沉箱坐底于透水性不良底質(zhì)時(shí)起浮困難原因分析

孫華僑

摘 要：本文通過對沉箱坐底于透水性不良底質(zhì)時(shí)其起浮過程中的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，揭示該種情況下沉箱起浮困難的原因，進(jìn)而提出解決問題的途徑，指導(dǎo)沉箱起浮、打撈作業(yè)，防止沉箱竄高等危險(xiǎn)發(fā)生。

關(guān)鍵詞：沉箱起浮;吸附力;粘著力;負(fù)孔隙水壓力;竄高

沉箱在出運(yùn)、安裝過程中因施工需要或因遭受臺風(fēng)等意外因素而傾覆，均需對沉箱進(jìn)行起浮，當(dāng)沉箱坐底于淤泥、粘性土等透水性不良底質(zhì)時(shí)，一般起浮困難而且一旦起浮常伴有竄高現(xiàn)象，本文通過對沉箱起浮過程中的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，對上述現(xiàn)象進(jìn)行解釋，并提出針對性的解決措施，對于指導(dǎo)沉箱起浮作業(yè)，防止安全事故發(fā)生具有重要意義。

1吸附力[1，2，3]

吸附力是結(jié)構(gòu)物、土與液體三者之間相互作用的產(chǎn)物，是結(jié)構(gòu)物從土中被拉起過程中表現(xiàn)出的一種力。吸附力由3部分組成，即土與結(jié)構(gòu)物底面間的粘著力、結(jié)構(gòu)物被提升過程中產(chǎn)生的負(fù)孔隙水壓力、土與結(jié)構(gòu)物側(cè)面產(chǎn)生的側(cè)摩阻力。

1.1 粘著力

粘著力是土與外物通過水膜所產(chǎn)生的吸引力，是土顆粒與外物分子對水分子共同吸引而產(chǎn)生的，實(shí)質(zhì)是土顆?！馕锓肿尤咧g相互作用的結(jié)果。粘著力反應(yīng)的是土顆粒吸附到外物上的性質(zhì)，即土的粘著性的大小。影響粘著性的主要因素有土的含水量、土類的比表面積、結(jié)構(gòu)物的材料性質(zhì)等。

1.2 負(fù)孔隙水壓力

負(fù)孔隙水壓力是由于結(jié)構(gòu)物被提升時(shí)，加在土上的荷載突然變小，水分來不及流入土中引起的。根據(jù)有效應(yīng)力原理，加在土上的荷載由土骨架和孔隙水共同承擔(dān)。對粘性土來說，在卸載的瞬間土骨架來不及發(fā)生變形，水分不能立即流入，表現(xiàn)為負(fù)孔隙水壓力;瞬間過后，土骨架發(fā)生膨脹變形，水分逐漸流入，負(fù)孔隙水壓力逐漸消失，由孔隙水承擔(dān)的荷載逐漸轉(zhuǎn)化成由土骨架承擔(dān)。影響負(fù)孔隙水壓力的因素主要有土的性質(zhì)、沉箱起浮速度等。

1.3 側(cè)摩阻力

側(cè)摩阻力是結(jié)構(gòu)物被拉起過程中，結(jié)構(gòu)物側(cè)面與土之間的摩擦力。側(cè)摩阻力主要由土的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)物材料和尺度決定。

1.4 單位面積吸附力

單位面積吸附力受土的性質(zhì)、含水量、沉箱起浮速度等多種因素的影響變化范圍較大，根據(jù)朱成利《沉箱養(yǎng)生池安放及起浮施工方法研究》的實(shí)際統(tǒng)計(jì)值，單位面積吸附力在8.98kPa～21.66kPa之間，平均值為15.98kPa，根據(jù)韓麗華等人《海洋結(jié)構(gòu)物沉箱吸附力的試驗(yàn)?zāi)M》的試驗(yàn)值，單位面積吸附力為16.811kPa，另外張京京在《天津?yàn)I海新區(qū)軟黏土吸附力預(yù)測方法》中提出了一種吸附力預(yù)測方法，實(shí)際應(yīng)用過程中可通過模型試驗(yàn)進(jìn)行測定或根據(jù)張京京的方法進(jìn)行預(yù)測，本文直接采用16.811kPa這一試驗(yàn)數(shù)值。

1.5 吸附力分析

根據(jù)張京京《天津?yàn)I海新區(qū)軟黏土吸附力預(yù)測方法》的試驗(yàn)研究，沉箱坐底于不透水底質(zhì)，在起浮過程中沉箱底離開泥面之前，吸附力不斷增大，最大吸附力出現(xiàn)在沉箱與土體脫離時(shí)，此時(shí)無側(cè)摩阻力，吸附力由粘著力和負(fù)孔隙水壓力兩部分組成，且負(fù)孔隙水壓力在吸附力中占比重較大。

以底面積200m2的沉箱為例，吸附力約為16.811 kPa×200 m2=3362kN，即336.2t。

2 浮力

2.1 浮力產(chǎn)生的原因

阿基米德定律：浸入靜止流體中的物體受到一個浮力，其大小等于該物體所排開的流體重量，方向豎直向上并通過所排開流體的形心。阿基米德定律是初中物理知識，但在沉箱起浮、打撈等工程實(shí)際中卻時(shí)有用錯，歸根結(jié)底是對浮力產(chǎn)生的原因不甚了解，浮力產(chǎn)生的原因是物體表面受到的壓力差，如圖1以最簡單的正方體為例說明如下：液體壓強(qiáng)P=ρgh，在液體同一深度各個方向的壓強(qiáng)都相等，正方體左、右兩個面受到的壓力相等，合力為零，前、后兩個面同理合力也為零，上、下兩個面由于所在的深度不同，故壓強(qiáng)不同產(chǎn)生壓力差，壓力差F=ρgh下S下-ρgh上S上=ρg（h下-h上）S=ρgV=浮力

2.2? 浮力分析

當(dāng)沉箱坐底于透水性不良的淤泥或粘性土?xí)r，沉箱底面與水隔絕，不承受水壓力，此時(shí)沉箱所受浮力為零，而且當(dāng)沉箱頂面沒于水面以下時(shí)，沉箱頂還受向下的水壓力，以頂面積200m2的沉箱為例，當(dāng)其頂面淹沒深度為1m時(shí)，其所受海水壓力為10.25×1×200=2050kN，即205t，但是沉箱底面一旦脫離泥面，水將對沉箱底產(chǎn)生壓力，形成浮力，以沉箱底淹沒水深18m計(jì)算，底面海水壓力為10.25×18×200=36900kN，即3690t，浮力為3690-205=3485t。

3 沉箱起浮過程受力狀態(tài)分析

沉箱參數(shù)：頂、底面積均為200m2，高17m，重2000t。沉箱頂面淹沒水深1m，采用鋼蓋板封倉抽水起浮，倉蓋板重25t，浮游穩(wěn)定壓艙水450t，浮游穩(wěn)定吃水12m。沉箱一次性抽水至浮游穩(wěn)定，各階段受力分析如下：

3.1沉箱底脫離泥面以前

沉箱總重=沉箱+鋼蓋板+壓艙水=2000+25+450=2475t=24750kN，受力方向向下

沉箱底吸附力=336.2t=3362kN，受力方向向下

沉箱頂水壓力=205t=2050kN，受力方向向下

沉箱所受向下合力=24750+3362+2050=30162kN

（當(dāng)沉箱坐底時(shí)，所受合力為零，此處30162kN可理解為要使沉箱起浮所需克服的阻力。）

3.2沉箱底脫離泥面至沉箱露出水面以前

沉箱總重=24750kN，受力方向向下

沉箱浮力=1.025×10×（200×17）=34850kN，受力方向向上

沉箱所受合力=34850-24750=10100kN，受力方向向上

（忽略沉箱上浮過程中所受水流阻力。）

3.3沉箱露出水面至最終漂浮狀態(tài)

沉箱總重=24750kN，受力方向向下

沉箱浮力=1.025×10×（200×d）=2050dkN，受力方向向上（d為沉箱吃水深度，12m≤d≤17m）

沉箱所受合力=（2050d-24750）kN，受力方向向上

（忽略沉箱上浮過程中所受水流阻力）

沉箱在不同水深處所受合力如圖2所示。

4? 結(jié)論及措施

4.1? 結(jié)論

沉箱底脫離泥面以前，沉箱底不承受自由水壓力，沉箱不受浮力，相反沉箱頂面承受向下的水壓力，同時(shí)沉箱底承受吸附力，導(dǎo)致沉箱起浮需克服巨大的阻力，造成起浮困難。實(shí)際施工中若未消除該不利因素，簡單地通過多抽水或加大起重船吊力等方式進(jìn)行起浮，一旦沉箱底脫離泥面，吸附力將瞬間消失、浮力迅速形成，沉箱將承受巨大的向上的合力，造成沉箱竄高，易發(fā)生安全事故。

4.2? 措施

（1）沉箱存放前可先拋一層二片石，避免沉箱直接坐底于淤泥、粘性土等透水性不良底質(zhì)。

（2）對于坐底于淤泥中的沉箱，應(yīng)設(shè)法減小吸附力并使浮力形成，具體可采取的措施有：①用挖泥船將沉箱四周的淤泥挖除，消除側(cè)摩阻力;②使用高壓水槍對沉箱底淤泥進(jìn)行沖淘，減小沉箱底與淤泥的接觸面積，從而減小吸附力，增大沉箱底所受向上的水壓力;③利用波浪、水流對沉箱的水平作用力或人為用拖輪進(jìn)行拖拽或頂推，使沉箱底出現(xiàn)松動，減小吸附力，形成浮力。

（3）沉箱起浮減少抽水量，滿足沉箱起浮即可，減小沉箱竄高。

根據(jù)動能定理，合外力對物體所做的功，等于物體動能的變化量，即FL=?1/2mv2，忽略沉箱上浮過程中所受的水流阻力，則沉箱上浮過程中合外力所做的功等于圖2中封閉區(qū)域的面積，面積越大沉箱起浮后動能越大，竄高越嚴(yán)重，在滿足沉箱總重（沉箱、封倉蓋板、壓艙水）小于沉箱浮力的前提下，減少抽水可使沉箱所受合外力減小，即圖2中封閉區(qū)域變窄，同時(shí)使沉箱上浮高度更小，即圖2中封閉區(qū)域變矮，總體使圖2中封閉區(qū)域面積變小，沉箱起浮后動能減小，減小沉箱竄高。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韓麗華，姜萌，張日向. 海洋結(jié)構(gòu)物沉箱吸附力的試驗(yàn)?zāi)M[J]. 港工技術(shù)， 2009， 46（6）： 43-45.

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[3] 朱利成. 沉箱養(yǎng)生池安放及起浮施工方法研究[D]. 大連理工大學(xué)， 2015， 16.