海底地基通常由多层土交叠构成，经常会遇到上覆土层强度大而厚度小、下卧土层强度小而厚度大的情况，这种海底层状地基通常被称为“硬壳层”。在这种地层平台就位时有可能发生桩靴刺穿现象。因此平台插桩前需要进行桩脚插深分析^[1-3]。

实际工作中通常采用浅基础极限承载力公式计算桩靴在某深度处的承载力。首先将桩靴“预置”在某一深度土层，假设该土层厚度无限大，然后对桩靴位于不同深度时分别进行计算，从而得到“承载力一深度”关系曲线。如果存在硬壳层，则在该曲线上会看到一个明显的凸出部位(图 1)。然而，按这种方法计算的硬壳层极限承载力是不够准确的，会比实际的高很多。因此，需要对硬壳层的承载力进行修正，亦即“刺穿分析”。硬壳层的刺穿分析通常采用投影面积法(扩散角法)或Meyerhof法^[3-5]。

当较硬土层覆盖于软弱土层上时需要进行刺穿修正，工程分析中常采用3：1或2：1投影面积法。该方法根据应力扩散原理，假定硬土层的荷载扩展角，认为上覆硬土层的承载力主要与下卧软弱层的抗剪强度及硬土层的厚度有关，未考虑硬土层本身的冲剪阻力和密度的影响。同时，该方法是建立在假定上覆硬土层为有限厚度、而下卧软土层为无限厚度的基础上，对于实际情况中的软硬土层相互交叠且厚度不均的情况并不适用，不能充分考虑基础影响深度范围内的所有土体。采用该法进行承载力修正是一种工程分析中方便实用的简化计算方法。对于工程实际中常会遇到的复杂层状土，用该方法得到的承载力与土层的实际承载能力相差较大，无法反映土体的综合承载力。

本文应用有限元法(Finite Element Analysis)对互层土地基的承载能力进行分析。有限元法不受几何形状、边界条件等限制，能够对复杂地层情况进行模拟^[6,7]，可以很好地反映持力层范围内所有土层的性状，得到综合地基承载力。

1 互层土地基破坏模式及承载力特征 1.1 插桩过程的地基承载力特征

互层土是由工程特性不同、厚度不均的土体交叠组成的，其承载力与基础下影响深度范围内所有土体的性状都密切相关，体现的是综合承载力。插桩时桩靴埋深是一个不断增大的过程，与在均质土中插桩不同的是，互层土中插桩时桩靴下一定影响深度范围内土体的内聚力和内摩擦角是不断变化的，同时埋深也在不断增大引起超载增加，因此对地基极限承载力来说，由内聚力、超载和滑动土体引起的三项分量都是不断变化的。

另外值得注意的是，地基承载力并不是地基土的一种性能指标，而是与基础的平面尺寸和埋置深度有着密切的关系。

1.2 地基破坏模式及临界影晌深度

互层土地基组合方式和破坏模式极其复杂，尚未有人对此做过系统的研究。工程实际中，人们更关心的是硬土层覆于软弱土层之上时的“硬壳层”问题。层状地基理论研究的大多也是此类问题。事实上，硬壳层是互层土组合方式最简单的一种情况，分析时假设硬壳层的厚度是有限的，而下卧软土层厚度是无限的。

根据成层土地基破坏理论，成层土地基破坏模式及其承载力与桩靴尺寸B、硬土层厚度H、上下层土体强度之间存在非常复杂的关系。Meyerhof研究发现，H/B较大时，硬层发生冲切破坏，承载能力由硬层决定；H/B较小时，硬层冲切破坏，下卧软层发生整体滑动破坏，承载能力由上下土层共同作用。Tcheng Y(1957年)通过大量试验研究指出，对于上层具有有限厚度的砂层，下层为软土层的情况下，当H/B≥3.5时，下卧软土层对地基承载力没有影响^[8]。

为把复杂的互层土问题进行简化，对互层土中最简单、最具代表性的硬壳层地基进行研究，研究结果可为互层土问题的分析提供一定的理论参考。

笔者对上层为中密的砂土(内摩擦角为25°)，下层为软黏土(黏聚力为10 kPa)的硬壳层地基做了大量有限元分析，结果见表 1。研究表明，B/H≥2时，随着硬土层厚度增大，地基极限承载力有所提高但幅度不大，承载能力仅达到硬土层极限承载力的23%。33%，相对于下卧软土层极限承载力则有一定程度(约5%~50%)的提高；当0.286 < B/H < 2时，硬壳层地基的极限承载能力随着硬土层厚度的不同变化幅度很大，承载能力可达到硬土层极限承载力的33%~95%。约为下卧软土层极限承载力的2~4倍；B/H≤ 0.286时，极限承载能力可达到硬土层极限承载力的95%以上^[9]。

以上分析表明，当桩靴尺寸B远大于硬土层厚度日时(B/H≥5时)，破坏模式以下卧软土为主发生整体滑动破坏，承载能力主要由下卧软层决定，硬壳层对承载力提高作用十分有限，几乎可忽略不计；随着硬土层厚度H增大，软土层的影响逐渐减弱，地基破坏模式为硬土层发生冲切破坏而软土层发生局部塑性破坏，地基承载力也随之提高。硬土层厚度远大于桩靴尺寸时，硬土层发生冲切破坏而软土层不破坏，承载力接近硬土层无限厚时的极限承载力。

从工程角度来说，当B/H≤0.286时下卧软土层对承载力的影响已经很小(已经达到硬壳层极限荷载的95%以上)，此时的承载力影响深度约3.5倍桩靴尺寸。

对于组合更复杂的互层土来说，基础影响深度范围内不同的地层组合方式、土体相对厚度和土体特性都将对承载能力产生很大影响。当硬壳层厚度与基础尺寸之比较大时，表现出硬壳层的工程特性；当硬壳层厚度较小、软弱层厚度较大时，则表现为软弱土层的工程特性。因而，对于互层土地基来说，应充分考虑3.5倍基础尺寸的深度范围内的所有土体的力学性质，这样得到的综合承载力才是合理的。

2 有限元法(FEA)分析互层土地基承载力 2.1 计算参数

某平台场址位于渤海湾埕岛海区，根据该井场已完成一口40 m钻孔和室内土工试验成果，主要地层分布及进行承载力计算时采用的土层物理力学指标见表 2。

拟采用的平台为胜利5号，主要参数如下：桩靴尺寸8.13 m×8.13 m，等效直径约9.2 m；最大预压荷载11 368.8 kN，地基承载力要求175 kPa。

2.2 有限元模型的建立

应用大型有限元软件ANSYS，建立半无限弹塑性层状地基的插桩模型，考虑到问题的空间轴对称性，可简化为平面模型。各层土体采用均质、连续的弹塑性体D-P模型，桩靴按面积等效为圆形基础，采用四节点二维轴对称单元。由于桩靴的刚度远大于土体，可视作刚性体，为避免有限元模型中桩靴和土体在接触角点处过早地产生应力集中而使计算无法收敛的情况，在土体上直接施加竖向压力并同时约束土体单元的竖向位移，可将其等效为刚性基础。计算采用摩尔一库仑不等角六边形外接圆Drucker-Prager屈服准则。为避免边界效应的影响，土体宽度设置为10倍桩靴尺寸，土体厚度为6倍桩靴尺寸。土体水平方向进行侧向约束，底面设置为完全约束，顶面则设置为自由约束。计算模型及网格划分见图 2。

2.3 计算方法

采用不同工况进行有限元法数值分析。将桩靴分别置于不同埋深土层进行计算，得到不同深度土层承载力，从而得到承载力一深度曲线。由于桩靴贯人是一个连续的过程，有限元计算时对桩靴置于不同深度土层的情况分别进行建模，理论上埋深增量越小计算结果越精确。本文分析时对桩靴埋置于各层位顶面和底面的情况分别进行了建模及求解，对各层位内不同深度处的承载力则采用内插的方法处理。

2.4 桩靴承载力计算结果

该井位的地层呈明显的软硬土层相间分布的特点。图 3为有限元方法和理论公式计算方法得到的土层承载力及桩腿入泥深度曲线。可以看出，按均质土承载力公式计算得到的承载力在未经修正前，存在硬壳层(砂性土)的层位，曲线上的承载力明显提高，硬壳层的承载力曲线呈明显凸出形状，如图 3中曲线Ⅰ第①、③、⑤层。这几层由于受下卧软层的影响，需进行刺穿修正，修正后承载力曲线如图 3中曲线Ⅱ，硬壳层承载力远小于修正前，但仍高于下卧软土层的承载力，曲线呈“Z”字形。承载力曲线在软土层(黏性土)层位随深度无明显的提高，如图 3中曲线Ⅰ、Ⅱ第②、④、⑥层。

曲线Ⅲ为有限元分析结果，承载力曲线Ⅲ较之理论公式计算得到的曲线Ⅰ、Ⅱ，曲线整体呈平缓地阶式增长，硬土层层顶和层底的承载力变化不大，而软土层层底承载力比层顶则有明显的提高。

采用有限元法与理论计算经修正后的极限承载力在数值上相比，承载力变化较为缓和，在土层界面处没有发生明显的突变，反映了基础影响深度范围内所有土层的对地基承载力的综合影响。

2.5 地基破坏模式分析

图 4为桩靴置于各层位顶面时地基土的破坏模式。其中图 4中的A、C和E分别为不同深度的粉土或粉砂层+下卧软弱黏性土层组合情况的破坏模式，B、D和F为不同深度的软弱黏性土层+下伏硬土层组合情况的破坏模式。

可以看出，桩靴位于第①层粉土，地基极限破坏时第①层粉土发生冲切破坏，滑动破坏面将发展至第②层粉质黏土层底部，并形成贯通第①、②层土体的整体滑动破坏，见图 4的A。

桩靴位于第②层粉质黏土层顶面时，地基发生极限破坏时，塑性区被限制在第②层粉质黏土层内，出现部分土体侧向塑流的形式。这是由于第②层粉质黏土层上下均为强度较高的粉土层，相当于在两块粗糙的平行板之间挤压一样，破坏模式见图 4的B。

桩靴位于第③层粉土层时，地基极限破坏时第③层粉土发生冲切破坏，桩靴下方的粉土体将整体向下位移，形状类似碗状，见图 4的C中白色虚线；在第④层粉质黏土层内将产生塑性区并形成滑动破坏面，由于上覆土体的限制，第④层内滑动面未与上覆土层形成整体贯通。破坏模式见图 4的C。

桩靴位于第④层粉质黏土层，由于上下硬土层的限制作用，塑性区被限制在第④层粉质黏土层内，仅在本层内产生局部滑动破坏，见图 4的D。

桩靴位于第⑤层粉砂层时，由于粉砂层较薄，地基极限破坏时砂层发生冲切破坏，同时在第⑥层粉质黏土层内将产生局部塑性区，见图 4的E。

桩靴位于第⑥层粉质黏土层，由于上覆土体自重压力作用，仅在桩靴边缘局部范围内产生塑性破坏，不会形成滑动破坏面，见图 4的F。

以上分析表明，基础影响深度范围内土体性质的不同是造成地基破坏模式和承载能力差异的主要因素。当基础尺寸相对于其下硬土层的厚度较小时，影响范围主要限制于硬土层内，地基破坏时仅硬土层发生冲切或局部剪切破坏，主要表现为硬壳层的承载力特征；当基础尺寸相对于硬土层厚度很大时，影响范围将包括硬土层与其下部的软弱下卧层在内的多层土体，地基破坏时硬土层发生冲切破坏，软弱下卧层发生局部破坏或整体滑动破坏，承载力更多地受到下卧软土层的影响。

2.6 插桩深度预测

根据理论公式计算结果，第①层粉土层会发生刺穿破坏，以第③层粉土层作为桩靴持力层，桩靴的插桩深度约5.4 m左右。有限元法(FEA)分析表明，第①层粉土层的表层承载力即可满足桩靴最大预压载的要求，桩靴插桩深度0 m。根据平台就位的现场实测资料，胜利5号在该井位插桩时，第①层粉土层未发生刺穿现象，4个桩靴的实际插桩深度分别为0.9、0.6、0.5、0.7 m。进行刺穿修正后的第①层粉土层的极限承载力明显偏低，有限元法分析结果与实际插桩深度则较为一致。

分析理论预测与实际产生差异的原因，是由于对第①层粉土层的极限承载力(内摩擦角18°，厚度3.9 m)进行刺穿修正时，将其下卧软弱层第②层粉质黏土层(抗剪强度15 kPa)假设为无限厚，而实际上第②层厚度仅为1.5 m，其下是相比第①层粉土层性质更好的第③层粉土层(内摩擦角25°，厚度4.1 m)、较弱的第④层粉质黏土层(抗剪强度25 kPa，厚度5.4 m)和较好的第⑤层粉砂层(内摩擦角28°，厚度2.6 m)。当桩靴位于第①层粉土层时，由于桩靴尺寸较大(等效直径9.2 m)，基础影响深度很大，计算承载力时应考虑第①~⑤层土体的对承载力的综合影响。因此，仅考虑第②层软土层进行刺穿修正得到的承载力明显偏低。有限元分析法则很好地弥补了上述缺陷，得到的极限承载力与实际结果较为一致。实测插桩深度比有限元法预测的深度要偏深0.5~0.9 m，这可能是由于作业时表层粉土体扰动或各桩靴下土层的厚度和性质有差异所造成的。

3 影响FEA分析结果的因素

应用有限元法对复杂地层进行模拟，可以很好地反映持力层影响深度范围内所有土层的性状，得到的是综合地基承载力，无需再进行修正。

但无论是采用承载力公式计算还是有限元分析，其预测分析结果都建立在通过现场取样和试验分析获得的土质参数基础上。由于取样手段限制和土工试验等因素，土质参数的真实性和可靠性很大程度上决定了预测分析的精度。因此定量评价时采用的土体物理力学参数是否准确是至关重要的。对于黏性土的不排水抗剪强度的测定建议采用三轴不固结不排水试验(UU)，对于砂土的内摩擦角的测定则宜选用三轴固结排水试验(CD)^[10]。

在目前一般通常只进行一口浅钻的情况下，尽可能提高取样质量、多取原状土样和进行原位测试，以及合理的室内土工试验分析是非常重要的。

4 结论

海底地基土通常由多层土交叠构成。互层土承载力分析需要考虑基础影响深度范围内所有土层的力学特征。目前进行插桩深度预测时通常是采用均质土承载力公式计算并对硬壳层进行修正。对于实际情况中的软硬土层相互交叠且厚度不均的情况并不适用，不能充分的考虑基础影响深度范围内的所有土体，无法反映土体的综合承载力。

本文应用有限元法(FEA)采用增量加载的方式对互层土地基的承载能力进行分析。有限元法能够对复杂地层情况进行模拟，不受几何形状、边界条件等的限制，可以很好地反映持力层范围内所有土层的力学性质，得到综合地基承载力，与实际情况更为符合。

研究表明，对复杂互层土地基，基础影响深度范围内土体性质的不同是造成地基破坏模式和承载能力差异的主要因素，应充分考虑3.5倍基础尺寸的深度范围内的所有土体的力学性质。当桩靴尺寸相对于土层厚度较小时，影响范围主要限制于桩靴下方的土层内，地基破坏限于这一层内，表现为单一土层的承载力特征；当基础尺寸相对于各土层厚度很大时，影响范围应包括桩靴下方的硬土层与软弱下卧层，地基破坏时硬土层发生冲切破坏，软弱下卧层发生局部破坏或整体滑动破坏，承载力更多地受到下卧软土层的影响。

互层土地基的土层组合情况非常复杂，其地基承载力及土体破坏模式受土层性状、基础平面尺寸、埋置深度的共同影响，需要具体问题具体分析。

有限元法考虑了土体的本构关系、应力一应变关系、边界条件等因素，可以适用于更加复杂的模型和边界载荷条件，如复杂互层土、偏心荷载等，并能揭示地基渐进破坏过程，分析结果更加精确合理，在海洋平台地基承载力和稳定性分析方面有着广阔的应用前景，通过大量的平台工程实例研究，有望应用于海洋工程实践中。