Study of bottom-sitting adsorption tests of submarine structures and the influencing factors
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摘要:目的
针对海底结构物回收过程中的土体吸附力造成结构物回收困难的问题，提出海底结构物坐底吸附力模型试验方法。
方法通过设计一系列海洋结构物底座模型，搭建简易的模拟结构物坐底抬升过程的模型试验装置，并采用特制加载装置定量测量坐底抬升受到的吸附力，以探究土壤类型、坐底时间、坐底质量、坐底面积、底座材料等参数对结构物坐底吸附力的影响规律。
结果试验结果表明：吸附力与坐底时间、坐底质量呈正相关关系，与坐底面积呈负相关关系；砂土和模拟土的吸附力约为海试土的50%和80%；底座材料越光滑，吸附力越小。
结论研究成果可为海底结构物设计提供参考。
Abstract:ObjectivesAiming at the problem of structure recovery difficulty caused by soil adsorption force in the process of submarine structure recovery, the model test method of submarine structure sitting bottom adsorption force is proposed.
MethodsBy designing a series of marine structure base models, building a simple model test device to simulate the process of structure bottom lifting, and adopting a special loading device to quantitatively measure the adsorption force of bottom lifting, we investigated the influence of parameters such as soil type, time of bottom lifting, mass of bottom lifting, area of bottom lifting, and material of base lifting, etc. on the adsorption force of bottom lifting of the structures.
ResultsThe test results show that the adsorption force is positively correlated with the sitting time and sitting weight, and negatively correlated with the sitting area; the adsorption force of sandy and simulated soils is about 50% and 80% of that of the sea-tested soils; the smoother the base material is, the smaller the adsorption force is.
ConclusionsThe research in this paper can improve the design efficiency of submarine structures in China.
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0. 引 言
潜器、海底实验室等海底结构物开展长周期原位研究时需要长时间潜坐海底[1]，在此过程中海床土体与海底结构物的底座装置将发生相互作用。海底结构物在抬升阶段将明显受到土体吸附力的作用，尤其当结构物与海床完全分离时，该阶段涉及了复杂的海床–水–空气之间的相互作用；在离底阶段，海底淤泥质土体将对海底结构物产生极大的吸附力，从而使结构物抬升所需的力大于其在水下受到的重力。因此，结构物需要更多动力来脱离海床，这给海底结构物的抬升带来了极大的挑战[2]。
目前，业内学者对土体吸附力的作用机理及影响因素开展了相关研究，将结构物的离底脱离过程划分为不同的阶段，并提出数值模型予以模拟。Sawicki等[3]将在饱和黏土中的过程分为2个阶段：第1阶段是结构物始终与土体保持一定的接触（即无缝隙阶段），第2阶段是结构物完全拉离土体（即有缝隙阶段）。同时，利用土壤中孔隙流体的质量平衡方程，提出第1阶段破土过程的一维分析模型。Foda[4]考虑了孔隙度以及海床弹性，提出脱离过程第2阶段的分析模型。Zhou等[5]针对位于多孔线性弹性海床表面的圆盘整体脱离过程，建立数值模型，提出一个过渡阶段来连接无缝隙阶段和有缝隙阶段——在拉离土体瞬间，此时结构物表面与土体接触面仍存在一定接触且水并未完全渗透。上述研究成果加深了学术界对结构物坐底抬升过程的理解。
对于坐底吸附力的影响因素，目前主要开展了模型试验与数值模拟两方面的研究工作。模型试验主要围绕锚板、地基等结构物而展开。Vesić等[6]通过开展锚板模型试验，解释了吸附力的形成机理，当锚板在拉力作用下向上运动时，锚板下面的孔隙水压力将随之增加，从而产生上、下表面的压差，此时锚板与黏土之间还存在黏着力，这些均为吸附力贡献因素。后续学者针对不同加载速率与含水率[7]、不同土体中的圆板锚[8]、浅板锚在消去底部土体吸力下的不同嵌入率与不同载荷[9]等工况，分别开展吸附力影响因素的模型试验研究。针对地基，Zhang等[10]通过现场试验研究垫层地基在软质海洋黏土海底受到的土体吸附力，发现其与土体固结程度、外载荷有关。Das[11]结合地基的不同形状与埋置深度进行了模型试验研究。然而，目前针对海底结构物底座模型试验方面的研究成果相对较少。李迎华等[12] 以单一的潜器模型整体作为模型试验对象，并未涉及不同的潜器底座参数，因此其在理解海底结构物底座产生的土体吸附力机理和影响因素等方面还有所欠缺。在数值模拟层面，由于土体的真实变形形态模拟、土体与结构物接触部分水体的流动状态模拟、假设合适的边界条件等问题上还存在难点，因此，学者们基于大量的试验和工程经验，提出了例如土体的本构模型[13]、刚性多孔海床的二维提升模型[14]、刚性多孔海床倾斜升起时的诱导流场及诱导力计算模型[15]。需注意的是，不同学者开展数值仿真时采用了不同的模型，其在相同工况下的吸附力计算值与模型试验值也会有所不同，可以重点参考在单一数值模型工况下吸附力的影响因素。Ta等[16]研究了锚杆在不同上浮载荷影响下的行为，分析锚杆周围产生的孔隙压力、锚杆底部与土壤的分离程度以及破坏机制等。还有一些学者针对锚杆形状、埋深、粗糙度和加载压力[17]、沉垫地基土体参数、上拔时间、排水孔设置[18]、浸没深度、抬升方式以及底座开孔数量、底部框架形式、土体固结程度[19]等方面开展了数值仿真研究。针对海洋中潜坐结构物所受吸附力的影响因素，李辉[20]探究了沉降和提升过程中结构物和土体之间的作用机理，研究土体固结和孔隙水渗流对吸附力的影响，然而其简化了模型结构且土体模型与实际土体性质之间仍然存在一定差距，且未通过试验验证其仿真方法的准确性，因此其研究成果仅适用于试验指导。
综上所述，虽然学者们针对坐底吸附力开展了大量的模型试验及数值模拟研究，但对于圆柱形的海底结构物底座模型以及坐底时间效应的影响方面还有所欠缺，并且数值模型所涉及的参数较为复杂，难以模拟真实的海土状态。鉴于模型试验可以直观有效地反映坐底吸附力的大小与作用机理，本研究拟通过试验来模拟海底结构物坐底抬升过程中的土体吸附力，分析坐底结构物在坐底时间、坐底质量、坐底面积、底座材料和土壤类型等不同坐底参数作用下的土体产生吸附力的变化规律，从而为水下潜器、海底实验室等装备的安全性设计提供参考。
1. 试验的软硬件系统
本试验将模拟真实海底结构物的触底−坐底−抬升过程，通过简化海底结构物的设计方案，搭建一套简易的模拟海底结构物坐底−抬升过程的模型试验装置（图1），包含底座模型（用于模拟海底结构物底座）、加载装置（用于测量模型抬升过程中受到的牵引力）、海床模型（用于模拟真实海床）、负孔隙水压测试装置（用于测量模型底部受到的负孔隙水压）。
1） 底座模型。
底座模型包含1个管道底座、T型钢架加载平台和配重，其中管道底座用于模拟海底结构物的底座部分，由于底座通常沿结构物中心线对称分布，因此本试验仅取其一侧进行试验分析；T型钢架加载平台与管道底座焊接在一起，主要用于承载配重，通过其上面预留的4个孔与拉压试验仪的挂钩相连；不同质量的配重用于模拟结构物坐底时的载荷。不同工况下的模型尺寸如表1所示，模型实物如图2所示。
表 1 模型参数Table 1. Model parameter模型编号 直径/mm 长度/mm 壁厚/mm 材质 一号管 51 400 1.5 不锈钢 二号管 100 400 2 不锈钢 三号管 152 400 2 不锈钢 四号管 108 400 3 钛合金 五号管 110 400 2 橡胶 2） 海床模型。
本试验将选取3种土壤类型，分别为海试土、模拟土和砂土，如图3所示。海试土采自东沙群岛附近经度115°E、纬度20°N附近，开采深度为1.5～2.1 km，试验过程中为消除海土分层对试验结果的影响，最终将3种深度的海试土进行混合搅拌，以研究单层土对吸附力的作用。模拟土来自田园地表，主要为团粒结构好的细颗粒，透水/透气性较好。砂土则采用工程用粗砂，直径为0.5～2 mm，颗粒较大，形状不规则。
在此基础上，即可根据模型尺寸选用本试验所用的土箱。土壤深度400 mm，将底座模型布置于土箱中间，模型侧边与土箱间距大于2.5D，模型底部与土箱底部间距大于3D（其中D为最大沉没深度，已通过预试验得出），以消除边界效应的影响，故本试验采用的土箱尺寸为1 100 mm×910 mm×610 mm。此外，由于海试土的数量有限，故采用较小的土箱进行试验，小土箱尺寸为600 mm×400 mm×450 mm。首先，将土体埋入土箱中，使其埋深为400 mm，并加水使水位没过土体；然后，使用搅拌机进行均匀搅拌，其间不断加水，使土体与水充分混合成黏稠均质状；最后，静置10 h，使土体充分沉降，以确保模拟土与海试土的质地状态相似，从而得到试验用的土壤样本。以模拟土为例，最后得到可以进行试验的海床模型如图4所示。
3） 加载装置。
加载装置用于模拟海底结构物的抬升与下降过程，其上表面安装的4个挂钩与底座模型可连成一个整体。采用计算机控制万能测试台对模型进行触底抬升作业试验（图5（a））。试验机尺寸为1 100 mm×1 100 mm×1 500 mm，可移动压杆的最大行程1 500 mm；配置有力传感器和位移传感器，最大试验力10 kN，误差为示值的±0.5%；可实现等速度加载，同时记录力−时间、位移−时间、力−位移等试验曲线，采样频率1 000 Hz。试验将主要记录力−时间曲线，并根据预试验采用最大量程为100 kg的力传感器进行试验（图5（b））。
4） 负孔隙水压测量装置。
负孔隙水压测量装置包含孔压计和动态信号采集仪，如图6所示。孔压计采用BWK孔隙水压力传感器，量程−0.1～0.1 MPa，其读取的电流电压信号可以通过东华测试动态应变数据采集仪DH5922D转化为数字信号，从而读取并记录测试得到的负孔隙水压信息。
2. 试验方案和步骤
2.1 试验工况
表2给出了12种试验工况。选取工况1开展2次重复试验，进行重复性验证；工况1，2，3用于研究土壤类型效应；工况2，4，5，6用于研究坐底时间效应；工况2，7，8用于研究坐底的重量效应；工况2，9，10用于研究底座面积效应；工况2，11，12用于研究底座材料效应，总计13次试验。
表 2 试验工况Table 2. Test cases工况 底座模型编号 加载质量/ kg 坐底时间/d 土壤 1 二号管 16 1 海试土 2 二号管 16 1 模拟土 3 二号管 16 1 砂土 4 二号管 16 4 模拟土 5 二号管 16 20 模拟土 6 二号管 16 35 模拟土 7 二号管 10 1 模拟土 8 二号管 20 1 模拟土 9 一号管 16 1 模拟土 10 三号管 16 1 模拟土 11 四号管 15 1 模拟土 12 五号管 15 1 模拟土 2.2 试验方案
本试验的操作流程分为4步，分别为坐底模拟、底座抬升、下次试验前准备以及数据测试处理。
1） 坐底模拟。
模型结构坐底形式如图7所示，参考海底结构物的坐底过程，结构物底座将随着主体一起触底与抬升，因此在坐底之前应先将底座模型组与加载装置相连，并在模型上布置一定数量的砝码，从而使模型质量等于目标质量，并调整砝码分布,令底座两端处于水平状态；然后，调节参数令拉压试验机以固定速度向下移动，观察拉压试验机的操作界面，当拉力曲线显示为0时，即代表底座模型已完全与土体接触，随即停止下降，取下挂钩，使底座模型可以随时间继续下沉。此外，为防止取下挂钩后的底座模型在Y方向产生力矩（坐标系设定如图7所示），继而在XOZ平面发生左右倾倒，本试验用绳子将底座加载平台沿X轴的左右方向拉住，并保证两端绳子并非完全紧绷，从而达到限制XOZ平面的自由度并释放竖直Z方向自由度的效果。按照图7所示的试验状态静置一定的时间，以模拟海底结构物的坐底场景。
2） 底座抬升和数据测试。
待底座模型静置一定时间后，即可开始抬升底座。开启动态信号采集仪和拉压试验机，用挂钩钩住底座模型上预留的4个挂孔，并确保4个挂钩的状态相同，以输出均匀的底座拉力（合力沿Z向）；操纵拉压试验机使其以100 mm/min的速度向上牵引底座抬升，并用拉压试验机测量底座受到的牵引力，用动态信号采集仪测量底座受到的负孔隙水压力。抬升后的底座如图8所示。
3） 下次试验前的准备工作。
在每次试验结束后，为防止坐底试验过程中的土体固结对下次试验产生影响，应采用搅拌机对土体进行均匀搅拌，并适当加水来补充试验过程中蒸发缺失的水分，如图9所示。通过搅拌使土体与水充分混合成黏稠均质状，与试验前的土体状态（制备后的初始土体状态）一致，其后静置10 h，使土体充分沉淀，以便控制土体参数，即可进行下一组试验。
4） 数据处理和分析。
底座受到的土体吸附力等于拉压试验机测得的最大总牵引力与结构质量（拉压试验机在平稳阶段测得的牵引力）之差。
F吸附=Ftotal−W (1) 式中：F吸附为底座结构受到的吸附力，kN；Ftotal为试验机测得的最大牵引力，kN；W为结构的重量，kg。
底座结构受到的最大负孔隙水压力为
F水压力=pA/2 (2) 式中：p为2个孔压计测得的负孔隙水压力的平均最小值，kPa；A为负孔隙水压力对底座结构下表面的作用面积，m2。
根据数据处理结果即可分析并解决试验过程中出现的问题，进而优化试验方案。
3. 结果分析
3.1 试验重复性验证
为了验证该试验方案和设备的稳定性以及可靠性，首先将对工况1进行重复性试验。图10所示为2次重复试验的抬升力和负孔隙水压结果，两者一致性较强，2次测得的吸附力分别为0.144 kN和0.152 kN，而负孔隙水压力则分别为0.106 kN和0.109 kN，负孔隙水压力占总吸附力的比例分别是73.6%和71.7%。试验结果表明，本文的试验实施流程合理，试验设备具有较高的稳定性和可靠性，可用于后续试验。
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图 10 重复试验的抬升力和负孔隙水压曲线Figure 10. Variation of lifting force and negative pore water pressure with time in repeated tests3.2 坐底抬升过程
在试验过程中，坐底抬升可分为4个阶段，如图11所示。其中，第1阶段是坐底阶段（0～17 s），即为海底结构物的坐底过程模拟；第2阶段是未离底阶段（17～52 s，坐底抬升的初始阶段），此时底座始终与土体存在一定的接触，吸附力将持续上升至最大值，通过观察可以发现底座模型上部和侧面的土体将逐渐被剥离；第3阶段是离底临界阶段（52～65 s），在底座拉离土体瞬间，结构物表面与土体接触面仍存在一定接触而水尚未完全渗透，此阶段吸附力将逐渐下降，通过试验观察可以发现与模型接触的水面将不断产生气泡，这是由于底座抬升时水逐渐渗透进入底座下部与土体的负压空间所致；第4阶段是完全拔离阶段（65～150 s），此时底座完全拉离土体，抬升力为模型自重，吸附力降为0，土体中仍存在模型坐底时产生的凹陷。通过分析试验机理可知，在底座抬升过程中，因作用于土体上的载荷突然变化，土骨架来不及变形，导致水不能立刻流入底座坐底时产生的凹陷，从而产生负孔隙水压力；随着抬升高度增加，负孔隙水压力也随之逐渐增加，当结构物与土体分离时，负压空间遭到破坏，使得结构物受到的负孔隙水压力发生突变。由于负孔隙水压力在土体吸附力中的占比高，因此土体吸附力总体上呈现出了图11所示的走势。图12所示为底座抬升试验的4个过程。图中，h为抬升高度，D为最大沉没深度。
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图 11 坐底吸附力随时间变化曲线Figure 11. Adsorption force of base varying with time in sitting on the seabed3.3 坐底参数对坐底吸附力的影响
本节将研究土壤类型、坐底时间、坐底质量、底座尺寸以及底座材料对坐底吸附力的影响规律。
3.3.1 土壤类型的影响
本文选取3种土壤，分别为海试土、模拟土和砂土，用以研究不同土壤类型对坐底吸附力的影响规律。图13所示为不同土壤类型下结构物受到的吸附力和负孔隙水压力的时历曲线，研究发现，结构物在模拟土中进行抬升时受到的牵引力和负孔隙水压力的曲线走势与海试土基本相似，而砂土与海试土试验数值的差距则较大。砂土、模拟土产生的吸附力分别为海试土的50%和80%，通过分析其内在机理可知，砂土的颗粒较大，且其颗粒间隙也较大，在结构物抬升过程中，水很容易进入土骨架间隙，因此产生的负孔隙水压力较小，进而导致吸附力也较小。而模拟土的颗粒间隙较小，水难以进入土骨架，所以结构物受到的吸附力相对更大。由此可见，模拟土测得的数据与海试土较为贴合，由于海试土的数量有限，所以可采用模拟土开展后续研究。
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图 13 不同土壤下的抬升力和负孔隙水压力时历曲线Figure 13. Time histories of lifting force and negative pore water pressure under different soils3.3.2 坐底时间效应
图14所示为不同坐底时间下结构物受到的土体吸附力对比结果。结构物受到的坐底吸附力将随着坐底时间的增加而增加，但并非呈线性关系。随着时间的拉长，吸附力的提升速度将逐渐放缓，坐底3 d相较于1 d的吸附力约提升100%，而坐底20 d相较于3 d吸附力约提升50%，坐底35 d相较于20 d吸附力则略有上升。随着坐底时间的增加，结构物下方的土体将发生变形，土骨架中的水分逐渐排出，所以在抬升阶段结构物受到的土体吸附力也就越大。
3.3.3 坐底质量效应
图15所示为不同坐底质量下结构物受到的土体吸附力对比结果。结构物受到的坐底吸附力将随着坐底质量的增加而逐渐增加，当坐底质量为10～20 kg时，吸附力的增长基本呈线性关系。坐底质量越大，单位面积上结构物对土体的作用力也越大，土体越容易发生变形，结构物的沉入深度也会因此增加，从而使抬升过程中结构物底部所产生的负压空间增加，进而导致负孔隙水压随之增加，最终使吸附力增加。
3.3.4 底座尺寸效应
图16所示为不同底座尺寸下结构物受到的土体吸附力对比结果。随着底座尺寸的增加，吸附力将逐渐减小，当尺寸从0.05 m×0.4 m变为0.15 m×0.4 m时，坐底面积将增加1倍，但吸附力反而减小。这是由于随着坐底面积的增加，单位面积上结构物对土体的作用力将逐渐变小，相应的结构物沉入深度也会减小，进而导致负压空间变小，所以吸附力随之逐渐减小。
3.3.5 底座材料效应
图17所示为不同底座材料下结构物受到的土体吸附力对比结果。不锈钢和钛合金材料结构物的坐底吸附力相近，分别为0.114 kN和0.097 5kN，而橡胶材料的结构物坐底吸附力则约为不锈钢的2.5倍和钛合金的2.9倍，这是由于橡胶表面更为粗糙，所以其与土体的吸附效果更显著。
图18所示为不锈钢材质和橡胶材质结构物抬升过程的实况图。不锈钢材质的结构表面较为光滑，其表面附着的泥土相对较少，而橡胶材质的结构表面则较为粗糙，其表面附着的泥土也相对较多。因此，橡胶材质的结构不仅需克服负孔隙水压力产生的约束力，其受到的土与土之间黏聚力的约束也相对较大，故其受到的总吸附力最大。
4. 结 论
本文基于圆柱形坐底结构开展了海底结构物底座的坐底试验，通过定量测量坐底抬升阶段的土体吸附力及其组份的各项数据，探究了底座尺寸、底座材料、坐底时间、坐底质量和土壤类型各项参数对结构物坐底吸附力的影响规律，得到的结论如下：
1） 根据坐底结构物在海试土、模拟土和砂土中的吸附力和负孔隙水压力对比结果，模拟土与海试土的试验数据具有较强的一致性。试验现象表明，结构物坐底抬升可以分为坐底阶段、未离底阶段、离底临界阶段和完全拔离阶段4个阶段，吸附力在未离底阶段将持续上升至最大值，在离底临界阶段则将逐渐下降至0。
2） 坐底时间、坐底重量、坐底面积、底坐材料均会影响坐底吸附力，坐底时间越长，结构物受到的坐底吸附力越大，且增量将逐渐减小并最终趋于一个定值；质量越大，坐底吸附力越大，且基本呈线性增长趋势；坐底面积越大，吸附力呈减小趋势；底座材料越光滑，结构物受到的土体吸附力越小。
由此可见，坐底参数对坐底吸附力的影响机理较为复杂，如果要得到定量且准确的结果，则需采用海试土以及更大尺寸的海床模型，同时考虑更多的坐底参数，设计更广泛的试验工况。本文的试验工况有限，研究结果可以帮助学者加深对坐底吸附力形成机理的理解，并获得坐底吸附力影响因素的定性结论，后续将通过优化试验模型，定量研究坐底参数对吸附力的影响。
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图 10 重复试验的抬升力和负孔隙水压曲线
Figure 10. Variation of lifting force and negative pore water pressure with time in repeated tests
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图 11 坐底吸附力随时间变化曲线
Figure 11. Adsorption force of base varying with time in sitting on the seabed
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图 13 不同土壤下的抬升力和负孔隙水压力时历曲线
Figure 13. Time histories of lifting force and negative pore water pressure under different soils
表 1 模型参数
Table 1 Model parameter
模型编号 直径/mm 长度/mm 壁厚/mm 材质 一号管 51 400 1.5 不锈钢 二号管 100 400 2 不锈钢 三号管 152 400 2 不锈钢 四号管 108 400 3 钛合金 五号管 110 400 2 橡胶 
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表 2 试验工况
Table 2 Test cases
工况 底座模型编号 加载质量/ kg 坐底时间/d 土壤 1 二号管 16 1 海试土 2 二号管 16 1 模拟土 3 二号管 16 1 砂土 4 二号管 16 4 模拟土 5 二号管 16 20 模拟土 6 二号管 16 35 模拟土 7 二号管 10 1 模拟土 8 二号管 20 1 模拟土 9 一号管 16 1 模拟土 10 三号管 16 1 模拟土 11 四号管 15 1 模拟土 12 五号管 15 1 模拟土
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