黏性土中單樁基礎(chǔ)樁基設(shè)計參數(shù)ε50 試驗研究

王振紅，蒯志要，趙梓鑫，葛建剛

（1.浙江華東巖土勘察設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州 310014；2.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300220）

引言

海上風機地基基礎(chǔ)的安全可靠是保證風機長期安全運行的關(guān)鍵條件，也是影響海上風電場投資的重要因素。當風機基礎(chǔ)采用單樁基礎(chǔ)時，樁基軸向抗壓、抗拔和水平向三個受力中，水平力屬于控制性因素，為承載力設(shè)計的主要考慮因素，很多研究人員對水平荷載下樁土相互作用問題進行了廣泛研究[1-3]。樁基受力分析中，目前廣泛采用能全面反映樁的工作性狀的P-Y 曲線法，是目前計算水平承載力較好的使用方法[4]，其涉及的土體參數(shù)主要有土體的有效重度、砂性土內(nèi)摩擦角和黏性土不排水剪切強度及ε50值。在海上風電場建設(shè)中，黏性土是最常見的影響風機基礎(chǔ)設(shè)計和風機運營安全的土類之一。在黏性土中，ε50是確定單樁在循環(huán)荷載作用下土體對樁的側(cè)向抗力和側(cè)向位移曲線的關(guān)鍵參數(shù)之一。而ε50參數(shù)的取值目前主要依據(jù)黏性土不固結(jié)不排水剪切試驗（UU）成果讀取，并進行相關(guān)的數(shù)理統(tǒng)計，推薦使用，人為因素影響大。海上風電場設(shè)計時ε50值與港口工程設(shè)計中的ε50的經(jīng)驗取值存在不同，目前尚缺少豐富的經(jīng)驗。因此，對ε50取值進行分析研究，對海上風機基礎(chǔ)設(shè)計具有現(xiàn)實意義。

2 研究原理

2.1 土的結(jié)構(gòu)性

很多試驗資料表明，土的組成和土的物理狀態(tài)不是決定土的性質(zhì)的全部因素，土的結(jié)構(gòu)對土的性質(zhì)也存在很大影響。

黏性土中的黏土顆粒間重力作用較小，其主要由范德華力、庫侖力、膠結(jié)作用力和毛細壓力等粒間力起主導作用，細粒土的天然結(jié)構(gòu)就是在沉積環(huán)境下受這些力的共同作用而形成的。沉積環(huán)境的不同也會導致結(jié)構(gòu)的不同，以海洋環(huán)境為例，當細顆粒在海水中沉積時，海水中的大量的陽離子會導致土顆粒間斥力減少而應(yīng)力增加，容易形成以角、邊與面或邊與邊搭接的排列形式，稱為片架結(jié)構(gòu)[5]。

2.2 土的力學特性

1）土的彈塑性理論模型

土的彈塑性模型是建立在彈性理論和塑性增量理論基礎(chǔ)之上的，它將土的應(yīng)變分為可恢復的彈性應(yīng)變和不可恢復的塑性應(yīng)變，并分別用彈性理論和塑性增量理論計算。它包括破壞準則、硬化規(guī)律、流動法則三部分內(nèi)容，對這三部分內(nèi)容的假定不同，就形成了許多不同的本構(gòu)模型理論[6]。

2）土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

土既不是理想的彈性材料，也不是理想的塑性材料，而是一種彈塑性材料。土在受應(yīng)力作用時，彈性變形和塑性變形幾乎會同時發(fā)生。如圖1 為三軸壓縮試驗中土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，曲線①表示理想的彈塑性體，曲線②表示超固結(jié)土或密實砂土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，曲線③則便是正常固結(jié)土或松砂的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。與理想的彈塑性材料相比，土的形狀與性質(zhì)都存在很大的差異。

圖1 土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.1 The stress-strain curves of soil

3 試驗內(nèi)容及成果

3.1 試驗內(nèi)容

1）試驗土樣

本次試驗使用土樣來源為江蘇某海上風電場區(qū)，主要為淺層的粉質(zhì)黏土層，灰色，含少量貝殼碎屑、腐殖質(zhì)。現(xiàn)場使用薄壁取土器取樣，蠟封，并封裝在專用的樣品箱內(nèi)，運輸過程中減少震動，盡量減少對土樣的擾動。

對采取的原狀土樣進行室內(nèi)試驗，得出其主要物理指標如下表1。

表1 土層物理力學性質(zhì)統(tǒng)計成果表Tab.1 The physical and mechanical properties of soil stratum

從表1 中可以看出，試驗土樣主要為軟塑～可塑的粉質(zhì)黏土，其埋深一般為5～20 m，層厚1.30～9.50 m。

2）試驗原理

規(guī)范中三軸UU 試驗步驟首先是1 組試樣在不排水條件下直接受不同圍壓σ3i（i=1，2，3，4）作用，然后在不排水條件下進行剪切[7]。對于飽和試樣，在不排水條件下，圍壓σ3i將全部成為孔隙水壓力，因此，試樣都是在有效圍壓σ3’=0 的條件下進行剪切，這與試樣在地下一定深度受力剪切的條件有明顯差別。因為試樣剪切前都處于超固結(jié)狀態(tài)，剪切過程中將產(chǎn)生體積膨脹而使孔隙水壓力低，因此試樣都有一定的抗剪強度，這種機理形成的抗剪強度與固結(jié)應(yīng)力產(chǎn)生的抗剪強度不同。土力學教科書中建議的方法則是先施加各向相等的初始固結(jié)應(yīng)力σ0來模擬現(xiàn)場地基中土體所受的固結(jié)作用，然后在不排水條件下施加圍壓增量Δσ3和剪切應(yīng)力，試樣抗剪強度是由初始固結(jié)應(yīng)力σ0產(chǎn)生的，這與現(xiàn)場不排水條件下的地基破壞機理是一致的。與三軸固結(jié)排水剪試驗（CU）在固結(jié)時允許排水不同，三軸UU 試驗施加初始固結(jié)應(yīng)力進行預固結(jié)時一般不允許排水。

3）試驗方法

根據(jù)規(guī)范與教科書中對試驗方法描述的差異，對試驗進行設(shè)計，原狀樣開樣后可制備6 個樣品，分a、b 兩組。a 組按規(guī)范方法直接進行三軸不排水不固結(jié)剪切試驗，取圍壓P1、P2、P3分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa。b 組先進行k0應(yīng)力狀態(tài)預固結(jié)后再進行試驗(k0為靜止側(cè)壓力系數(shù)，小于1)。對于正常固結(jié)土，土體所受固結(jié)應(yīng)力豎直向自重應(yīng)力σs，水平方向等于 k0σs，試驗使用樣品均為正常固結(jié)土，本次試驗k0取0.7，σs可根據(jù)樣品埋深與上覆土層重度進行計算。樣品經(jīng)過約12 個小時的預固結(jié)后進行三軸不固結(jié)不排水剪切試驗，取圍壓P1、P2、P3分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa。

3.2 試驗結(jié)果與試驗分析

1）試驗結(jié)果

本次共完成有效試驗20 組，主要試驗成果見下表2。

表2 UU 試驗成果表Tab.2 The experimental results of UU test

從表2 中可以看出對試樣進行預固結(jié)后再進行UU 試驗，所得到的ε50明顯變小，其結(jié)果與試樁反分析得到的ε50更加接近。ε50與抗剪強度也存在一定關(guān)系，抗剪強度c越大，其ε50越小。

2）試驗結(jié)果分析

如圖2、圖3 為兩組典型的三軸UU 試驗應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，a 組為未進行預固結(jié)試樣的三軸UU試驗應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，b 組為預固結(jié)試樣的三軸UU 試驗應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。從圖中可以勘察，在初始階段，軸向應(yīng)變ε 較小時，隨著軸向應(yīng)變ε 增大，軸向主應(yīng)力差Δσ（σ1-σ3）快速增大，此時土樣變形主要為彈性變形，土樣近似為彈性體；隨后，土樣進入屈服階段，其變形模量減小，相同應(yīng)變量內(nèi)應(yīng)力增量減小；土樣變形量達到峰值后，應(yīng)力達到最大，不再隨應(yīng)變增大而增大，試樣發(fā)生破壞。

圖2 第一組試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線圖Fig.2 Stress-strain curve of the first group of specimens

圖3 第二組試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線圖Fig.3 Stress-strain curve of the second group of specimens

而圖中a、b 組的差異主要集中在初始階段：a組未預固結(jié)土樣初始階段，主應(yīng)力差隨應(yīng)變變化速率小于b 組預固結(jié)后土樣。這種差異使最終得出的ε50值出現(xiàn)差異。正如前文中提到的細粒土在天然狀態(tài)下是以一定的結(jié)構(gòu)存在的，而土樣在原始土體中受到上覆應(yīng)力及側(cè)向應(yīng)力的擠壓。試樣從地下取出后，取樣——運輸——開樣過程中，其應(yīng)力釋放，試樣中土粒結(jié)構(gòu)會隨之松散。試樣進行預固結(jié)后再進行三軸UU 試驗，能更好的模擬土樣原始狀態(tài)，得到的試驗數(shù)據(jù)也相對更加準確。

抗剪強度c越大，ε50越小是由于抗剪強度c大的土樣其土樣中土粒排列更加緊密，土樣壓縮后，其軸向應(yīng)力增速更快，也就使其軸向應(yīng)力差在更小的變形量達到破壞強度時的一半。

3.3 試驗方法探討

某些文獻中提到[8]，在進行三軸不排水不固結(jié)剪切試驗前對土樣預固結(jié)，在排水情況下進行。本次按照該方法進行了兩組試驗，試驗結(jié)果如下 表3。

表3 預固結(jié)條件下三軸不固結(jié)不排水剪切試驗結(jié)果Tab.3 Results of the triaxial unconsolidated undrained shear test under pre-consolidation conditions

從表3 中可以發(fā)現(xiàn)，土樣抗剪強度c、ε50均變化明顯。根據(jù)試驗條件，認為對土樣進行排水固結(jié)，使土樣含水率發(fā)生變化，其得到的試驗結(jié)果與真實結(jié)果存在一定偏差。且土樣為黏性土，天然狀態(tài)下可認為是隔水層，對其進行排水固結(jié)與原有天然狀態(tài)不符，使試驗結(jié)果失真。

3.4 與試樁反分析結(jié)果對比

根據(jù)預固結(jié)后三軸UU 試驗得出的土體參數(shù)，按鋼管樁水平受荷p-y 曲線法計算的各級水平荷載下樁身荷載-位移曲線與試樁成果的對比如圖4。

圖4 試驗與試樁成果側(cè)向抗力和側(cè)向位移曲線對比Fig.4 Comparison of lateral resistance and lateral displacement curves between test and measured results

從圖4 可見，在各級水平荷載下，根據(jù)室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)得出的側(cè)向抗力和側(cè)向位移曲線與試樁反分析成果較為接近。

4 結(jié)語

1）ε50受土樣結(jié)構(gòu)性影響較大，土樣的擾動很容易使試驗數(shù)據(jù)發(fā)生失真。土樣在取樣、運輸、開樣過程中，要盡量減少擾動，以便得到相對準確的試驗數(shù)據(jù)；

2）通過對20 組土樣進行單變量差異化三軸UU 試驗發(fā)現(xiàn)，ε50與抗剪強度c存在一定的關(guān)系，抗剪強度c越大，ε50越小；

3）預固結(jié)后再進行不排水不固結(jié)剪切試驗（UU 試驗）能更好的模擬試樣原始狀態(tài)，得出的試驗結(jié)論與試樁試驗反分析成果更加接近；

4）排水情況下進行預固結(jié)，與黏性土的原有天然狀態(tài)不符，試驗結(jié)果失真；

5）后續(xù)生產(chǎn)研究中，建議在試驗進行前，預先對土樣進行預固結(jié)，以便得到精確的ε50值。