斜壁桶形基础水平承载力计算方法

刘金龙+陈陆望+王吉利+汪东林

摘要：基于斜壁桶形基础的空间受力状态和基本假定，利用极限平衡法推导得到了斜壁桶形基础的水平承载力表达式，并与模型试验结果进行对比，验证了该计算方法的可靠性。通过变动参数，分别探讨了桶壁倾角、地基反力比例系数、桶基顶部直径、桶基高径比、水平力作用点高度等水平承载力的影响及相对敏感性。计算表明斜壁桶形基础的水平承载力随着桶壁倾角的增大而急剧增大。研究结果有助于对传统桶形基础进行优化设计。

关键词：斜壁桶形基础；水平承载力；极限平衡；倾角

中图分类号：P754 文献标识码：A 文章编号：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

桶形基础是一种特殊的基础形式，其上部封闭、底部开口，因像倒扣在土中的圆桶而得名。这种基础在安装时，借助桶中抽真空形成的负压把圆桶贯入土中，因而也称负压桶形基础或吸力式基础。世界上第一座桶形基础平台Europipe 16/11-E于1994年7月在北海安装成功[1]。与传统的桩基础或重力式基础相比，桶形基础具有造价低、便于运输安装、施工速度快和可重复使用等特点，可用于近海风电工程、浅海石油与天然气资源开发、系泊海上浮动式结构物等工程的基础形式[2]，被称为“导管架基础工程技术新时代的曙光”。

目前使用的桶形基础多为直壁圆桶形式，如Europipe 16/11-E的导管架由4个直径12 m、桶高9.5 m的桶形基础承担，平台总重量5 240 t；渤海湾西南部海洋石油QHD 32-6-4中的吸力锚为桶直径6.0 m、桶高3.2 m、单个锚重35 t的桶形基础；中国南海西部海域的文昌13-1、文昌13-2油田中，用于浮式生产存储、卸油系统系泊的吸力锚直径5.0 m、高度11.5 m，单个锚重50 t[3]。

施晓春等[4]基于模型试验对桶形基础在水平荷载作用下的变形与土压力分布进行了研究，提出了单桶水平承载力计算方法；刘振纹等[5]通过模型试验和有限元计算，分析了单桶基础的地基极限水平承载力，考察了基础主动区与被动区的土压力分布；王庚蓀等[6]根据土体的简化弹簧模型，从理论上分析了横向载荷作用下土体与桶形基础的相互作用；金书成等[7]基于有限元方法研究了饱和排水砂土条件下吸力式桶形基础的水平极限承载力和失稳模式；国外学者Zdravkovic等[8]、Aubeny等[9]、 Houlsby等[10]也对直壁桶形基础进行了广泛深入的研究，促进了桶形基础的发展。

事实上，为了把应力扩散到更大面积的桶底土层上，可以采用斜壁形式的桶形基础[11-12]。目前对这种新型的桶形基础研究较少，缺乏有效的试验数据，对其承载力与稳定性的计算更无规范可参考。

为此，本文基于力学分析方法，对斜壁桶形基础的水平承载力进行了系统性研究，考察了斜壁倾角、桶高、桶径、土性参数等对水平承载力的影响，为斜壁桶形基础的设计与应用提供参考。

1 水平承载力计算方法

1.1 计算模型

当斜壁桶形基础达到水平极限平衡状态时，其受力模型见图1。

实际工程中，桶基顶部直径D、高度H和桶壁倾角β三个参数的最合理取值问题，需根据水平承载力要求、海床地质条件、土性参数、施工难易程度等综合确定。

3.5 海床深度对水平承载力Pu的影响

桶形基础可用于近海风电工程、浅海石油与天然气资源开发、系泊海上浮动式结构物等工程的基础形式，而这些工程的建设与海床深度密切相关。海床越深，海洋平台的高度越大，导致水平荷载至桶基顶部的距离增加，故可用水平荷载的作用高度Lp来反映海床深度。

图8给出了β=4°时水平荷载作用高度Lp对桶基水平承载力Pu的影响。Lp=35.0 m时的水平承载力比Lp=20.0 m时的水平承载力减小了39.3%。桶基水平承载力Pu随着水平荷载作用高度增加而急剧减小。

可见，海床深度也是桶形基础设计中的一个重要参数。若海床较深，采用单个桶形基础难以满足要求时，可采用多桶联合基础，此时计算方法更为复杂。

4 结论

（1）基于斜壁桶形基础的空间受力状态和基本假定，利用极限平衡法推导得到了斜壁桶形基础的水平承载力表达式，并与试验结果进行比较，验证了该计算方法的可靠性。

（2）斜壁桶形基础的水平承载力随着桶壁倾角的增大而急剧增大。这个规律的认识对桶形基础的优化设计有重要的促进作用。

（3）桶形基础的水平承载力随着地基反力比例系数的增加而增大，并呈线性关系。地基反力比例系数难以准确测定，影响其值的因素较多。故需发展针对海洋土、海床地基反力比例系数的准确确定方法，并建立相应的详细表格供查取。

（4）桶形基础的水平承载力随着桶基顶部直径或桶基高度的增大而急剧增大，随着作用点高度的增加而急剧减小。

实际工程中，桶基顶部直径、高度和桶壁倾角等参数的合理取值，需根据水平承载力要求、海床地质条件、土性参数、施工难易程度、海床深度等因素综合确定。

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