饱和黏土地基对结构物的吸附力研究

王宏民，邱长林

（天津大学建筑工程学院，天津300072）

饱和黏土地基对结构物的吸附力研究

王宏民，邱长林

（天津大学建筑工程学院，天津300072）

吸附力是港口工程和海洋工程中常见的一种力。然而国内外的试验研究，只是把吸附力作为一个整体来研究，未能分析负孔压和黏着力各自的影响因素以及它们之间的相互影响。为此通过模型试验，对拉拔速率和上覆荷载等因素进行研究，明确负孔压和黏着力各成分的大小及其发展变化规律。实验结果表明，土体在受压和受拉时，圆形均布荷载中心点下的孔隙水压力分布满足附加应力计算公式。在相同含水率下，当拉拔速率较小时，随着拉拔速率的增加，吸附力增速逐渐变大；当速率超过一定值后，吸附力增速逐渐放缓。拉拔过程中，土体位移影响着负孔隙水压力的发展，位移越大，负孔隙水压力越大；位移越小，负孔隙水压力越小。吸附力和负孔压的发展随着时间成线性正相关，黏着力随着时间先增加后减小。

吸附力；负孔压；黏着力；拉拔速率

不论地方打捞救援还是深海作业勘探，在实践中处理坐底结构物上浮过程中，不可避免要遇到海底粘性底质（如粘土和淤泥）对上浮结构体的吸力作用。为使结构物离底上浮，需要提供超过结构物水下负浮力的提升力，即为海底底质对结构物的吸附力［1］。对于自升式钻井平台，当海床土体固结后，吸附力可占到总拔桩阻力的一半以上，是平台拔桩阻力非常重要的组成部分，因此吸附力的科学计算对保证结构物安全至关重要［2］。

国外在吸附力的研究上起步较早，Vesic等［3］指出锚板在拉拔过程中，锚板上部孔隙水压力增加，锚板下部孔隙水压力减小，这种上下面孔隙水压力的不同导致了吸附力的产生，此超静孔压差值即为吸附力，同时认为锚板与粘土之间存在着黏着力；Bemben等［4］通过中空锚杆向锚底通气以消除吸附力，使较为精确确定吸附力值成为可能；Baba等［5］和Datta等［6］采用与Bemben类似的试验装置研究了拉拔速率对吸附力的影响；Das等［7-9］研究了埋深和埋深比对吸附力大小的影响。以上研究并没有阐述吸附力的形成机理，因而无法准确得到吸附力的发展规律。国内学者冯国栋等［10］通过试验研究了土类、含水率、预加压力、起拉速度、和结构物材料等因素对吸附力的影响，指出土类对吸附力发展起着决定性作用，并且对潜坐体加荷、固结、卸荷和起拉过程中孔隙水压力及土压力的数值变化规律进行了系统的分析，在此基础上更详细地阐述了吸附力形成机制；韩丽华等［11］通过海洋工程沉箱的研究，表明吸附力由侧摩阻力、黏着力和负孔隙水压力三部分构成，并且在给定条件下，单位面积吸附力为定值，与结构物底部大小无关。通过国内外的试验研究可以看出，吸附力的研究只限于对吸附力整体的研究，未能分别确定负孔压和黏着力的数值大小及其在吸附力中所占比例，并且没有指出负孔压和黏着力之间的相互影响关系，导致在实际工程应用中无法充分的利用和消除吸附力，造成人力、物力、财力等方面的浪费。因此，有必要对吸附力做进一步研究。

1 试验方法

1.1模型试验装置

本试验装置由试验板、试验槽、拉拔体系和量测系统四部分组成，如图1所示。其中试验板为圆形钢板，直径为0.5 m，厚为0.03 m，并在圆心点、三分之一半径处和三分之二半径处开凿7个上下贯通的小孔（D=14 mm），其内布置孔隙水压力计用于测量基底的孔隙水压力，如图2所示；试验槽为边长为1 m的立方体钢槽；拉拔体系由钢板架、电动机、滑轮、钢丝绳等组成，可以通过电动机设置不同的速率以拉拔试验板；量测系统由拉力传感器、孔隙水压力计、土压力计、百分表组成，分别用来量测试验过程中上拔力、孔隙水压力、土压力和试验板的位移，由计算机通过动静态信号采集仪自动采集数据。

图1 试验模型及测量设备装置Fig.1Test model and measurement device

图2 百分表和孔压计分布图Fig.2Distribution of displacement gauge and pore pressure gauge

1.2试验用土及试验过程

试验土样取自天津港。其基本物理力学性质如表1所示。试验土样经晒干、碾碎、去杂质等工序后，加水并充分搅拌均匀，使其成为含水率为50％泥浆状土样。

表1 试验土样的基本物理性质Tab.1Basic physical properties of soil

试验前，将孔隙水压力计安装在试验板的小孔中，并用胶体在将孔隙水压力计固定在孔中的同时，将小孔顶部与外界密封隔绝。向试验槽中填注已经搅拌均匀的土样，填注高度为0.5 m以上。此后，向试验槽中加水，使水没过黏土表面，并充分搅拌，确保土样为饱和土。填筑过程中，在土样深度为0.1 m和0.3 m处分别埋设孔压传感器和土压力传感器各1个。埋设好传感器后，为确保土体表面的平整，将土体表面抹平。待模型板上的胶体凝固好之后，将试验板用钢丝绳吊起，并平稳、缓慢地下放在土体表面上，待板完全坐在土体上后，将钢丝绳与试验板完全脱离，试验板在自重作用下下落一定的深度。静置24 h后，在试验板表面不同位置布置3个百分表。试验时，打开计算机采集系统进行采集，之后以一定速率拉拔试验板，直至试验板与土体表面完全脱离。

试验结束后取试验板底3、5、13、15等4处不同部位处土样测其含水率，取其含水率平均值为试验含水率。

1.3试验方案

模型试验包括两部分内容。其一，在一定含水率下，研究吸附力随拉拔速率的变化规律，其中拉拔速率取5 mm/min、25 mm/min及50 mm/min；其二，在5 mm/min拉拔速率下，负孔压和黏着力在吸附力中所占比例，以及随时间的发展变化规律。

试验中，由于试验板的入土深度比较小，侧摩阻值较小，所以在计算中可以忽略侧摩阻力，即吸附力值仅由真空吸力和黏着力两部分组成。

在每一次拉拔试验中，速度一定，拉力随着位移的变化而变化。上拔时，起初上拔力较小，当上拔力F小于板体自重G时，板受到土样对其向上的支持力，此时板与土体间并未产生吸附力；当上拔力F大于板体自重G时，模型板底部产生黏着力和真空吸力，其受力平衡方程为

式中：Δu为孔隙水压力，kPa；ca为黏着力强度，kPa；A为模型板底面面积。

试验中，通过对孔隙水压力Δu和上拔力F的测定，通过式（1）可得出黏着强度ca的大小和发展变化规律，进而分析负孔压和黏着强度之间的相互作用。

试验过程中所测孔压均为超孔压。

2 实验结果及分析

2.1竖直方向上孔压的分布

试验前测得试验板自重为458 N。当试验板完全作用于土体表面时，土体在试验板自重的作用下，测得土体表面中心点、中心点下埋深0.1 m和0.3 m处的超孔压分别为1.41、1.39和0.78 kPa（见图3-a）。根据弹性有限元分析，土体表面中心点、中心点下埋深0.1 m和0.3 m处的超孔压计算值分别为1.25、1.13、0.83 kPa。由此可知，试验值与计算值近似相等。当土体表面中心点的附加应力为1.25 kPa时，通过查表［12］，竖直均布荷载作用在圆形土体表面上时，土体表面中心、中心点下埋深0.1 m和0.3 m处的附加应力理论值分别为1.25、1.19和0.73 kPa，这与试验值近似相等。

在拉拔阶段，当板即将与土体表面完全分离时，土体受到吸附力的作用，此时吸附力值为489 N。试验测得土体表面中心点、中心点下埋深0.1 m和0.3 m处的负孔压分别为2.43、2.16和1.55 kPa，其负孔压计算值分别为2.32、2.17和1.58 kPa（见图3-b）。由此可知，试验值与计算值近似相等。同时可知，圆形竖直均布荷载作用在土体表面上时，土体表面中心、中心点下埋深0.1 m和0.3 m处的附加应力理论值分别为2.32、2.21和1.35 kPa，与试验值近似相等。

图3 中心点处孔压试验值和计算值的对比Fig.3Comparison of pore pressure in center between calculation and test

因此，在受压和受拉时，圆形均布荷载中心点下孔隙水压力分布都满足附加应力分布计算公式。

试验中，测得了在板与土完全接触时、拉拔前和板与土即将完全脱离时这3个时刻下的孔压值，并给出了在这3个时刻下，孔压随埋深的变化规律（图4）。

由图4可知，在板与土即将完全接触和板与土即将完全脱离这两个时刻，随着埋深的增加，孔压总体趋势是减小的。而在拉拔前时刻，随着埋深的增加，孔压越来越大。由此可以看出孔压的消散是由上而下的；并且随着埋深的增加，消散速度越来越小。

另外由图4可知，土体表面中心点处和中心点下埋深0.1 m处的孔压，而中心点下埋深0.3 m处的孔压有较小的增加后减小。这可能是由曼德尔效应造成的，需要进行进一步试验验证。由此可知，在孔压的消散过程中，具有一定埋深的孔压值不一定都是减小的。当超过某个埋深时，其孔压值可能是增加的。

图4 中心点处孔压随埋深的变化Fig.4Change of pore pressure in center with depth

2.2拉拔速率对吸附力的影响

试验中，对于上覆荷载大小对吸附力的影响做了对比研究。一组在板上通过放置砝码加载400 N；另一组不加砝码，利用试验板自重。在试验板自重和加荷400 N这两种工况下，分别进行了在5 mm/min、25 mm/min及50 mm/min等3种不同速率下的拉拔试验。通过对拉力传感器的测定，其测量值减去模型板自重，即为吸附力值的大小。图5给出了在试验板自重和上覆荷载为400 N这两种工况下，试验板在拉拔过程中吸附力随拉拔速率的变化规律。由图5可知，在这两种情况下，吸附力随拉拔速率变化的发展趋势基本是一致的：拉拔速率越大，吸附力越大。图5也表明，上覆荷载越大，吸附力越大。这验证了吸附力与拉拔速率、上覆荷载之间的正相关性。

图5 吸附力随拉拔速率的变化Fig.5Change of suction force with drawing ratio

同时由图5可知，当拉拔速度小于25 mm/min时，曲线坡度较陡，吸附力增加速度较快；当拉拔速度大于25 mm/min时，曲线坡度放缓，吸附力随时间增加速度开始减小。因此，当拉拔速率较小时，拉拔速率的变化对吸附力有着很大的影响；当拉拔速率超过某一定值时，拉拔速率的变化对吸附力值的影响开始减弱。

2.3拉拔过程中土与试验板间孔隙水压力的变化规律

试验研究的重点是在拉拔过程中，试验板底面与黏土表面间负孔隙水压力的发展规律。采用5 mm/min的拉拔速率，在依靠试验板自重的工况下，通过对孔隙水压力计和百分表的观测，研究负孔压在上拔过程中的发展规律。如图6～图7所示，横坐标时间零点为拉拔起始点，到模型板与土样完全分离结束。

由图6可知，拉拔起始时，基底孔压不为零。说明此时超孔压还没有消散完全，土体没有充分固结。拉拔开始后，由于受到向上的拉拔力，超孔压开始消散。在前250 s时间内，由于上拔力较小，孔压的变化较小。约在250 s处，模型板底部中心开始出现负孔压，此时土体表面与试验板间局部部位已经开始产生黏着力。随着上拔力的增加，试验板底部其余部位超孔压消散速度逐渐加快，并渐渐由超孔压发展为负孔压，并且负孔压发展越来越快，在790 s处负孔压达到最大。随着基础与土体的逐渐分离，负孔压急剧减小，直到基础与土体完全脱离，负孔压消散为0。

同时由图6可知，试验板底部不同时刻、不同位置的孔压大小分布差别较大。图7给出了在拉拔过程中试验板不同部位的位移随时间的发展规律。由图7可知，试验板不同部位的位移相差较大，表明试验板在拉拔过程中不是水平上升。这就使试验板在拉拔的过程中受力不均匀，造成试验板的一端先受力，进而导致了孔隙水压力发展的差异。

图6 孔压随时间的变化Fig.6Change of pore pressure with time

图7 板位移随时间的变化Fig.7Change of displacement of board with time

结合图7可知，2号百分表位移最大，1号百分表位移最小。2号百分表附近测点的负孔压值也普遍较1号百分表附近测点的负孔压值大。这是由于试验板在拉拔的过程中，2号百分表端的土体最先受到向上的拉拔力，产生向上的位移，使试验板底部形成一个不透水的封闭系统，因而产生负孔压，并且发展较为迅速；1号百分表端的土体首先受到试验板的下压作用，因而负孔压发展最为缓慢。因此，土体位移影响着负孔隙水压力的发展，位移越大，负孔隙水压力越大；位移越小，负孔隙水压力越小。

2.4力与时间的关系

上拔过程中，通过对拉力传感器和土体表面与模型板底面间不同部位的孔压力传感器的测定，经过面积加权法可计算出真空吸力的大小，进而可以得出黏着力的大小。图8给出了吸附力、负孔压和黏着力随时间的发展曲线，以受拉为正。横坐标时间从上拔力第一次等于基础自重到上拔力第二次等于基础自重，即从基底开始产生黏着力开始到基础与土体完全脱离结束。

由图8可知，在650～850 s时间段内，吸附力和真空吸力在拉拔过程中与时间呈正相关，并且为线性相关。即吸附力和负孔压随着时间的增长而增加。而黏着力和时间的关系是非单调的，在起始时刻随着时间的增长而增长，在第770 s处达到最大值0.46 kPa，约占到吸附力的32.6％。之后黏着力开始减小，约在870 s处即基础将与土体分离时，黏着力减小到0.11 kPa，只占到吸附力的4.5％。此后，模型板与土样完全分离，吸附力、负孔压和黏着力都骤减为零。由此可以看出，在拉拔过程中，黏着力在吸附力中所占的比例一直是变化的。在拉拔过程中的某一点处，黏着力所占比例达到最大值，约占到1/3；在拉拔即将结束这一点处，黏着力所占比例减小到4.5％，此时可以忽略不计。

图8 力随时间的变化Fig.8Change of force with time

3 结论

（1）在受压和受拉时，圆形均布荷载中心点下的孔隙水压力分布符合附加应力计算公式。随着埋深的增加，孔压消散速度越来越小。并且在孔压的消散过程中，具有一定埋深的孔压值不一定都是减小的。当超过某个埋深时，其孔压值可能是增加的。这可能是由曼德尔效应造成的，需要进行进一步试验验证。

（2）当拉拔速率较小时，拉拔速度对吸附力的影响较大，随着拉拔速率的增加，吸附力增速较大；当速率超过一定值后，拉拔速率对吸附力的影响减小，吸附力增速放缓。

（3）拉拔起始阶段，当拉拔力较小时，孔压消散较慢。随着上拔力的增加，试验板与黏土表面间开始产生黏着力，同时也导致负孔压的形成；随着上拔力的继续增加，负孔压发展越来越快，并在模型板即将脱离土体表面时达到最大值。同时，土体位移影响着负孔隙水压力的发展，位移越大，负孔隙水压力越大；位移越小，负孔隙水压力越小。

（4）拉拔过程中，在试验板与土体脱离前，吸附力和负孔压随着时间线性增加，黏着力随着时间先增加后减小。黏着力在吸附力中所占的比例有很大的变化，最大约为1/3；在拉拔即将结束时，黏着力仅占4.5％，此时计算中可忽略不计。

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Study on suction in saturated clay foundation

WANG Hong⁃min,QIU Chang⁃lin
（Tianjin University Institute of Architecture and Engineering,Tianjin 300072,China）

The suction is a common load in port engineering and marine engineering.It is usually studied as a whole by experiments and the influence factors and the interaction of negative pore pressure and adhesion are not studied completely.Therefore,the influence factors of uplift speed and overburden load on suction were studied by model test in order to determine the value and development rule of negative pore pressure and adhesion.Test results show that the distributions of pore water pressure of soils below the center of circular foundation under compressing and pulling load conform the calculated results of additional stress.The suction increases with the increase of uplift speed and the increasing rate decreases when uplift speed exceeds certain value.The negative pore pressure devel⁃ops with the displacement of soils.Both suction and negative pore pressure increase with time and adhesion increas⁃es first and then decreases with time.

suction force;negative pore pressure;adhesive force;uplift speed

TU 411

A

1005-8443（2016）02-0181-06

2015-03-30；

2015-11-04

天津市重点项目基金资助（11JCZDJC23900）

王宏民(1990-)，男，河北省邯郸人，硕士研究生，主要从事岩土工程研究。

Biography：WANG Hong⁃min（1990-），male，master student.