粉质土中桶基负压沉贯过程及其土塞的试验研究
|
摘要
本文是国家自然科学基金项目“海上平台桶形基础及其作用下的粉质土海床失稳机制的研究”的前期研究内容，主要通过模型试验对负压沉贯过程的渗流梯度及其桶内粉质土的失稳机制进行研究，并探讨和分析了不同比尺的桶基的沉贯效应。主要研究内容与成果有：
根据模型实验结果对不同比尺的桶基的沉贯行为进行了研究，并初步分析了沉贯行为产生的原因。
通过对土单元体的力学分析，提出渗流出口的临界渗流梯度的计算方法，根据桶基端部处是否出现最大渗流梯度，对负压沉贯过程中渗流梯度的分布形式进行了划分。
桶基端部土体的破坏形式是高渗流梯度下的剪切破坏，并通过计算得出沉贯阻力主要是桶基端部阻力，模型实验中桶基侧壁摩擦力可以忽略，壁厚大的桶基，所削减的端部阻力也大。
通过多种试验对土塞形成的原因进行了分析，提出土塞产生的流变原因，该流变的一个显著特点是作为塑性变形区整块土体受负压作用，而塑性变形区内部土体受向上的渗流作用，这两种作用都是土塞形成和发展的积极因素。通过对实验数据的整理、分析，提出了土塞大小的计算方法，建立了土塞大小的统计模型：H=β_0+β_1(?)+ζ，并指出了模型参数β_0和β_1的实际意义；通过大量的实验数据验证，该模型是可靠的。
The thesis is the initial research content of the project "Bucket Foundation and Unstability Mechanism Research Influenced by Bucket foundation on Silty.Sand Seabed", which is supported by the national natural science fund. It mainly carry about the research of seepage gradient in the process of suction penetration and unstability mechanism of silty sand in the bucket foundation, and it also discuss and analyze the penetration effect of bucket foundation of the different ratio size.
The penetration effect of the different ratio size in the process of penetration is studied and analyzed according to the result of experiment.
The calculating method of critical seepage gradient is brought forward through the mechanics analysis of the soil unit. Seepage gradient is divided into three different distributing style, through the analysis of data from sensors, on the basis of the position of the end of bucket foundation and the maximum seepage gradient.
The conclusions are drawn that the soil body's failure style at the end of bucket foundation is shear failure under condition of the high seepage gradient;Penetration resistance is mainly the resistance of the end of bucket foundation, because friction can be omit according to calculation, the bucket foundation of the thicker wall reduces more resistance in the soil body.
The five reason of the formation and development of the plug is considered , and the rheology of soil body in the plastic deformation area is especially pointed out; The statistic model is built in order to calculate the plug's length, and the practical significance of the model parameters is given out. It plays an important role on predicting the length of the plug in the process of penetration.
根据模型实验结果对不同比尺的桶基的沉贯行为进行了研究，并初步分析了沉贯行为产生的原因。
通过对土单元体的力学分析，提出渗流出口的临界渗流梯度的计算方法，根据桶基端部处是否出现最大渗流梯度，对负压沉贯过程中渗流梯度的分布形式进行了划分。
桶基端部土体的破坏形式是高渗流梯度下的剪切破坏，并通过计算得出沉贯阻力主要是桶基端部阻力，模型实验中桶基侧壁摩擦力可以忽略，壁厚大的桶基，所削减的端部阻力也大。
通过多种试验对土塞形成的原因进行了分析，提出土塞产生的流变原因，该流变的一个显著特点是作为塑性变形区整块土体受负压作用，而塑性变形区内部土体受向上的渗流作用，这两种作用都是土塞形成和发展的积极因素。通过对实验数据的整理、分析，提出了土塞大小的计算方法，建立了土塞大小的统计模型：H=β_0+β_1(?)+ζ，并指出了模型参数β_0和β_1的实际意义；通过大量的实验数据验证，该模型是可靠的。
The thesis is the initial research content of the project "Bucket Foundation and Unstability Mechanism Research Influenced by Bucket foundation on Silty.Sand Seabed", which is supported by the national natural science fund. It mainly carry about the research of seepage gradient in the process of suction penetration and unstability mechanism of silty sand in the bucket foundation, and it also discuss and analyze the penetration effect of bucket foundation of the different ratio size.
The penetration effect of the different ratio size in the process of penetration is studied and analyzed according to the result of experiment.
The calculating method of critical seepage gradient is brought forward through the mechanics analysis of the soil unit. Seepage gradient is divided into three different distributing style, through the analysis of data from sensors, on the basis of the position of the end of bucket foundation and the maximum seepage gradient.
The conclusions are drawn that the soil body's failure style at the end of bucket foundation is shear failure under condition of the high seepage gradient;Penetration resistance is mainly the resistance of the end of bucket foundation, because friction can be omit according to calculation, the bucket foundation of the thicker wall reduces more resistance in the soil body.
The five reason of the formation and development of the plug is considered , and the rheology of soil body in the plastic deformation area is especially pointed out; The statistic model is built in order to calculate the plug's length, and the practical significance of the model parameters is given out. It plays an important role on predicting the length of the plug in the process of penetration.
引文
[1] 施晓春，徐日庆，龚晓南等．桶形基础发展概况．[J]土木工程学报，2000，33(4) ：68～ 73．
[2] Senpere,D and Auvergne,GA.(1982) ,Suction piles-A proven alternative to driving or drilling or drilling.Proceedings of offshore technology conference,OTC4206,pp483-493．
[3] Aas, P. M, and Andersen, K. H., "Skirted Foundations for Offshore Structures", the Ninth Offshore South East Asia Conference, Singapore, December 1992．
[4] Tjelta.T.I.(1995) .Geotechnical experience from the installation of the Europe Jacket with bucket foundation.OTC7794,Houston,Texas,U.S.A.,1-4 May,897-908．
[5] Dyvik, R, Anderson, K.H.,Hansen,S. R. and Christopher sen, H. p. (1993) . "Field test of anchor in clay I: Description. "J. Geotech. Engrg, ASCE, 119(10) 1515-1531．
[6] Anderson,K.H.,Dyvik,R., Schroder, K, Hansteen, O. E., and Bysveen,S. (1993) . "Field test of anchor in clay II:Predictions and interpration. "J. Geotech Engrg, ASCE, 119(10) , 1513-1549．
[7] 张士华．桶基负压沉贯过程的有限元分析．[博士学位论文]．青岛．青岛海洋大学， 1999．
[8] Bye, A.C. Erbrich,B. Rognlien and T. I.Tjelta(1995) . Geotechnical design of the bucket foundations. Proceedings of the 27th annual offshore technology conference,Vol 2, OTC7793,869-884．
[9] Barheim M, Statoil, Hoberg L,Aker Engineering, Larsen J, Dr. ing. A. Aas-Jakobs-sen A/S and Tjelta T. I., statoil :"struct rural Design of the Bucket Foundations for the Europipe Jacket", OTC7792, Houston May 1995．
[10] Andreasson B, Christophersen H P, Kvalstad T J. Filed model tests and analyses of suction installed long skirted foundations. BOSS'88, 1 988． 2 43-2 57．
[11] Rognlien B, Sparrevik P, Eriksen K. Caisson foundations for jacket structures. Int Journal of Offshore and Polar Engineering, 1994, 4(3 ) :2 2 3-230．
[12] Tjelta.T.l,statoil,A/S:"Geotechnical Aspects of Bucket Foundations Replacing Piles for the Europipe 16//11-E Jacket"OTC7379, Houston May 1995．
【13】Rusas, P, Ciske, S,G, Christiansen, P.E. and Baerheim, M:"Design, Operation, Planning and Experience from the Marine Operation for the Europipe Jacket with Bucket Foundations"OTC7794, Bouston May 1995.
【14】Tjelta. T.I: "Geotechnical Experience from the Installation of the Europipe Jacket with Bucket Foundations" OTC7795,Houston May 1995.
【15】杨树耕，孟昭瑛，许涛等．海上桶基平台负压沉贯阻力的数值计算研究[J]．海洋学报，1999，21(6)：94～101．
【16】丁红岩，刘振勇，陈星．吸力锚土塞在粉质粘土中形成的模型试验研究[J]岩土工程学报，2001，23(4)：441～444．
【17】黄新生．滩海油田桶形基础的开发[J]．石油规划设计，1998，第1期．
【18】杨少丽，李安龙，齐剑峰．桶基负压沉贯过程模型试验研究．[J]岩土工程学报，2003，25(2)：236～238．
【19】齐剑峰，冯秀丽，林霖等．桶形基础及其作用下的粉质土海床失稳机制研究的试验设计[J]青岛海洋大学学报，2002，32(6)：949～954．
【20】韦鹤平，李行伟，钱达仁等．环境工程水力模拟．[M]北京：海洋出版社 2001：6
【21】陈仲颐 周景星 王洪瑾．土力学．[M]北京：清华大学出版社，1994：4
【22】杨少丽，叶银灿，冯秀丽．疲劳模型评价海底粉土不稳定性的应用．[J]青岛海洋大学学报，2002，32(1)：115～119．
【23】杨少丽，Rolf Sandven，林霖等．改进的室内粉土制样技术．[J]岩土工程学报，2000，22(3)：379～380．
【24】黄锋，楼志刚．排水条件对海洋粉质土动力特性的影响．[J]岩土工程学报，1997，19(1)：22～29．
【25】马有何．饱和粉土的物理学特征．[J]电力勘测，1997，1：48～50．
【26】苏彤，成晓平．粉土抗液化性能的微观分析．[J]山西建筑，2001，27(5)：30～31．
【27】朱儒弟，张亭健，胡福辰等．桶形基础模型负压沉贯的土工技术试验研究．[J]海岸工程，1999，18(1)：37～42．
【28】孙东昌，张士华，于鸿洁．桶形基础负压沉贯特性分析．[J]海岸工程，1999，18(1)：33～36．
【29】王秀勇，肖熙，张世联．桶形基础下沉的条件分析．[J]上海交通大学学报，1998，32(11)：110～113．
【30】Bye A, Erbrich C, Rognlien B. Geotechnical design of bucket foundations. OTC7793, 1995.869～883.
【31】钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算．[M]北京：中国水利水电出版社，1996．
【32】冯秀丽，马艳霞，林霖等．现代黄河水下三角洲粉土的临界水力坡降探讨．[J]海洋科学，2002，26(6)：54～57．
【33】孙东昌，张士华，徐松森等．海上桶基平台负压沉贯阻力与土体稳定数值计算研究．[J]中国海洋平台，15(2)：20～23．
【34】张士华，杨树耕．海上桶形基础平台负压沉贯渗流场有限元分析[J]．黄渤海海洋，1999，18(4)：18～23．
【35】朱儒弟，高恒庆，马小兵等．海上平台桶形基础模型压力压贯与负压沉贯试验研究．[J]海岸工程，1999，18(1)：60～66．
【36】张亭健，胡福辰，王振先等．海上平台桶形基础负压沉贯技术的模拟试验研究方案．[J]海岸工程，1999，18(1)：67～78．
【37】辛海英，朱儒弟，张亭健等．海上平台桶形基础模型负压沉贯试验数据处理与分析．[J]海岸工程，1999，18(1)：80～84．
【38】施晓春，徐日庆，龚晓南等．桶形基础单桶水平承载力的试验研究．[J]岩土工程学报，1999，21(6)：723～726．
【39】Erbrich C T, Tjelta T I. Installation of bucket foundations and suction caissons in sand-geotechnical Technology Conference[C].Houston:OTC 10990,1999.725～735.
[2] Senpere,D and Auvergne,GA.(1982) ,Suction piles-A proven alternative to driving or drilling or drilling.Proceedings of offshore technology conference,OTC4206,pp483-493．
[3] Aas, P. M, and Andersen, K. H., "Skirted Foundations for Offshore Structures", the Ninth Offshore South East Asia Conference, Singapore, December 1992．
[4] Tjelta.T.I.(1995) .Geotechnical experience from the installation of the Europe Jacket with bucket foundation.OTC7794,Houston,Texas,U.S.A.,1-4 May,897-908．
[5] Dyvik, R, Anderson, K.H.,Hansen,S. R. and Christopher sen, H. p. (1993) . "Field test of anchor in clay I: Description. "J. Geotech. Engrg, ASCE, 119(10) 1515-1531．
[6] Anderson,K.H.,Dyvik,R., Schroder, K, Hansteen, O. E., and Bysveen,S. (1993) . "Field test of anchor in clay II:Predictions and interpration. "J. Geotech Engrg, ASCE, 119(10) , 1513-1549．
[7] 张士华．桶基负压沉贯过程的有限元分析．[博士学位论文]．青岛．青岛海洋大学， 1999．
[8] Bye, A.C. Erbrich,B. Rognlien and T. I.Tjelta(1995) . Geotechnical design of the bucket foundations. Proceedings of the 27th annual offshore technology conference,Vol 2, OTC7793,869-884．
[9] Barheim M, Statoil, Hoberg L,Aker Engineering, Larsen J, Dr. ing. A. Aas-Jakobs-sen A/S and Tjelta T. I., statoil :"struct rural Design of the Bucket Foundations for the Europipe Jacket", OTC7792, Houston May 1995．
[10] Andreasson B, Christophersen H P, Kvalstad T J. Filed model tests and analyses of suction installed long skirted foundations. BOSS'88, 1 988． 2 43-2 57．
[11] Rognlien B, Sparrevik P, Eriksen K. Caisson foundations for jacket structures. Int Journal of Offshore and Polar Engineering, 1994, 4(3 ) :2 2 3-230．
[12] Tjelta.T.l,statoil,A/S:"Geotechnical Aspects of Bucket Foundations Replacing Piles for the Europipe 16//11-E Jacket"OTC7379, Houston May 1995．
【13】Rusas, P, Ciske, S,G, Christiansen, P.E. and Baerheim, M:"Design, Operation, Planning and Experience from the Marine Operation for the Europipe Jacket with Bucket Foundations"OTC7794, Bouston May 1995.
【14】Tjelta. T.I: "Geotechnical Experience from the Installation of the Europipe Jacket with Bucket Foundations" OTC7795,Houston May 1995.
【15】杨树耕，孟昭瑛，许涛等．海上桶基平台负压沉贯阻力的数值计算研究[J]．海洋学报，1999，21(6)：94～101．
【16】丁红岩，刘振勇，陈星．吸力锚土塞在粉质粘土中形成的模型试验研究[J]岩土工程学报，2001，23(4)：441～444．
【17】黄新生．滩海油田桶形基础的开发[J]．石油规划设计，1998，第1期．
【18】杨少丽，李安龙，齐剑峰．桶基负压沉贯过程模型试验研究．[J]岩土工程学报，2003，25(2)：236～238．
【19】齐剑峰，冯秀丽，林霖等．桶形基础及其作用下的粉质土海床失稳机制研究的试验设计[J]青岛海洋大学学报，2002，32(6)：949～954．
【20】韦鹤平，李行伟，钱达仁等．环境工程水力模拟．[M]北京：海洋出版社 2001：6
【21】陈仲颐 周景星 王洪瑾．土力学．[M]北京：清华大学出版社，1994：4
【22】杨少丽，叶银灿，冯秀丽．疲劳模型评价海底粉土不稳定性的应用．[J]青岛海洋大学学报，2002，32(1)：115～119．
【23】杨少丽，Rolf Sandven，林霖等．改进的室内粉土制样技术．[J]岩土工程学报，2000，22(3)：379～380．
【24】黄锋，楼志刚．排水条件对海洋粉质土动力特性的影响．[J]岩土工程学报，1997，19(1)：22～29．
【25】马有何．饱和粉土的物理学特征．[J]电力勘测，1997，1：48～50．
【26】苏彤，成晓平．粉土抗液化性能的微观分析．[J]山西建筑，2001，27(5)：30～31．
【27】朱儒弟，张亭健，胡福辰等．桶形基础模型负压沉贯的土工技术试验研究．[J]海岸工程，1999，18(1)：37～42．
【28】孙东昌，张士华，于鸿洁．桶形基础负压沉贯特性分析．[J]海岸工程，1999，18(1)：33～36．
【29】王秀勇，肖熙，张世联．桶形基础下沉的条件分析．[J]上海交通大学学报，1998，32(11)：110～113．
【30】Bye A, Erbrich C, Rognlien B. Geotechnical design of bucket foundations. OTC7793, 1995.869～883.
【31】钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算．[M]北京：中国水利水电出版社，1996．
【32】冯秀丽，马艳霞，林霖等．现代黄河水下三角洲粉土的临界水力坡降探讨．[J]海洋科学，2002，26(6)：54～57．
【33】孙东昌，张士华，徐松森等．海上桶基平台负压沉贯阻力与土体稳定数值计算研究．[J]中国海洋平台，15(2)：20～23．
【34】张士华，杨树耕．海上桶形基础平台负压沉贯渗流场有限元分析[J]．黄渤海海洋，1999，18(4)：18～23．
【35】朱儒弟，高恒庆，马小兵等．海上平台桶形基础模型压力压贯与负压沉贯试验研究．[J]海岸工程，1999，18(1)：60～66．
【36】张亭健，胡福辰，王振先等．海上平台桶形基础负压沉贯技术的模拟试验研究方案．[J]海岸工程，1999，18(1)：67～78．
【37】辛海英，朱儒弟，张亭健等．海上平台桶形基础模型负压沉贯试验数据处理与分析．[J]海岸工程，1999，18(1)：80～84．
【38】施晓春，徐日庆，龚晓南等．桶形基础单桶水平承载力的试验研究．[J]岩土工程学报，1999，21(6)：723～726．
【39】Erbrich C T, Tjelta T I. Installation of bucket foundations and suction caissons in sand-geotechnical Technology Conference[C].Houston:OTC 10990,1999.725～735.