基于雙桶桶形基礎貫入的海洋錨泊基礎

劉金龍， 祝 磊， 肖 赟

(合肥學院 城市建設與交通學院, 安徽 合肥 230601)

0 引 言

桶形基礎為底端開口、頂端封閉的倒扣大直徑鋼制圓桶[1-3]。安裝時，首先在預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)預定深度完成安裝。

工程人員基于桶形基礎在海上貫入海床較為方便的特征，把桶形基礎發(fā)展至作為海洋錨泊基礎的一種施工工具。目前，能利用桶形基礎進行施工的錨泊基礎主要包括：埋入式吸力錨(embedded suction anchor)與吸力貫入式平板錨(suction embedded plate anchor)。埋入式吸力錨的抗拔承載力主要由圓桶四周與土體的摩擦及部分海床土體的自重產(chǎn)生，具體與系泊點位置、海床土體類型、沉貫深度等有關。一般地，埋入式吸力錨的表面積有限，故其與土體的摩擦力也有限；另一方面，埋入式吸力錨沿錨鏈垂直方向的投影面積也非常有限，故其沿錨鏈方向能兜住的海床土體的面積較小，海床土體的自重對錨泊力的貢獻也較小。若通過增大埋入式吸力錨的長度與直徑來提高其抗拔承載力，則大大增加施工難度，也是不可取的。

可見，還需對基于桶形基礎的吸力貫入式錨泊基礎的構型進行創(chuàng)新性設計，使其具有較大的抗拔承載力，且施工較為方便。

1 新型錨泊基礎

為此，本文提出一種基于雙桶桶形基礎貫入的海洋錨泊基礎，包括半圓形板、平板、中部連接板；半圓形板沿直徑方向的兩端外側焊接有平板，半圓形板與平板連接處的下部焊接有與平板垂直的錨柄，錨柄的端部設置有套孔；錨柄向上傾斜，半圓形板與平板上的位于兩個錨柄下邊緣組成的斜面以下的部分被切除；半圓形板底部切除后剩余的水平底端內(nèi)弧面設置有向內(nèi)突出的底托；中部連接板為一梯形狀鋼板兩端垂直焊接端板而成，梯形狀鋼板的中上部設置系泊孔，兩端板的外側平行的焊接兩旋轉(zhuǎn)軸；旋轉(zhuǎn)軸的外徑小于套孔的內(nèi)徑，兩個相同的半圓形板與平板焊接而成的組合結構基于錨柄上的套孔套入中部連接板兩側的旋轉(zhuǎn)軸7后，兩個組合結構可繞各自的旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

圖1～圖4給出了所提錨泊基礎的效果圖，錨泊基礎呈雙向?qū)ΨQ形狀。半圓形板沿直徑方向的兩端外側焊接有平板，半圓形板與平板的上端面平齊。半圓形板與平板連接處的下部焊接有與平板垂直的錨柄，錨柄相當于位于半圓形板的切線方向。錨柄向上傾斜，半圓形板與平板上的位于兩個錨柄下邊緣組成的斜面以下的部分被切除，可見錨柄、半圓形板、平板的下邊緣位于同一斜面上。半圓形板底部切除后剩余的水平底端內(nèi)弧面設置有向內(nèi)突出的底托，施工時桶形基礎底部壓在底托上，便于把錨泊基礎貫入海床中。

圖1 所提錨泊基礎俯視圖

圖2 所提錨泊基礎主視圖

圖3 所提錨泊基礎三維示意圖

圖4 所提錨泊基礎旋轉(zhuǎn)體詳圖

中部連接板為一梯形狀鋼板兩端垂直焊接端板而成，梯形狀鋼板的中上部設置系泊孔，兩端板的外側平行地焊接兩旋轉(zhuǎn)軸，如圖5所示。兩個相同的半圓形板與平板焊接而成的組合結構基于錨柄上的套孔套入中部連接板兩側的旋轉(zhuǎn)軸后，兩個組合結構可繞各自的旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)時兩個組合結構的錨柄不會發(fā)生相互碰撞，如圖6所示。

圖5 所提錨泊基礎中部連接板詳圖

圖6 所提錨泊基礎旋轉(zhuǎn)示意圖

兩個相同的組合結構基于錨柄上的套孔可繞各自的旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，當兩個組合結構向下旋轉(zhuǎn)至最大幅度時，兩個組合結構的同側錨柄的下部邊緣、同側平板下部邊緣、兩個半圓形板的下部部分邊緣將同時發(fā)生相互接觸。

2 錨泊基礎施工方法

所提錨泊基礎使用兩個相同的桶形基礎進行施工，兩個桶形基礎中間通過連接板焊接固定，桶形基礎中下部外側同一高度處均勻設置多個開口向下的卡口，如圖7所示。桶形基礎的外徑略小于半圓形板的內(nèi)徑；半圓形板底部的底托呈圓環(huán)形分布，底托的內(nèi)徑與桶形基礎的內(nèi)徑相等；當錨泊基礎上的兩個半圓形板分別套在兩個桶形基礎的外側且桶形基礎的底部與底托平整接觸時，半圓形板的上邊緣正好卡入桶形基礎中下部的卡口中，如圖8所示。

圖7 所提錨泊基礎施工時使用的雙桶基礎示意圖

圖8 所提錨泊基礎與雙桶基礎組裝示意圖

施工時，錨鏈系泊在系泊孔上，桶形基礎軸向下端壓在半圓形板底端的底托上，半圓形板的上邊緣卡在卡口中，依靠桶形基礎把錨泊基礎貫入至海床設計深度，然后移除桶形基礎，再通過對錨鏈垂直向上施加拉力使兩個組合結構繞旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)，直至施加的拉力達到設計值時，完成錨泊基礎的施工。

所提錨泊基礎的施工方法詳細描述如下：

(1) 組裝錨泊基礎。把錨泊基礎套入桶形基礎的底部外側，兩個半圓形板相應地包圍在兩個桶形基礎的外側，桶形基礎的軸向下端壓在半圓形板底端的底托上，半圓形板的上邊緣卡在卡口中。錨鏈系泊在系泊孔上。

需采用一些輔助措施與構件來實現(xiàn)錨泊基礎與桶形基礎之間的后續(xù)可解脫的固定與連接，該部分構件過于復雜而未在附圖中體現(xiàn)，但現(xiàn)有公知技術完全可現(xiàn)實該操作，此處不再詳細描述。

桶形基礎也稱吸力樁(suction pile)，為底端開口、頂端封閉的倒扣大直徑鋼制圓桶，安裝時，首先在預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)預定深度完成安裝[4-6]。

(2) 桶形基礎依靠自重下沉接觸海床?；谑┕だK索起吊桶形基礎，使其進入海水中并處于鉛錘狀態(tài)，逐漸下放桶形基礎，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9所示。

圖9 依靠自重下沉接觸海床結構示意圖

(3) 抽取負壓使桶形基礎貫入海床至設計深度桶形基礎的頂部設置有進出水(氣)閥，把連接管與進出水(氣)閥固定相連，通過連接管抽出桶形基礎內(nèi)部的空氣，形成內(nèi)外壓力差，從而把桶形基礎貫入海床土體中，最終桶形基礎底部錨泊基礎被壓入海床土體至設計深度，如圖10所示。

圖10 在負壓吸力作用下貫入海床結構示意圖

錨泊基礎在底托與卡口的協(xié)助下依靠桶形基礎貫入海床。所提的錨泊基礎施工時半圓形板包圍在桶形基礎的外側，整體沿沉貫方向的面積非常小，利用桶形基礎進行沉貫施工較為方便，阻力相對較小。

(4) 移除桶形基礎。待錨泊基礎被壓入海床至設計深度后，松開錨泊基礎與桶形基礎的連接，通過連接管對桶形基礎內(nèi)部充氣，使桶形基礎逐漸上浮，使錨泊基礎脫離桶形基礎，最終起吊、移除桶形基礎。桶形基礎移除后，僅剩錨泊基礎在海床土體中，如圖11所示。

圖11 桶形基礎移除后的錨泊基礎姿態(tài)示意圖

(5) 張拉錨鏈使錨泊基礎達到設計要求。通過對錨鏈施加豎直向上的拉力使兩個組合結構基于旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)，直至施加的拉力達到設計值時，完成錨泊基礎的施工，如圖12所示。

圖12 所提錨泊基礎張拉錨鏈時發(fā)生旋轉(zhuǎn)示意圖

張拉錨鏈使兩個組合結構發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)至最大幅度時兩個組合結構底部發(fā)生相互抵觸形成閉口形狀，使沿錨鏈方向能兜住較大面積的海床土體，從而具有較大的抗拔承載力。

與現(xiàn)有技術相比，所提錨泊基礎的優(yōu)點為：① 所提錨泊基礎由兩個相同的組合結構組裝而成，施工時半圓形板包圍在桶形基礎的外側，整體沿沉貫方向的面積非常小，利用桶形基礎進行沉貫施工較為方便，阻力相對較小;

② 所提錨泊基礎貫入海床后，通過張拉錨鏈使兩個組合結構發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)至最大幅度時兩個組合結構底部發(fā)生相互抵觸形成閉口形狀，使沿錨鏈方向能兜住較大面積的海床土體，從而具有較大的抗拔承載力;

③ 所提錨泊基礎結構簡單、制作方便，成本較低。

3 結束語

本文提出了一種基于雙桶桶形基礎貫入的海洋錨泊基礎，包括兩塊半圓形板，每塊半圓形板內(nèi)壁靠近底部具有托住桶形基礎底部的底托，每塊半圓形板沿直徑方向的兩端外側設有平板，每塊平板內(nèi)表面上具有與之垂直的錨柄，錨柄端部設有套孔；還包括設置于兩塊半圓形板之間的中部連接板，中部連接板中上部設置系泊孔，兩塊半圓形板轉(zhuǎn)動連接，通過組裝錨泊基礎、桶形基礎依靠自重下沉接觸海床、灌入設計深度、移除桶形基礎、張拉錨鏈使錨泊基礎達到設計要求。本發(fā)明施工方便，實用性強，貫入海床后，通過張拉錨鏈使兩個組合結構旋轉(zhuǎn)至最大幅度時兩個組合結構底部發(fā)生抵觸形成閉口形狀，沿錨鏈方向能兜住較大面積的海床土體，具有較大的抗拔承載力。