽試驗(yàn)的要求，采用1∶25的比例尺，具體尺寸如表1所示.其中，T為波浪周期，H為波高.

表1 試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Parameters of test

1.1 土樣特征

實(shí)驗(yàn)用土為細(xì)砂土，利用篩分法測3次取平均值得到其顆粒級(jí)配曲線，如圖2所示.

砂土的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)分別為

式中：d為粒徑，d10、d30和d60分別表示顆粒質(zhì)量累積為10%、30%和60%的粒徑.Cu<5時(shí)，說明砂土顆粒均勻，為均勻土；Cc>1時(shí)，說明砂土顆粒級(jí)配連續(xù).

土體主要物理性質(zhì)參數(shù)如表2所示.其中，d50為中值粒徑，e為平均孔隙比，Dr為土體相對(duì)密度，G為剪切模量，ν為泊松比.土體密度(ρ)由環(huán)刀取60 cm2飽和土，測量其烘干前后的質(zhì)量并計(jì)算得到；最大孔隙比(emax)和最小孔隙比(emin)采用國際ASTM標(biāo)準(zhǔn)測得；彈性模量(E)通過三軸儀的固結(jié)不排水加卸載試驗(yàn)測得；滲透系數(shù)(k)由常水頭滲透系數(shù)測量儀測得.

圖2 試驗(yàn)用土顆粒級(jí)配Fig.2 Particle grading of test soil

表2 試驗(yàn)用土參數(shù)Tab.2 Parameters of test soil

1.2 試驗(yàn)步驟

波浪荷載作用下樁基響應(yīng)試驗(yàn)操作流程如下：

(1) 按照試驗(yàn)方案在試驗(yàn)樁身安裝孔壓計(jì)，并將傳感器連接到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).

(2) 土樣飽和處理.為了保證海床的充分飽和，試驗(yàn)采用水下裝砂法在水中進(jìn)行土樣配制.

(3) 按照試驗(yàn)方案所設(shè)計(jì)的砂土顆粒級(jí)配曲線配置試驗(yàn)用土，按照每層厚20 cm將試驗(yàn)用土鋪實(shí)在土槽里，在底標(biāo)高為-60 cm時(shí)將試驗(yàn)樁埋置在土槽中.

(4) 進(jìn)行樁基靜載荷試驗(yàn)，每級(jí)荷載為20 N，加載至200 N停止；并進(jìn)行地基承載力輕型觸探試驗(yàn).

(5) 將樁取出并按照步驟(2)重新安置，打開放水閥門，水標(biāo)達(dá)到預(yù)設(shè)水深時(shí)關(guān)閉;在預(yù)設(shè)水深下靜置24 h，此時(shí)可認(rèn)為海床已充分飽和[14-15].

(6) 在電腦上設(shè)置采樣頻率，打開造波系統(tǒng)，設(shè)置波高和周期，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)應(yīng)變和孔壓測試.

(7) 當(dāng)波浪荷載加載至 1 000 個(gè)周期后，重復(fù)樁基承載力試驗(yàn)和輕型觸探試驗(yàn).

(8) 停止波浪荷載，打開排水閥門.

(9) 拆卸裝置，挖土，取出模型樁，觀測模型樁的狀態(tài).

1.3 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)荷載驗(yàn)證

為了對(duì)比結(jié)構(gòu)物對(duì)海床土孔壓響應(yīng)的影響，將試驗(yàn)分為3組，其中組1為自由海床土，組2和3分別為D=45 mm和D=65 mm的模型樁，且均有Lm=1.3 m，以分析在波浪荷載作用下不同樁徑單樁樁周海床土孔壓響應(yīng)和樁基承載力特性.試驗(yàn)參數(shù)為hw=0.5 m，H=0.12 m，T=1.5 s，波長Lw=2.83 m.

試驗(yàn)將1 000～1 005個(gè)周期內(nèi)的波高和理論解進(jìn)行比較，以驗(yàn)證水槽消波系統(tǒng)的有效性.根據(jù)線性波理論，波浪自由表面高度為

(3)

式中：x為海床水平坐標(biāo)；t為波浪荷載加載時(shí)間；kn為波數(shù)；ω為波浪角頻率，且

圖3為波高的理論解和實(shí)測值的關(guān)系.圖中，H=0.12 m的波浪荷載的實(shí)際波高與理論解吻合較好，證明水槽消波層的消波效果良好，試驗(yàn)波浪荷載不會(huì)反射波浪的干擾.

圖3 波高理論解與實(shí)測值對(duì)比圖Fig.3 Comparison of theoretical solution and measured values of wave height

2 結(jié)果與討論

2.1 樁周海床土孔壓響應(yīng)

圖4為不同樁徑單樁樁周海床土超靜孔壓(ps)隨時(shí)間的變化趨勢.由圖可知，不同h的樁周海床土超靜孔隙水壓力表現(xiàn)為振蕩型孔隙水壓力，這主要是因?yàn)楹４餐帘砻媸艿接刹ɡ撕奢d作用引起的循環(huán)波壓力，海床土體較松散，排水性好，導(dǎo)致海床土超靜孔隙水壓力表現(xiàn)為振蕩型孔隙水壓力.

圖5為D=45 mm的單樁樁周海床土超靜孔壓的響應(yīng).當(dāng)h=20 cm時(shí)，樁周海床土超靜孔壓振幅(ps,max)為0.035 kPa；當(dāng)h=40 cm時(shí)，ps,max=0.009 kPa；當(dāng)h=60 cm時(shí)，ps,max=0.002 kPa，可知ps,max隨h的下降而減小.

圖4 不同海床深度樁周海床土超靜孔壓響應(yīng)Fig.4 Excess pore pressure response of seabed soil around pile at different depths

圖5 樁周土體不同海床深度時(shí)的樁周超靜孔壓響應(yīng)Fig.5 Excess pore pressure of soil around pile at different depths

圖6為不同樁徑單樁樁周ps,max隨h的變化.圖中，D=65 mm時(shí)的單樁樁周ps,max大于D=45 mm時(shí)的ps,max.這是由于樁徑越大，樁周海床土受滲流場的影響越大.

圖6 不同樁徑樁周超靜孔壓振幅隨深度變化Fig.6 Amplitude of excess pore pressure around pile at different pile diameters

2.2 單樁結(jié)構(gòu)對(duì)海床土孔壓響應(yīng)的影響分析

孔壓響應(yīng)影響海床土的液化和樁周海床土的有效應(yīng)力，從而影響樁周海床土的剪切強(qiáng)度以及單樁承載力，因此有必要分析結(jié)構(gòu)物對(duì)海床土孔壓響應(yīng)的影響.試驗(yàn)在h=20 cm的不同樁周位置布置3個(gè)孔壓計(jì)，并在樁底布置6個(gè)孔壓計(jì)以研究單樁結(jié)構(gòu)物對(duì)海床土孔壓的影響，如圖7所示.

圖7 樁基對(duì)海床土超靜孔壓振幅影響Fig.7 Influences of pile foundation on amplitude of excess pore pressure of seabed

由圖7(a)可知，樁周處的ps,max比自由海床土該位置處的孔壓計(jì)的ps,max大.這是由于結(jié)構(gòu)物的阻擋令海床土內(nèi)滲流場發(fā)生了變化，單樁周圍出現(xiàn)了繞流現(xiàn)象，從而影響了樁周海床土的超靜孔壓.樁基底部的海床土孔壓響應(yīng)直接關(guān)系到樁基的穩(wěn)定性，試驗(yàn)對(duì)單樁底部海床土的孔壓響應(yīng)進(jìn)行監(jiān)測，試驗(yàn)結(jié)果如圖7(b)所示.結(jié)果表明在無單樁結(jié)構(gòu)物情況下的ps,max比有單樁情況下的ps,max大，這是由于單樁結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的影響阻斷了上部波浪荷載對(duì)樁底海床土的作用.

2.3 樁基承載力分析

在施加波浪荷載前以及波浪作用時(shí)進(jìn)行單樁的豎向靜載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示.其中Q為豎向荷載，s為沉降.

圖8 不同樁徑時(shí)各荷載工況下的單樁荷載沉降曲線Fig.8 Load settlement curves of monopile under different load conditions at different pile diameters

圖8中，無波浪荷載工況下的荷載沉降曲線分為樁側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮階段和破壞階段.在D=45 mm 時(shí)，Q<60 kN為前一階段，此時(shí)荷載沉降曲線的斜率較小，隨著Q值逐漸增大，樁和樁周土體的相對(duì)位移逐漸增大，樁側(cè)摩阻力逐漸產(chǎn)生.當(dāng)Q=60 kN 時(shí)，樁側(cè)摩阻力達(dá)到極限，樁基進(jìn)入破壞階段，此時(shí)荷載沉降曲線的斜率開始增大.當(dāng)進(jìn)行波浪加載時(shí)，由于波浪荷載的作用，樁周海床土中產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，導(dǎo)致有效應(yīng)力減小，樁周土體的剪切強(qiáng)度和側(cè)摩阻力下降，此時(shí)荷載沉降曲線的斜率較大，單樁沉降約為無波浪荷載作用時(shí)的3倍.在D=65 mm 時(shí)，無波浪荷載工況下的樁側(cè)摩阻力較大，可以分擔(dān)較多的豎向荷載，因此單樁沉降較小.由于加載條件的限制，D=65 mm的荷載沉降曲線未進(jìn)入破壞階段.當(dāng)進(jìn)行波浪加載時(shí)，由于波浪荷載的作用，樁周海床土中產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，導(dǎo)致有效應(yīng)力減小，樁周土體的剪切強(qiáng)度和側(cè)摩阻力下降，單樁沉降約為無波浪荷載作用時(shí)的8倍.

在無波浪荷載作用時(shí)，由于樁徑越大，單樁與海床土的接觸面積越大，所以此時(shí)的側(cè)摩阻力較大，在相同豎向荷載作用下的沉降較小.在有波浪荷載作用時(shí)，相同荷載作用下，D=65 mm的單樁較D=45 mm的單樁的沉降大.這是由于D=65 mm的單樁樁周ps,max大于D=45 mm的單樁樁周ps,max，所以樁徑越大的單樁樁周海床土的有效應(yīng)力越小，剪切強(qiáng)度下降越多，樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮程度越低.綜上可知：在相同波浪荷載作用下，樁徑越大，相同豎向荷載作用下的沉降越大.

單樁承載力的下降與單樁的自重、樁周海床的沖刷以及超靜孔壓有關(guān).為了排除單樁自重的影響，將單樁在自重下的位移作為沉降計(jì)算的0點(diǎn)，并將不同豎向荷載下的百分表差值作為沉降值.李彥初等[16]研究了沖刷對(duì)單樁承載力的影響.研究結(jié)果表明：沖刷可以造成摩擦阻力的損失， 同時(shí)土體應(yīng)力歷史的改變也將引起側(cè)摩阻力的改變，當(dāng)沖刷深度小于0.1倍單樁入土深度(6 cm)時(shí)，沖刷的影響可以忽略不計(jì).圖9為試驗(yàn)后單樁的沖刷結(jié)果，因?yàn)橹豢紤]波而不考慮流的影響，所以沖刷深度很小，只有0.5 cm左右.由此可知，沖刷對(duì)樁基承載力的影響可以忽略.

圖9 試驗(yàn)后單樁沖刷情況Fig.9 Scouring condition of monopole after test

3 結(jié)論

試驗(yàn)在水槽試驗(yàn)室中進(jìn)行，以1∶25的比例尺進(jìn)行波浪-海床土-樁基三維縮尺試驗(yàn)，監(jiān)測樁周和樁底海床土孔壓響應(yīng)，并進(jìn)行單樁靜載荷試驗(yàn)，分析波浪荷載作用下樁和海床土孔壓響應(yīng)的關(guān)系以及單樁荷載沉降曲線，得到以下結(jié)論：

(1) 樁周海床土ps的變化呈振蕩型，沿海床土深度有一定程度的衰減；與樁徑小的單樁樁周海床土同一位置的ps相比，樁徑大的單樁樁周海床土的ps較大.

(2) 單樁結(jié)構(gòu)物對(duì)樁周海床土的ps,max影響較大.與自由海床土同一位置的ps,max相比，樁周海床土的ps,max較大，而樁底海床土的ps,max較小.

(3) 與無波浪影響的情況相比，波浪荷載作用下的單樁承載力較小，相同荷載水平下的樁頂沉降較大.

(4) 在波浪荷載作用下，樁徑越大，超靜孔壓越大，樁側(cè)摩阻力越低，相同豎向荷載作用下的沉降越大.