随着海洋石油工业的发展，海洋平台不断应用于复杂海况和复杂的地质条件，要求的设计精度越来越高。由于问题的复杂性和缺乏足够的经验和数据，理论和数值计算较困难且很难得到准确结果_l 。土的变形和强度都决定于有效自重应力，室内lg条件下的小模型实验因不能模拟重力效应，不能反映原型尺度的受力状态，而原型观测和足尺模型实验费用高、时间长。要使在小比尺条件下与原型相应点上的有效自重应力相同，可行的办法就是采用离心机实验，这也是国内外大量开展离心机实验研究的原因一。
深水平台承受的控制载荷一般是波浪载荷，平台有张力腿或Spar等型式，基础以承受拉拔载荷为主。目前对垂向动载引起的桶基平台响应研究较少 ]。本文介绍用离心机实验研究垂向动载条件下桶形基础及周围土体的变形和承载力特性；分析了垂向动载荷下桶基周围土体的影响范围、孔压分布、沉降特性等。
l 离心模型制备
离心模型试验在清华大学50g—t土工离心机上进行，该离心机的最大离心加速度为250g。100g离心加速度下允许最大载重300kg。试验所采用的模型箱内缘尺寸为600ram×350mm×350 mm3。所采用的地基土为粉质砂土，比重为2．69，平均粒径为0．14mm，渗透系数为5×10—4cm／s，颗粒级配曲线见图l。离心模型布置如图2所示。吸力式桶形基础Eh埋入土中的薄壁钢制中空圆桶和焊接在桶顶的细钢管组成。桶内、外径分别为60mm和62mm，桶内净深为48ram，顶厚2mrn。激振器的出力杆与桶顶钢管相连，在桶基顶部布置一个垂直位移传感器，同时在桶外泥面上布置一个垂向位移传感器量测土体的沉降。
采用电液伺服动加载系统施加位移载荷于桶基上。加载系统能施加的载荷幅值为03000N，频率为020Hz，加载器的最大许可位移为50ram。实验时，将垂直循环载荷施加到桶基础上，载荷频率为16Hz(模型频率)，载荷从0．5 2mm变化。载荷作用最长时间为25分钟。在加载过程中测量土中孔隙压力、桶的水平位移、垂直位移、孑L隙压力和施加到桶上的水平力。
六个从英国DRUCK公司进口的PDCR81型孔隙水压力传感器在制备土样过程中埋设在土中(不固定，可以随土体变形而变形)，记录初始埋设的位置和实验后所在的位置(图3)。孑L压计的初始布置位置如下：每个PPT的垂直和水平间隔为1．5cm(后面数据如无注明，均表示模型数值。)。距离桶侧壁最近的孑L压传感器头部的微型陶瓷板与侧壁的距离为2mm。泥面以上水深lCITI，22，l7和l8号PPT在水位下2．5cm，离桶侧壁的距离分别为2cm，5cm，licm，23、25和26号PPT之间的距离为1．5cm。在实验过程中，这些孔压计的位置会发生一些变化，实验后记录了这些孑L压计的初始和最后位置，后面图形中标出的孑L压计的位置是实验后的位置。为了保证模型有较好的重复性和均匀性，约20cm厚的模型粉质砂土分5层铺，每层用手轻拍击实，由于密度控制，下面几层留一定的固结余量以保证最后整体密度基本一致。试样的饱和是通过从模型底部向上缓慢渗水来进行。当水面超过土表面后，采用真空泵抽真空饱和，连续抽气饱和38小时Ll¨。
2 实验结果及分析
离心模型实验模拟了约l7m厚的均匀粉质砂土地基，该地基在80g离心加速度下的离心机运转过程中完成固结，固结时间为4O分钟(相当于原型6个月)，使其达到预定的土体密度。固结前后土的干密度分别为1．52g／cm 和1．6g／cm。土的浮重为 一O．97ikg／m 。固结沉降为icm(相当于原型80 cm)。
图4给出了不同载荷幅值条件下超孑L压沿土体深度的变化。可以看到，从泥面开始，沿深度方向，超孑L压逐渐减少；随载荷幅值的增加，上部土体中的超孑L压明显增大，完全液化土体的厚度增加，当载荷幅值为2ram时，桶周围土体在全厚度内完全液化。图5给出了超孑L压沿水平方向的变化。可以看到，从桶壁开始，超孑L压沿水平方向逐渐减小，随着载荷幅值的增加，土体中各处的超孑L压增加。图6给出了实验后土体表面的最终位置，从中可以看到土体的最大变形随载荷幅值的增加而增加，但是发生变形的最大土体范围不随载荷幅值的变化而变化，即对应一定条件，土体中存在一个极限影响区，区内土体发生明显的强度变化和沉降，区外土体可以认为是弹性的。从图7显示的实验后土层中各处密度的分布也可以看出，在桶基周围一定范围内土体变化大，超过该范围，则土体密度基本不变，这也说明土体中存在一个极限影响区。这是因为土体液化后，对外部施加的动载有滤波作用，即减阻作用，使得外载荷传播距离受到限制，同时桶基垂向运动带动的土体范围在桶基尺寸和载荷频率(频率影响渗流范围)确定的情况下是确定的，因此土体受到的最大影响．范围不随载荷幅值增加而增加。图8为实验后的照片，从中可以看到桶 壁周围存在明显变化的范围，土体表面的黄色粘粒为下部孔隙水排出时带上来的。
3 结 语
针对垂向波浪载荷条件和张力腿桶基础，进行了离心机实验研究。研制了能用于离心机实验的动力加载设备和数据采集系统。实验研究表明，在垂向动载荷作用下，桶基周围一定范围内的土体发生液化和沉降。随载荷强度增加，土体中完全液化的土层厚度增加。对应一定的条件，士体中存在一个极限影响区，区内土体发生明显的强度变化和区外土体可以认为是弹性的。土体沉降随载荷强度增加而增加，但是发生变形的最大范围不随载荷强度的增加而变化。
北京中科院力学所；北京中海油研究中心；清华大学水利系
矫滨田 鲁晓兵 时忠民 张建红 林小静
