劉金龍，祝 磊，肖 赟

(合肥學(xué)院 城市建設(shè)與交通學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

針對(duì)海床的特殊地質(zhì)條件，自1990年以來(lái)出現(xiàn)了一種海洋平臺(tái)特殊基礎(chǔ)形式——桶形基礎(chǔ)(也稱吸力樁，suction pile)，其多為底端開(kāi)口、頂端封閉的倒扣大直徑鋼制圓桶。安裝時(shí)，首先在預(yù)定海域依靠桶體自重使其部分插入土中以形成密閉空間，然后抽出桶內(nèi)和土體之間的氣體或液體，從而使桶體內(nèi)外形成壓力差，逐步壓入至海床內(nèi)預(yù)定深度完成安裝[1-3]。

桶形基礎(chǔ)利用桶內(nèi)外壓力差貫入海床，當(dāng)桶形基礎(chǔ)的桶內(nèi)頂部與海床土體接觸時(shí)，海床土體會(huì)阻止桶形基礎(chǔ)的進(jìn)一步下沉，故桶形基礎(chǔ)的貫入深度最大值即為桶形基礎(chǔ)的高度。特別地，當(dāng)土塞現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)，桶形基礎(chǔ)還未完全貫入海床，桶內(nèi)已被土塞土體頂住而無(wú)法進(jìn)一步下沉，此時(shí)桶形基礎(chǔ)的貫入深度小于桶形基礎(chǔ)的高度?？梢?jiàn)，利用桶形基礎(chǔ)作為一種海上施工工具時(shí)，其存在一個(gè)局限性：桶形基礎(chǔ)的最大貫入深度小于或等于其高度[4,5]。若要提高桶形基礎(chǔ)的貫入深度，則需增大桶形基礎(chǔ)的高度。但桶形基礎(chǔ)的高度越大，造價(jià)越高，表面積越大貫入阻力也越大，顯然是不可取的。

可見(jiàn)，亟待設(shè)計(jì)一種新型施工工具，施工時(shí)不通過(guò)增大桶形基礎(chǔ)的總高度就能提高貫入海床的深度，施工能力更強(qiáng)。

1 高度可調(diào)節(jié)的桶形基礎(chǔ)

為此，本文提出一種作為施工工具的高度可調(diào)節(jié)桶形基礎(chǔ)：包括桶形基礎(chǔ)與外部活動(dòng)架；桶形基礎(chǔ)的外側(cè)底部均勻、對(duì)稱的設(shè)置不少于三個(gè)的套筒；外部活動(dòng)架包括下部連接環(huán)、上部連接環(huán)與軸桿；軸桿的下端焊接在下部連接環(huán)的外側(cè)且其位置與桶形基礎(chǔ)上的套筒相互配合，各軸桿插入匹配的套筒后相互可發(fā)生上下相對(duì)運(yùn)動(dòng)；軸桿的上端與上部連接環(huán)焊接相連；上部連接環(huán)在相鄰軸桿之間向下伸長(zhǎng)且連接有吊鉤；上部連接環(huán)在相鄰軸桿之間、吊鉤的兩側(cè)還設(shè)有豎向桿，吊鉤通過(guò)拉簧與相鄰豎向桿相連，如圖1～圖7所示。

圖1 所提施工裝置三維結(jié)構(gòu)示意圖

桶形基礎(chǔ)的構(gòu)造與傳統(tǒng)桶形基礎(chǔ)基本相同，僅設(shè)置了多個(gè)套筒，桶形基礎(chǔ)呈對(duì)稱形狀。外部活動(dòng)架包括下部連接環(huán)、上部連接環(huán)與軸桿，如圖3所示。外部活動(dòng)架呈對(duì)稱形狀。

軸桿的下端焊接在下部連接環(huán)的外側(cè)且其位置與桶形基礎(chǔ)上的套筒相互配合，各軸桿插入匹配的套筒后相互可發(fā)生上下相對(duì)運(yùn)動(dòng)。軸桿的上端與上部連接環(huán)焊接相連；上部連接環(huán)在相鄰軸桿之間向下伸長(zhǎng)且連接有吊鉤，吊鉤的構(gòu)造如圖4所示；上部連接環(huán)在相鄰軸桿之間、吊鉤的兩側(cè)還設(shè)有豎向桿，吊鉤通過(guò)拉簧與相鄰豎向桿相連，如圖5～圖6所示。

下部連接環(huán)的內(nèi)徑與外徑分別與桶形基礎(chǔ)的內(nèi)徑與外徑相等，故外部活動(dòng)架與桶形基礎(chǔ)閉合時(shí)下部連接環(huán)能緊貼于桶形基礎(chǔ)的下端。

圖2 桶形基礎(chǔ)構(gòu)件的三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 外部活動(dòng)架的三維結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 吊鉤詳圖

圖5 外部活動(dòng)架與吊鉤連接詳圖

圖6 外部活動(dòng)架上端結(jié)構(gòu)詳圖

圖7 外部活動(dòng)架移動(dòng)至桶形基礎(chǔ)底部的結(jié)構(gòu)示意圖

上部連接環(huán)的內(nèi)徑大于桶形基礎(chǔ)的外徑，故外部活動(dòng)架與桶形基礎(chǔ)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)上部連接環(huán)不會(huì)與桶形基礎(chǔ)四周發(fā)生接觸。軸桿橫截面為圓形，其外徑小于套筒的內(nèi)徑，軸桿的中心至下部連接環(huán)中心的距離等于套筒的中心至桶形基礎(chǔ)中心的距離?？梢?jiàn)，軸桿與套筒能發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且相互之間的接觸較小，相互摩擦較小。上部連接環(huán)在相鄰軸桿之間向下伸長(zhǎng)呈錐狀且錐端設(shè)置有連接孔，吊鉤上部設(shè)置有連接孔，基于施工鋼索可把吊鉤組裝在上部連接環(huán)的下部，組裝后吊鉤的彎鉤設(shè)置在指向上部連接環(huán)內(nèi)部的一側(cè)，如圖5～圖6所示。

吊鉤的下部?jī)蓚?cè)設(shè)置有連接孔，豎向桿的下部設(shè)置有連接孔，拉簧的兩端基于吊鉤下部的連接孔與豎向桿的連接孔使兩者相連；吊鉤在兩側(cè)拉簧的拉力作用下向上部連接環(huán)的內(nèi)部?jī)A斜，如圖5～圖6所示。豎向桿的作用是固定與連接拉簧。

吊鉤在拉簧的拉力作用下向上部連接環(huán)的內(nèi)部一側(cè)傾斜，當(dāng)桶形基礎(chǔ)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，吊鉤必然鉤住桶形基礎(chǔ)的下端，使得桶形基礎(chǔ)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)基于吊鉤使外部活動(dòng)架也向下運(yùn)動(dòng)。

軸桿與套筒發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)使套筒的上端抵住上部連接環(huán)時(shí)，桶形基礎(chǔ)的底端高于上部連接環(huán)的下邊緣，如圖7所示。該設(shè)計(jì)使得桶形基礎(chǔ)與外部活動(dòng)架發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)至最大距離時(shí)，吊鉤位于桶形基礎(chǔ)的下部且向內(nèi)部?jī)A斜，確保桶形基礎(chǔ)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)吊鉤能鉤住桶形基礎(chǔ)的下端。還可采取其它輔助措施確保桶形基礎(chǔ)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)吊鉤能鉤住桶形基礎(chǔ)的下端，此處不再贅述。

桶形基礎(chǔ)與外部活動(dòng)架發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)的最大距離不小于桶形基礎(chǔ)高度的一半。各構(gòu)件及相互連接的強(qiáng)度與變形應(yīng)滿足使用要求，在惡劣工況作用下不發(fā)生屈曲與失效。

2 所提裝置施工方法

不妨以圓桶基礎(chǔ)為例，描述所提桶形基礎(chǔ)作為施工工具時(shí)的施工步驟。圓桶基礎(chǔ)呈筒狀，其外側(cè)中下部設(shè)置一個(gè)系泊孔，圓桶基礎(chǔ)的內(nèi)徑與外徑分別與桶形基礎(chǔ)1的內(nèi)徑與外徑相等。基于所提桶形基礎(chǔ)，對(duì)圓桶基礎(chǔ)的施工方法介紹如下：

2.1 組裝圓桶基礎(chǔ)

把外部活動(dòng)架與桶形基礎(chǔ) 閉合使下部連接環(huán)緊貼于桶形基礎(chǔ)的下端且使用輔助措施使兩者相連。使用輔助措施把把圓桶基礎(chǔ)9固定連接在下部連接環(huán)底部，錨鏈的一端連接在圓桶基礎(chǔ)的系泊孔上。此時(shí)吊鉤在拉簧的拉力作用下與桶形基礎(chǔ)的外側(cè)緊密接觸。

2.2 桶形基礎(chǔ)依靠自重下沉接觸海床

桶形基礎(chǔ)上連接施工繩索，基于施工繩索起吊桶形基礎(chǔ)，使其進(jìn)入海水中并處于鉛錘狀態(tài)，逐漸下放桶形基礎(chǔ)，使其在自重作用下下沉接觸海床并壓入海床一定深度，如圖8所示。

圖8 裝置依靠自重下沉接觸海床的示意圖

通常，桶形基礎(chǔ)在自重作用下壓入海床一定的深度，使桶形基礎(chǔ)底部的圓桶基礎(chǔ)的被海床土體封住，其內(nèi)部形成封閉的空間，為后續(xù)的抽取空氣形成負(fù)壓提供必要的條件。

2.3 抽取負(fù)壓使桶形基礎(chǔ)貫入海床

桶形基礎(chǔ)的頂部設(shè)置有進(jìn)出水(氣)閥，把連接管與進(jìn)出水(氣)閥固定相連，通過(guò)連接管抽出桶形基礎(chǔ)內(nèi)部的空氣，形成內(nèi)外壓力差，從而把桶形基礎(chǔ)貫入至海床土體中，桶形基礎(chǔ)底部的圓桶基礎(chǔ)被壓入海床土體，如圖9所示。

桶形基礎(chǔ)貫入海床的過(guò)程中，位于桶形基礎(chǔ)外側(cè)的吊鉤也受到了一定摩阻力。由于吊鉤在拉簧的拉力作用下與桶形基礎(chǔ)的外側(cè)緊密接觸，故海床土體的阻力一般難以吊鉤的位置發(fā)生偏移、翻轉(zhuǎn)。當(dāng)然也可采取其它輔助措施對(duì)吊鉤進(jìn)行一定的簡(jiǎn)易固定，防止貫入海床過(guò)程中發(fā)生偏移與翻轉(zhuǎn)。

該施工步驟傳統(tǒng)桶形基礎(chǔ)的施工基本無(wú)區(qū)別。

圖9 桶形基礎(chǔ)貫入海床的示意圖

2.4 上浮桶形基礎(chǔ)

待上一步驟中桶形基礎(chǔ)無(wú)法繼續(xù)貫入海床后，通過(guò)連接管對(duì)桶形基礎(chǔ)內(nèi)部充氣，使桶形基礎(chǔ)逐漸上浮，當(dāng)桶形基礎(chǔ)向上移動(dòng)的距離等于桶形基礎(chǔ)與外部活動(dòng)架發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的最大距離時(shí)，停止充氣，上浮桶形基礎(chǔ)結(jié)束，如圖10所示。

圖10 桶形基礎(chǔ)上浮至最大距離的示意圖

桶形基礎(chǔ)上浮時(shí)，吊鉤與桶形基礎(chǔ)的外側(cè)發(fā)生刮擦，該阻力較小可忽略不計(jì)。桶形基礎(chǔ)向上移動(dòng)的距離等于桶形基礎(chǔ)與外部活動(dòng)架發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的最大距離時(shí)，桶形基礎(chǔ)1的底端已高于吊鉤。當(dāng)桶形基礎(chǔ)上浮至高于吊鉤時(shí)，桶形基礎(chǔ)不再阻擋吊鉤，吊鉤在拉簧的拉力作用下向內(nèi)部?jī)A斜，海床土體難以阻止吊鉤向內(nèi)部?jī)A斜。拉簧的拉力應(yīng)足夠大，使得吊鉤能沖破土體的阻力而向內(nèi)部?jī)A斜。為了便于桶形基礎(chǔ)上浮時(shí)與外部活動(dòng)架發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，減小相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力，可在軸桿的四周與套筒的內(nèi)壁涂抹潤(rùn)滑劑。

2.5 再次抽取負(fù)壓使桶形基礎(chǔ)貫入至設(shè)計(jì)深度

通過(guò)連接管再次抽出桶形基礎(chǔ)內(nèi)部的空氣，形成內(nèi)外壓力差，從而把桶形基礎(chǔ)再次貫入至海床土體中，桶形基礎(chǔ)底部的圓桶基礎(chǔ)被進(jìn)一步壓入海床土體，如圖11所示。

圖11 桶形基礎(chǔ)再次下沉貫入海床的示意圖

桶形基礎(chǔ)下沉過(guò)程中，向內(nèi)部?jī)A斜的吊鉤將鉤住桶形基礎(chǔ)的下端。吊鉤鉤住桶形基礎(chǔ)的下端后，外部活動(dòng)架與桶形基礎(chǔ)之間不再發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，桶形基礎(chǔ)的下沉將帶動(dòng)外部活動(dòng)架的同步下沉，進(jìn)而把外部活動(dòng)架底部的圓桶基礎(chǔ)進(jìn)一步壓入海床土體中。

桶形基礎(chǔ)下沉至內(nèi)部為海床土體抵住時(shí)，無(wú)法進(jìn)一步貫入，此時(shí)圓桶基礎(chǔ)已被貫入至海床最大深度。與傳統(tǒng)桶形基礎(chǔ)相比，圓桶基礎(chǔ)貫入海床的新增深度為上一步驟中桶形基礎(chǔ)與外部活動(dòng)架發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的距離。

2.6 移除桶形基礎(chǔ)

待圓桶基礎(chǔ)被壓入海床至最大深度后，通過(guò)連接管對(duì)桶形基礎(chǔ)內(nèi)部充氣，使桶形基礎(chǔ)逐漸上浮，最終起吊、移除桶形基礎(chǔ)。桶形基礎(chǔ)移除后，僅剩圓桶基礎(chǔ)在海床土體中，如圖12所示。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)為：

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎，在桶形基礎(chǔ)外側(cè)設(shè)置一個(gè)外部活動(dòng)架，使得桶形基礎(chǔ)與外部活動(dòng)架構(gòu)成一個(gè)可相互發(fā)生位移的整體式的可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。

(2)外部活動(dòng)架與桶形基礎(chǔ)可發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)桶形基礎(chǔ)貫入海床后，通過(guò)對(duì)桶形基礎(chǔ)的有限上浮，實(shí)現(xiàn)外部活動(dòng)架與桶形基礎(chǔ)之間的相對(duì)拉伸，外部活動(dòng)架上的吊鉤與桶形基礎(chǔ)底部卡住后，再次對(duì)桶形基礎(chǔ)進(jìn)行下沉貫入作業(yè)，外部活動(dòng)架能把錨泊基礎(chǔ)進(jìn)一步貫入至更深的海床土體中，大大提高了所施工錨泊基礎(chǔ)的抗拔承載力。

(3)所提裝置在施工時(shí)，可操作性強(qiáng)，施工簡(jiǎn)便，與傳統(tǒng)桶形基礎(chǔ)相比具有更深的施工能力。

圖12 桶形基礎(chǔ)移除后示意圖

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)裝置的局限性，提出了一種作為施工工具的高度可調(diào)節(jié)桶形基礎(chǔ)，在桶形基礎(chǔ)外設(shè)置一個(gè)外部活動(dòng)架，使得桶形基礎(chǔ)與外部活動(dòng)架構(gòu)成一個(gè)可相互發(fā)生位移的整體式的可調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，可操作性強(qiáng)，與傳統(tǒng)桶形基礎(chǔ)相比具有更深的施工能力。